Статья: Физические основы электротехники

Электрическая цепь. Классификация электрических токов, напряжений и ЭДС

Электрическая цепь состоит из приемников и источников электроэнергии, которые соединены между собой при помощи проводов. К источникам электрической энергии относятся генераторы, солнечные батареи, аккумуляторы и другие устройства, преобразующие тепловую, механическую, химическую и другие виды энергии в электроэнергию. К приемникам относятся устройства, в которых электрическая энергия преобразуется в другой вид энергии (лампы, электрические двигатели и т.п.). Любую электрическую цепь можно представить в виде двухполюсника, пример которого показан на рисунке ниже.

Рисунок 1. Двухполюсник.

Двухполюсники могут быть:

1. Активными, которые содержат источники электрической энергии, не компенсирующие друг друга.
2. Пассивными, которые либо не содержат источников электрической энергии, либо они скомпенсированы внутри них.

Двухполюсники могут быть одно-, двух- и многоэлементными.

Электрический ток направление и величина которого не изменяются с течением времени называется постоянным, график зависимости такого тока изображен на рисунке ниже.

Рисунок 2. Постоянный ток.

Формула для расчета силы тока выглядит следующим образом.

$I = q / t$

где q - величина электрического заряда; t - время.

Электрический ток, у которого направление или величина изменяется во времени называется переменным. Ток измеряется в амперах. Сила тока равняется одному амперу, в том случае, если через поперечное сечение проводника за одну секунду проходит заряд равный одному кулону. Формы кривых переменных токов разнообразны, но доминирующее место среди них занимают периодические токи, зависимости которых изображены на рисунках ниже.

Рисунок 3. Периодический ток.

Рисунок 4. Периодический ток.

Периодическими являются такие токи, у которых мгновенные значения тока (значения тока в данный момент) повторяются через равные промежутки времени. Например, на первом рисунке мгновенные значения тока обозначены i1. Минимальное время, за который мгновенное значение тока повторяется, называется периодом, а их количество за одну секунду частотой. Данные величины связаны между собой следующим выражением:

$f = 1 / T$

где, f - частота; Т - период.

Электрические токи, изменяющиеся согласно гармоническому закону называются синусоидальными. Важнейшим параметром данного вида тока является амплитуда.

Электрические тока возникают в цепях под воздействием электродвижущей силы, которая возбуждается в источниках. Электродвижущая сила и напряжения, которые она создает согласно законам изменения их мгновенного значения могут быть несинусоидальными, постоянными, переменными или синусоидальными.

Магнитные цепи

Магнитная цепь состоит из магнитопровода и элементов, которые возбуждают магнитное поле (постоянные магниты, катушки с токами). В состав магнитопровода входят среды и тела, образующие замкнутые пути для основной части магнитной линии. Все магнитные цепи делятся на группы. Они могут быть:

1. Разветвленными и неразветвленными.
2. С переменными и постоянными токами.
3. С одним или несколькими элементами, которые способны возбуждать магнитное поле.

Вектор магнитной индукции представляет собой основную величину, которая характеризует направление и интенсивность магнитного поля в любой его точке. Этот вектор направлен по касательной к силовой магнитной линии, как показано на рисунке ниже.

Рисунок 5. Вектор магнитной индукции.

Направление вектора (В) на рисунке совпадает с направлением магнитной стрелки, которая помещена в исследуемую точку магнитного поля и определяется по правилу буравчика.

Еще одним важным параметром магнитной цепи является магнитный поток, характеризующий густоту силовых линий. Элементарный магнитный поток сквозь бесконечно малую площадь рассчитывается по формуле.

$dФ = В*cosa*dS$

где, a - угол между вектором B и нормалью n к площадке dS (рисунок Б выше).

Магнитный поток через всю поверхность площадки рассчитывается по следующей формуле:

Рисунок 6. Формула. Элементарный магнитный поток

Если площадка является плоскостью, то формула для расчета магнитного потока выглядит следующим образом:

$Ф = В*S*cosa$

Если плоскость поверхности площадки перпендикулярна по отношению к вектору магнитной индукции, то угол между вектором и нормалью к площадке равен нулю, формула для расчета магнитного потока выглядит следующим образом:

$Ф=В*S$

Еще одной важной характеристикой магнитного поля является его напряженность, которая связана с направлением вектора магнитной индукции следующим выражением.

Рисунок 7. Формула. Элементарный магнитный поток

где, U0 - магнитная постоянная (табличная величина); U - магнитная проницаемость среды; Ua - абсолютная проницаемость среды; Н - напряженность магнитного поля.