Электрическая цепь и ее топология

Электрической цепью называют совокупность устройств и объектов, образующих путь для электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью математических зависимостей, электродвижущей силы (ЭДС), тока и напряжения. Понятия об ЭДС, токе и напряжении рассмотрены в курсе физики.

Электрическая цепь включает: источник электрической энергии; приемник электрической энергии; устройства, связывающие источник и приемник; вспомогательные устройства.

Источники электрической энергии преобразуют химическую, механическую, тепловую, световую и другие виды энергии в электрическую. В процессе преобразования неэлектрической энергии в электрическую на зажимах источников за счет действия выше указанных видов энергии создается ЭДС. В качестве источников, преобразующих указанные виды энергии в электрическую, могут быть аккумулятор, генератор постоянного тока, термопара и фотоэлемент.

В приемнике электрической энергии происходят необратимые преобразования электрической энергии в другие виды энергии. Например, в электрической машине, работающей в режиме двигателя, электрическая энергия превращается в механическую; в электрической печи или резисторе — тепловую; в лампе накаливания — световую. Ряд электрических устройств в определенных условиях может работать как источник электрической энергии или генератор и как потребитель ее. Например, аккумулятор работает как источник энергии, когда отдает ее приемнику (в сеть) и как приемник, когда при зарядке воспринимает электрическую энергию, превращая ее в химическую.

В качестве устройств, связывающих источник электрической энергии и приемник, применяются провода, обладающие минимальным сопротивлением протеканию тока. Провода обеспечивают передачу электрической энергии от источника к приемнику.

К вспомогательным устройствам электрической цепи относятся: выключатели, коммутаторы, изменяющие режим работы цепи; предохранители, обеспечивающие предохранение элементов цепи от токов короткого замыкания; измерительные приборы, служащие для измерения параметров цепи — тока, напряжения.

При анализе и расчете электрических цепей элементы реальной цепи заменяются графически условными обозначениями. Графическое изображение электрической цепи в виде условных обозначений называется схемой электрической цепи.

На рис. 1.1а представлена упрощенная физическая электрическая цепь фонарика. Она включает аккумулятор АК, лампу накаливания Л, выключатель В и провода П, соединяющие элементы цепи. На рис. 1.16 и 1.1 в представлены электрические схемы указанной цепи, состоящие из условных обозначений. На этих схемах представлены аккумулятор АК — источник энергии и резистор /? — лампа накаливания (Л).

Электрическая цепь и соответствующая ей электрическая схема может быть просто неразветвленной (рис. 1.1), а может быть сложной разветвленной цепью, т. е. включать несколько источников и приемников, соединенных проводами (рис. 1.2).

Рис. 1.1. Физическая электрическая цепь (а) ее электрические схемы (б), (в) (обозначения приведены в тексте).

Рис. 1.2. Схема разветвленной электрической цепи (обозначения в тексте).

На схеме в качестве источников электрической энергии представлены источники ЭДС ?1 и ?2 (например, гальванические элементы), а в качестве приемников резисторы ?1 — ?5 (например, нагревательные элементы — тэны).

При анализе электрических цепей применяют основные топологические понятия: ветвь; узел; контур; двухполюсник и четырехполюсник.

Ветвь схемы — участок электрической цепи, по элементам которой протекает один и тот же ток. Ветвь может состоять из одного или нескольких элементов, в последнем случае элементы соединены последовательно. На рис. 1.2 представлена разветвленная схема электрической цепи с пятью ветвями, по которым протекают разные токи (Д — /5).

Узел схемы — место соединения трех и более ветвей. Различают понятия геометрического и потенциального узлов. На схеме рис. 1.2 имеется четыре геометрических и три потенциальных узла. Геометрические узлы 3 и 3', имеющие одинаковые потенциалы, могут быть объединены в один потенциальный узел.

Контур схемы — замкнутый путь, проходящий через несколько ветвей и узлов разветвленной электрической цепи. Например, на схеме рис. 1.2 контур / включает элементы ?1- ?1-(точка 1)-?2-?2-(точка 3).

Двухполюсник схемы — часть электрической цепи с двумя выделенными полюсами-зажимами, с помощью которых она соединяется с другой частью схемы.

На рис. 1.2 можно выделить, например, двухполюсник с элементами, находящимися слева от зажимов а и 6, т. е. ЭДС ?1 и резистор ?1. Двухполюсник обозначается прямоугольником: А — активный или П — пассивный. Активный

Рис. 1.3. Схемы с двухполюсником (а) и четырехполюсником (б).

двухполюсник включает источники энергии, а пассивный не содержит источники энергии. На рис. 1.3а представлено изображение схемы рис. 1.2 с активным двухполюсником.

Четырехполюсник схемы — часть электрической цепи, имеющая четыре полюса-зажима для соединения с другой частью схемы. Обычно зажимы группируют (рис. 1.2) и одни называются входными {а и 6), а другие выходными (с и сГ). Четырехполюсники так же, как и двухполюсники, могут быть активными или пассивными. На рис. 1.36 представлено изображение схемы рис. 1.2 с активным четырехполюсником.