Постійний струм. Електричні кола постійного струму: розрахунок

Постійним струмом є пересуваються в певному напрямку частинки з зарядом. По-іншому струм можна назвати такими величинами, як сила струму або напруга, які є постійними і в напрямку, і за значенням. Розглянемо його характеристику, застосування, а також електричні ланцюги постійного струму. Відповімо на питання, яким чином проводиться дослідження електричного кола, як вона розраховується і на деякі інші.

Від плюса до мінуса або навпаки?

У джерелі електрони рухаються від мінусового значення до плюсової. Незважаючи на те, що всі про це знають, прийнято вважати напрям від плюса до мінуса. Цікаво чому? Нам пояснюють, що так історично склалося. Але чи так це насправді? Адже ця «історія» склалася в якийсь абсолютно незначний проміжок часу.
В постійному струмі діють основні закони електротехніки: закон Ома і закони Кірхгофа. Струм називали раніше гальванічним, так як отримали його в результаті гальванічної реакції. Коли електричний струм почали проводити в будинку, велися жорсткі суперечки про те, який струм вводити: постійний або змінний. «Війну» виграв другий, так як він виявився менш витратним. Його набагато простіше передавати на великі відстані завдяки легкої трансформації.

Як виходить постійний струм

Але й не зник з використання постійний струм. Електричні кола постійного струму зустрічаються, наприклад, в акумуляторах. Струм виробляється за допомогою електромагнітної індукції, після чого відбувається випрямлення колектором. Таку реакцію виробляє генератор, де теж виробляється постійний струм. Електричні кола постійного струму можуть трансформуватися з змінного за рахунок перетворювачів і випрямлячів.

Область застосування

Застосування цього виду досить широко. У більшості побутових приладів будинку, наприклад, в комп'ютерному модемі, зарядці для мобільника, електрочайнику або кухонному комбайні працює саме постійний струм. Електричні кола постійного струму виробляються і перетворюються на автомобільному генераторі і будь-якому портативному приладі. На ньому функціонують всі промислові двигуни, а в окремих країнах навіть високовольтні лінії електричних передач. Навіть в деяких медичних приладах він застосовується. Постійний струм є більш безпечним, так як смертельний результат може наступити при ударі струмом від 300 мА, а при змінному — вже при 50-100 мА.

Електрична ланцюг

Зв'язок забезпечується всіма пристроями, завдяки якими здійснюється передача, розподіл і перетворення теплової, електромагнітної, світловий та інших видів енергоінформацію. Процеси описані такими электродвижущими силами, як струм і напруга.

Основні елементи електричних ланцюгів постійного струму

Основні елементи — це приймачі та джерела енергоінформацію, що з'єднуються провідниками. У джерелах різні види енергії перетворюються в електричну. А в приймачах, навпаки, електроенергія переходить в інші види. Ланцюги, де перетворення, передача і отримання електричної енергії відбувається при постійному значенні напруги і струму протягом усього часу, називаються ланцюгами постійного струму. Там, де процес відбувається зі змінним значенням — ланцюгами змінного струму.
Щоб зробити розрахунок і дослідження електричної ланцюга постійного струму (лабораторна робота для цих цілей зазвичай служить), застосовується схема заміщення, тобто ідеалізована ланцюг для розрахунку реальної. Щоб її отримати, потрібно замінити всі елементи схеми. Фізичні процеси повинні бути виражені в кожному математичному описі.

Резистивні елементи

Резистор є одним з приймачів електроланцюга. Його характеризує активний опір, який вимірюється в Омах. Резистивні опору або, як їх ще називають, активні вводяться в схеми заміщення, щоб враховувати преобразующуюся електромагнітну енергію в інші види. Розрахунок складних електричних ланцюгів постійного струму проводиться, якщо задати позитивний напрямок всіх струмів і напруг. Вибирають напрям їх вузла, що має великий потенціал до вузла з меншим потенціалом. При незалежне опорі від струму резистор називають лінійним, а електричну ланцюг — лінійної резистивної. Вольт-амперна характеристика виражається через лінійну функцію, що проходить через початок координат. При аналізі таких ланцюгів часто застосовують принцип спрощення, що полягає в заміні складних ділянок електричного ланцюга на прості. Але струм і напруга змінюватися не повинні. Тоді ланцюг згорнеться до найпростішого вигляду. Сполучені резистивні елементи повинні бути паралельно і послідовно перетворені.

Послідовне і паралельне з'єднання

При послідовному з'єднанні в усіх елементах струм має одне і те ж значення. Тут напруга визначається за допомогою суми всіх включених опорів, помноженої на I, тобто: U=(R1+R2+RN)I=RI. При паралельному з'єднанні застосовується постійна напруга, зате струм являє собою суму струмів на кожному з елементів. Тому його можна представити як добуток напруги на еквівалентну провідність активних елементів. А вона, в свою чергу, дорівнює сумі провідностей елементів. Ось з чого складається постійний струм.
Електричні кола постійного струму, окрім цього, містять джерела напруги і струму.

Джерела

Незалежне напруга (ЕРС, струм) від опору зовнішнього кола називають його джерелом. Джерело ЕРС (напруги) вимірюється на холостому ходу, тобто, де струм в джерелі дорівнює нулю. У схемах заміщення резистор враховує теплові енергетичні втрати, які виділяються з джерела. Якщо він дорівнює нулю, а джерело струму — нескінченності, це — ідеальний джерело. Реальний завжди має кінцеве значення. Зовнішні характеристики наступні: у джерел ЕРС і напруги залежність виникає від протікаючого струму, а у джерела струму від напруги на затискачах. Реальні джерела мають лінійні і нелінійні ділянки. Розглянемо методи розрахунку лінійних електричних ланцюгів постійного струму. Вони описані в законі Ома для повного кола, де I=E/(Rh+Rbh). Тоді U= E - RbhI. З цих формул виводяться внутрішній опір і внутрішня провідність:

Rbh=?U/?I;

Gbh=?I/?U.

Розрахунок нелінійних електричних ланцюгів постійного струму виробляється на основі закону Кірхгофа. Методи розрахунку лінійних і нелінійних схем різні. Тому останні в рамках даної статті не розглядаються.

Прилади для вимірювання лінійного ділянки

Електрична ємність ланцюга постійного струму містить джерела. А приладами, його вимірюють, є: вольтметр для вимірювання напруги на ділянці кола і амперметр для послідовного включення в ланцюг. При нульовому значенні внутрішнього опору і провідності прилади є ідеальними. Способи включення стають більш зрозумілими при розгляді їх із застосуванням вимірювання опору. За законом Ома R=U/I. Ми знаємо, що реальні прилади не мають нульового значення. Тому можливі лише два варіанти їх включення:

внутрішній опір вольтметра в рази більше вимірюваного амперметра — таке, щоб зниження напруги на ньому не скорочувало зниження на вимірюваному опорі, а напруга, яка вимірюється вольтметром повинно відповідати робочого діапазону;

внутрішній опір вольтметра порівняна з вимірюваним, а амперметра — істотно менше вимірюваного.

Експеримент та завдання для контрольної роботи

Для вимірювання напруги і струму застосовуються відповідні генератори. Внутрішній опір у них вимірюється за допомогою перемикачів. Вольтметр і амперметр входять в блок АВ1. Для вимірювання опору застосовуються спеціальні схеми. У джерелі електрорушійної сили внутрішній опір має бути вимкненим. У рекомендованому завдання, яке повинна мати контрольна робота, електричні ланцюги постійного струму вивчаються за допомогою визначення параметрів джерела електрорушійної сили джерела струму, вимірювання опору, вивчення включення паралельного і послідовного опорів, ВАХ.