Приемники электрической энергии в электрических цепях любой конфигурации

Федеральное агентство по рыболовству

Федеральное государственное бюджетное образовательное

Учреждение высшего образования

«Астраханский государственный технический университет»

Ю.Н. Кагаков

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

Учебное пособие

Допущено редакционно-издательским советом

Астраханского государственного технического университета

в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений,

обучающихся по специальностям и направлениям

в области электроэнергетики и электротехники

Астрахань

Издательство АГТУ

2018

УДК 621.3.011.7 / .045.7.001.24(075.8)

ББК 31.211-02

К12

Рецензенты:

Кагаков, Юрий Николаевич.

К12        Основы теории электрических цепей. Учебное пособие / Ю.Н. Кагаков; Астрахан.гос.техн.ун-т. – Астрахань: Изд-во АГТУ, 2018. – …. с.

ISBN 978-5-89154-608-0.

В учебном пособии рассматривается один из важных разделов теоретической электротехники – теория электрических цепей синусоидального тока, составляющая основу для изучения всех остальных разделов курса.

Несмотря на то, что курс теоретической электротехники имеет всеобъемлющее сопровождение классической по своему уровню учебной литературой, значительные в последние годы изменения в системе среднего и высшего образования настоятельно требуют разработки в дополнение к общепризнанным классическим учебникам учебной и учебно-методической литературы.

Настоящее учебное пособие составлено с учетом изменения подготовки студентов по математике и физике и значительного увеличения объема учебного материала, выносимого на самостоятельное изучение. В связи с этим в пособии несколько изменены содержание и компоновка учебного материала. Повышенное внимание уделено фундаментальным основам электромагнитных процессов в электрических цепях, логике методов расчета и анализа, что должно способствовать снижению необходимости механического запоминания и переносу центра тяжести обучения на осознанное понимание материала, облегчив, таким образом, самостоятельную работу. В условиях все более широкого внедрения систем обучения «Online» и дистанционного образования это становится все более актуальным.

Все основные разделы пособия сопровождаются наглядной демонстрацией использования теоретических основ для решения конкретных задач.

УДК 621.3.011.7 / .045.7.001.24(075.8)

ББК 31.211-02

ISBN 978-5-89154-608-0            © Кагаков Ю.Н., 2018

© ФГБОУ ВО «Астраханский государственный технический университет», 2018

Часть 1. ВВЕДЕНИЕ В ТЕОРИЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

В основе теории электрических цепей лежат фундаментальные законы и принципы классической электродинамики, сформулированные в работах выдающихся физиков (итальянец Вольга А., англичанин Фарадей М., немец Ом Г., француз Ампер А., и др.) и математиков (англичане Гамильтон и Стокс, французы Пуассон, Коши и Фурье, немцы Гаусс, Кирхгоф, россиянин Чебышев и др.).

В настоящее время электрическая энергия фактически составляет основу цивилизации, а электрические цепи, обеспечивающие получение, коммуникацию, распределение и использование электрической энергии, являются ее центральным элементом.

В этой связи теория электрических цепей составляет один из главных разделов теоретической электротехники.

Задачей анализа и расчета электрических цепей является установление связей между источниками электрической энергии и потребителями через определение условий этого взаимодействия с вычислением величин и характер токов напряжений, электрических потенциалов, генерируемой и потребляемой мощности. Важнейшей задачей анализа является прогнозирование возможных последствий такого взаимодействия, как в стандартных, так и нестандартных ситуациях и режимах работы цепи.

Как известно, по характеру токов различают два типа электрических цепей: цепи постоянного и цепи переменного токов. Учитывая то, что основы теории цепей постоянного тока довольно детально изучаются в курсах физики, в настоящем учебном пособии они рассматриваются в общем контексте синусоидального тока как их частный случай. В пособии рассматриваются только теория линейных электрических цепей с сосредоточенными параметрами, которая является базой для изучения электрических цепей любой конфигурации, одновременно давая возможность студентам самостоятельно изучать все разделы теоретической электротехники. Такие возможности предоставляются и наличием большого количества успешно выдержавших проверку и отлично себя зарекомендовавших фундаментальных учебников по теоретической электротехнике и теории электрических цепей [1,2,3,4,5,6].

В основе теории лежит исключительно плодотворная идея изображения синусоидальных функций времени векторами и функциями комплексного переменного (символический метод расчета и анализа теоретических цепей).

В первой части пособия рассматриваются основы теории электрических цепей при любых формах ЭДС, напряжений и токов.

1.1. Электрические цепи. Схемы электрических цепей

С точки зрения теоретической электротехники, электрическая цепь представляет собой совокупность электротехнических устройств, включающих в себя источники электрической энергии, приемники электрической энергии, соединительные провода, а также вспомогательные электротехнические элементы (коммуникационные, распределительные, элементы защиты, автоматики и т.п.), в целом, составляющих замкнутую электрическую систему, предназначенную для получения (генерации), передачи, распределения и использования электрической энергии (или сигналов). Изучение реальных электротехнических устройств, составляющих электрическую цепь, входит в задачу специальных электротехнических дисциплин учебных планов. В задачу теоретической электротехники (первая фундаментальная дисциплина профессионального цикла) входит формирование базовых основ для четкого понимания электромагнитных процессов в электрических цепях и, на этой основе, – принципов и методов расчета и анализа как цепей, в целом, так и отдельных их элементов.

В этой связи в рамках теоретической электротехники рассматриваются не реальные электрические цепи и устройства, а их графические изображения на чертежах (или рисунках) в виде схем реальных электрических цепей с использованием общепринятых (рекомендуемых) условных обозначений. Важнейшей задачей при этом является четкое понимание и осознание, как теоретических основ, так и физической сущности всех явлений, которые происходят в каждом элементе реальной электрической цепи.

1.2. Источники электрической энергии

Источники электрической энергии являются важнейшим элементом любой электрической цепи и представляют собой электротехнические устройства, в которых сторонние виды энергии, имеющие место вне электрической цепи (механическая, тепловая, химическая и др.), превращаются в потенциальную электрическую энергию источника.

Источником и мерой электрической энергии (электрического поля) в электрической цепи является электродвижущая сила (ЭДС) источника.

В зависимости от вида и характера сторонних сил ЭДС источника может быть либо периодической переменной (в подавляющем числе случаев – синусоидальной) функцией времени, обозначаемой е(t) (или просто малой буквой «е»), или постоянной, обозначаемой «Е». Электродвижущая сила является величиной скалярной и измеряется в Вольтах [В].

Условно говоря, за счет действия сторонних сил в источнике «накачивается» потенциальная электрическая энергия – энергия электрического поля, что сопровождается повышением электрического потенциала от некоторого начального значения на входном зажиме источника (н) до конечного (к) на его выходе. Подобный процесс имеет место, например, при ручном или механическом накачивании воздуха в шину автомобильного колеса, сопровождающегося повышением давления и накоплением потенциальной энергии в нем с начального значения Р_н до конечного Р_к. Естественно, что давление в колесе может служить мерой всей накопленной потенциальной энергии.

Электрический потенциал обозначается буквой j (фи), является величиной скалярной и измеряется в Вольтах [В].

Под величиной ЭДС источника электрической энергии понимается разность потенциалов на его клеммах (зажимах), т.е.:

j_к(t) – j_н(t) = е(t).

Очень часто начальное значение потенциала принимается равным нулю j_н=0. В таком случае е(t) = j_н(t).

Таким образом, с энергетической точки зрения ЭДС источника численно равна работе сторонних сил по повышению электрического потенциала от j_н(t) до j_к(t) (между зажимами источника). Результатом действия ЭДС является возникновение электрического поля в источнике как единственного носителя энергии цепи.

В схемах электрических цепей источники электрической энергии представляются в двух вариантах.

Источники напряжения. Это такие источники ЭДС, которые обеспечивают на своих зажимах неизменное при всех нагрузках напряжение u_кн(t). В схемах электрических цепей ЭДС чаще всего предоставляется так, как на рис. 1.1.

Рис. 1.1

Стрелка в графическом представлении источника ЭДС указывает направление повышения электрического потенциала в источнике, т.е. направление действия собственно ЭДС.

К идеальным относятся такие источники напряжения, у которых внутренние сопротивления отсутствуют. В этом случае величина ЭДС источника равна величине напряжения на его зажимах в каждый момент времени, т.е. е(t) = u_кн(t). Если внутри источника сопротивление есть (учитывается) он называется реальным.

Источники тока. По определению, источник тока – это такой источник электрической энергии, который обеспечивает на выходе во всех режимах работы один (неизменный) ток. При этом следует понимать, что не существует каких-либо физических явлений и электротехнических устройств, которые, при отсутствии в проводниках цепи электрического поля, следовательно, ЭДС создавали бы в этой цепи электрический ток, т.е. направленное движение электрических зарядов. Источник тока – это теоретическая конструкция, в практической электроэнергетики и электротехнике значения не имеющая. В качестве модели источника тока может выступать, например, стабилизатор тока, естественно питающийся от источника напряжения.

Источник тока без источника ЭДС в принципе существовать не может. Тем не менее, в учебной литературе эта теоретическая конструкция используется достаточно широко. В настоящем пособии цепи с источником тока не рассматриваются.

1.3. Электрические величины, формирующие электромагнитные процессы в электрических цепях

Основными электрическими величинами, формирующими в результате действия ЭДС все электромагнитные процессы в электрических цепях, являются электрический потенциал, электрическое напряжении и электрический ток. Естественно, что и первопричиной, и условием существования всех этих явлений в электрических цепях является электрическое поле, возникающее в замкнутых электрических цепях под воздействием ЭДС источников. Тем не менее, при формировании теории электрических цепей электрическое поле в проводниках отдельного рассмотрения не требует.

1.3.1. Электрический потенциал

Электрический потенциал может быть приписан не только клеммам источника электрической энергии, но любой точке электрического поля, возникающего в каждом элементе замкнутой электрической цепи, т.е. любой точке собственно этой цепи.

Подобно тому, как это имеет место в гравитационном поле, в каждой точке электрического поля (следовательно, в каждой точке электрической цепи с электрическим полем) сосредоточена (потенциальная) электрическая энергия, мерой которой и является электрический потенциал и которая может быть обнаружена по силовому кулоновскому воздействию на электрический заряд, помещенный в эту точку (находящийся там).

В случае переменных электрических полей, т.е. в электрических цепях переменного тока потенциал является функцией времени, т.е. j(t). В то же время в постоянных (статических) электрических полях, следовательно, в цепях постоянного тока j(t) = j = const является величиной постоянной (от времени не зависит). При этом природа электрического потенциала, физическая сущность взаимодействия между потенциалами и другими электрическими величинами, как в постоянном, так и в переменном электрических полях (электрических цепях) абсолютно одинаковы.

Поскольку эти взаимодействия в цепях постоянного тока оказываются более наглядными, далее рассматриваются потенциалы в постоянных электрических полях, а, значит, в цепях постоянного тока, когда е(t) = Е, а j(t) = j.

Хорошо известно, что любая потенциальная энергия абсолютного значения не имеет. Величина энергии любой точки потенциального поля (следовательно, значение электрического потенциала этой точки) однозначно может быть определена только при ее сравнении с точкой, потенциал которой известен (начало отсчета). Это значит, что потенциалу любой точки электрической цепи может быть произвольно приписано любое значение, например, «ноль» и именно от нее отсчитываются потенциалы всех остальных точек. В электротехнике принято считать, что потенциалом, равным нулю, обладает «земля». Значит, приписать потенциалу какой-либо точки цепи значение «ноль», условно (или, безусловно) означает соединить эту точку с землей (заземлить). В случае, если электрическая цепь удалена от земли (морские, воздушные, космические корабли) за «землю» принимается корпус соответствующего устройства. При этом никакого влияния на режим работы любой электрической цепи «заземление» одной точки (только одной) не оказывает и при расчете цепи с таким заземлением можно не считаться (изменяется только распределение электрических потенциалов точек).

Понятно, что энергия в электрической цепи появляется только за счет действия сторонних сил в источнике электрической энергии. Наибольшим потенциалом в любой электрической цепи с одним источником является зажим (точка), в направлении которого действует ЭДС (конец стрелки).

Противоположный зажим источника (начало стрелки ЭДС) обладает наименьшим абсолютным значением потенциалов. Именно поэтому (но не обязательно) потенциал этого зажима и принимается за «ноль» (см. рис. 1.2).

Рис. 1.2

j₂ = j₁ + Е = Е,        Е = j₂ – j₁ = j₂

Во всех элементах цепи вне источника за счет сил электрического поля совершается тот или иной вид работы, сопровождающийся удалением энергии цепи уменьшением ее потенциальной энергии, следовательно, уменьшением электрических потенциалов соответствующих точек. Точки электрической цепи, обладающие одинаковыми электрическими потенциалами, называются эквипотенциальными. Такие точки всегда могут быть соединены между собой без нарушения режима работы электрической цепи.

Очень часто при сравнении потенциалов двух точек, точке с большим потенциалом приписывается знак + «плюс», а с меньшим – знак – «минус». Понятно, что знак точки зависит от того, с какой другой точкой она сравнивается.

С точки зрения классической электродинамики электрический потенциал тока «к» численно равен работе сил электрического поля (в источнике – сторонних сил) А_ок по перемещению единицы электрического заряда q из точки с нулевым потенциалом «0» в рассматриваемую, т.е.:

j_к = А_ок /q и А_ок = j_к × q.

1.3.2. Электрическое напряжение

Электрическое напряжение имеет место между любыми двумя точками электрической цепи (электрического поля) и численно равно разности потенциалов этих точек, т.е. напряжение между любыми двумя точками «m» и «n» цепи равно:

U_mn = |j_m – j_n|.

Здесь речь идет об абсолютном значении этой разницы, которое фиксируется вольтметром и измеряется в Вольтах (В). Наряду с понятием «напряжение» в электротехнике широко используется и имеет важное значение и понятие «падение напряжения». В это понятие вкладывается не только абсолютное значение величины напряжения между двумя точками, но и направление уменьшения электрического потенциала между ними. Это направление обычно фиксируется стрелкой, направленной от большего потенциала к меньшему, например, если j₁ > j₂ > j₃  (см. рис. 1.3), то падение напряжения между точками 1 и 2 U₁₂ = j₁ – j₂ направлено так, как показано на рисунке и фиксируется индексом 12 «начала и конца стрелки» соответственно  U₂₃ = j₂ – j₃  и  U₁₃ = j₁ – j₃. При этом потенциалу точки 2 при сравнении с точкой 1 приписывается знак «минус», а при сравнении с точкой 3 – «плюс».

Рис. 1.3

В соответствии с определением электрического потенциала напряжение между двумя точками электрической цепи есть работа электрического поля цепи А₁₂ по перемещению единицы электрического заряда q одной из рассматриваемых точек в другую, т.е.:

U₁₂ = А₁₂ / q

и

А₁₂ = U₁₂ × q = (j₁ – j₂) q = q j₁ – q j₂ = А₀₁ – А₀₂.

Работа (энергия) имеет размерность [Вольт × Кулон] = [В×А×Сек] = Дж (Джоуль).

Понятно, что и напряжение, и падение напряжения могут быть отнесены к любому участку электрической цепи, в т.ч. к источнику электрической энергии. При этом следует понимать, что в идеальном источнике при равенстве Е = U падение напряжения направлено навстречу направлению действия ЭДС, которая не понижает, а повышает электрический потенциал.

На пассивных участках электрических цепей падение напряжения во всех случаях совпадает с направлением тока (движения электрических зарядов вдоль линий электрического поля).

В соответствии с определением ЭДС и потенциала с энергетической точки зрения получаем Е = j₂ – j₁ = А₁₂ /q = А_ист /q , т.е. работа внутри источника по перемещению единицы заряда:

А_ист = Е×q [В×А×Сек].

1.3.3. Электрический ток

Движение электрических зарядов любой природы сквозь какую-либо поверхность есть электрический ток сквозь эту поверхность. Единственной причиной перемещения электрических зарядов в электрических цепях является действие на эти заряды кулоновских сил электрического поля. В электрических цепях такие силы формируются в источнике ЭДС, т.е. в источнике электрической энергии. Кулоновские силы поля воздействуют либо на свободные электроны молекул металлических проводников, образуя ток, называемый током проводимости, либо на прочно связанные между собой противоположные по знаку заряды диполей диэлектриков, смещение которых относительно центров диполей образует ток называемый током смещения. Во всех случаях перемещение электрических зарядов происходит в сторону действия сил электрического поля, т.е. вдоль и в направлении его силовых линий. В электрических цепях силовые линии поля замыкаются по проводникам цепи от «плюса» источника к «минусу». Условно считают, что единичные заряды в процессе движения «прочерчивают» каждый свою траекторию движения, называемую линией электрического тока. Эти линии непрерывны, т.е. замыкаются сами на себя.

Непрерывность линий электрического тока входит в состав фундаментальных принципов электродинамики и является обязательным условием существования тока. Совокупность линий тока, пронизывающих некоторую поверхность S условно представляет величину тока сквозь эту поверхность.

Под величиной электрического тока в проводнике в каждый момент времени понимают количество электричества (совокупный электрический заряд q), перемещающееся через поперечное сечение проводника в единицу времени, т.е.:

i(t) = dq(t) / dt [К/Сек = А].

Отношение величины тока сквозь поверхность к величине этой поверхности есть плотность электрического тока:

d(t) = i(t) / S, [А/м²]

Если q(t) = q = Q = const, то i(t) = I = Q / t = const,и мы имеем дело с постоянным во времени током. Во всех других случаях мы имеем дело с переменным, т.е. зависящим от времени, током i(t). Частным случаем переменного тока является ток, изменяющийся во времени по синусоидальному закону называемый синусоидальным током. Величина переменного тока в каждый момент времени t_к, т.е. i(t_к) называют мгновенным значением тока. Встречаются случаи, когда величину тока называют силой тока, что не вполне корректно, поскольку непосредственно к силе величина тока никакого отношения не имеет. Конечно, силовые взаимодействия электрического тока в среде электромагнитного поля имеют место (например, силы Ампера), однако это не дает никаких оснований приписывать току силу, как силовые взаимодействия масс в гравитационном поле не дают оснований приписывать массе тел силу. Следует избегать и другого часто встречающегося выражения – «ток течет», пришедшего в электротехнику из широко распространенных и до сих пор очень полезных аналогий процессов в электрических цепях и гидравлических системах. Ток возникает, ток исчезает, имеет место, направлен в ту или иную сторону, но не течет. Тем более, если речь идет о переменном токе.

Сам по себе электрический ток, как и напряжение, является величиной скалярной, однако в электрических цепях ему приписывается направление.

В цепях постоянного тока его направление однозначно определяется направлением действия ЭДС источников электрической энергии. В цепях синусоидального тока направление выбирается произвольно и называетсяусловно-положительным. Никакой ошибки при этом не происходит, т.к. в расчетах электрических цепей выбранное направление автоматически учитывается в результатах этих расчетов.

Как было отмечено, носителями электрических зарядов в проводниках являются свободные электроны внешних оболочек атомов проводников, которые свободно перемещаются (дрейфуют) под действием сил электрического поля с преобразованием потенциальной энергии электрического поля в каждой точке электрической цепи в кинетическую энергию движения зарядов. При этом кинетическая энергия движения электронов при перемещении вдоль участков электрической цепи частично теряется, превращаясь в каждом из них в Джоулево тепло и другие виды энергии.

Следует иметь в виду, что скорость дрейфа свободных электронов в проводнике относительно невелика. Например, при плотности тока d = 1 А/см² скорость дрейфа электронов в меди равна всего 0,7×10^–4 см/сек.

В тоже время скорость распространения электрического поля в проводниках сравнима со скоростью света, т.е. примерно 300000 км/сек. Это означает, что линии поля в каждом элементе электрической цепи с практически мыслимой длиной проводов появляются практически одновременно. Это означает, что движение электрических зарядов, т.е. электрический ток в каждом элементе цепи возникает практически одновременно и не требует «пробегания» электронов по всей замкнутой цепи, что может иметь место в цепях постоянного тока. В цепях переменного тока свободные электроны на относительно коротком отрезке проводника совершают колебательные движения в одну и другую сторону, естественно с сохранением принципа непрерывности линий тока, когда место любого покидающего атом электрона мгновенно занимается электроном соседнего атома.

Знание физических основ возникновения, существования и проявления электрического тока имеет важное значение для понимания электромагнитных процессов в электрических цепях, особенно в цепях с распределенными параметрами (длинных линиях).

В диэлектриках носителями зарядов являются довольно прочно связанные между собой внутриатомными силами положительные и отрицательные заряды диполей молекул вещества диэлектрика.

Под действием электрического поля в обычных условиях обычно расположенные заряды начинают согласованное движение с ориентацией в направлении сил поля с учетом полярности зарядов (см. рис. 1.4).

Рис. 1.4

Естественно, что чем больше величина сил электрического поля (напряженность поля), тем в большей степени происходит смещение зарядов. Это явление и есть электрический ток смещения. Понятно, что в постоянном электрическом поле (цепи постоянного тока) смещение зарядов завершается в момент, когда силы поля уравновешивается противоположными им силами внутримолекулярных связей молекул вещества диэлектрика. При этом, если силы поля превысят силы внутримолекулярных взаимодействий, происходит разрушение (пробой) диэлектрика с превращением его в обычный проводник. Например, пробой обычного воздуха наступает при напряженности поля Е = 33 кВ/см.

В непрерывно изменяющемся поле ток смещения в диэлектрике может существовать ток долго, как долго будет существовать переменное электрическое поле.

В некоторых случаях говорят о токе переноса, который возникает в случае электронной эмиссии, когда свободные электроны могут покидать тело – электрод и через, например, воздух переносится в тело другого проводника. Такое движение имеет место, например, при сварке металлов. При этом следует четко понимать, что в электрических цепях все три вида токов являются естественным продолжением один другого с сохранением принципа непрерывности линий тока, следовательно, и его величины.

Понятно, что движение зарядов вдоль электрической цепи (электрический ток) сопровождается «выполнением» ими работы (включая преодоление ими внутри атомных и внутримолекулярных столкновений), за счет кинетической энергии их движения. Это означает, что величина электрических потенциалов (энергии поля) точек вдоль электрической цепи (направления тока) уменьшается на величину этих «потерь».

При перемещении единицы заряда q₀ из точки 1 цепи с потенциалом j₁ в точку 2 с потенциалом j₂ уменьшение потенциала составит (j₁ – j₂). В соответствии с определением потенциала это означает, что на участке цепи между точками 1 и 2 была выполнена работа А₁₂ = (j₁ – j₂) × q₀ [Дж], а падение напряжения (потенциала) между этими точками составило U₁₂ = j₁ – j₂ [В]. Направление падения напряжения на пассивных участках электрических цепей во всех случаях совпадает с направлением электрического тока. Таким образом, энергия (работа) на пассивном участке электрической цепи равна:

А₁₂ = U₁₂ × q₀ = U₁₂ × I × t [Дж].

В связи с тем, что в источнике электрической энергии работа выполняется сторонними силами, условно говоря «прокачивающими электрические заряды» от зажима с меньшим к зажимам с большим потенциалом, падение напряжения, фиксирующее направление уменьшения потенциала, направлено навстречу току и это является признаком источника электрической энергии (см. рис. 1.5).

Рис. 1.5

При этом величина работы сторонних сил по перемещению единицы заряда q₀ и связанного с этим повышением электрического потенциала (энергии) в источнике с j₁ до j₂ равна:

А_ист = (j₂ – j₁)× q₀ = Е × q₀ .

В идеальном источнике постоянного тока:

А_ист = Е × q₀ = U₂₁ × q₀ = Е × I × t = U₁₂ × I × t [Дж].

Понятно, что в общем случае ток i = i(t) является переменным (зависящим от времени). Конечно, это относится и к u = u(t), и к i = i(t), и к j = j(t) и означает, что величины i(t), u(t), и j(t) непрерывно изменяются. В этой связи эти величины (значения при t = t_к) называют мгновенными и использоваться в качестве оценки величин тока (ЭДС, напряжения, потенциала) не могут. Поскольку энергетические проявления в элементах электрических цепей пропорциональны квадрату тока (закон Джоуля-Ленца), под величинами переменных токов, напряжений, ЭДС за какой-либо период времени 0 ≤ t_к ≤ Т всюду принимаются их среднеквадратичные значения, т.е.:

, ,

, .

Эти величины называются действующими значениями.

Действующие значения электрических величин являются их важнейшими характеристиками. Все расчеты, как правило, ведутся по действующим значениям. Показания измерительных приборов (амперметров, вольтметров) всех основных измерительных систем фиксируют именно действующие значения.

Приемники электрической энергии в электрических цепях любой конфигурации

К приемникам электрической энергии относятся электротехнические устройства, в которых электрическая энергия преобразуется в энергию сторонних для электрической цепи сил (механическая, тепловая, химическая и другие виды энергии), выполняющих те или иные виды работы за пределами электрической цепи.

Этот процесс является и основной функцией, и основным предназначением любой электрической цепи. Конструктивно приемники электрической энергии могут представлять собой как чрезвычайно простые, например, нагревательные печи, так и чрезвычайно сложные, например, компьютеры, электротехнические устройства, изучаемые в специальных электротехнических дисциплинах.

Однако, с точки зрения теоретической электротехники любой приемник электрической энергии (электротехническое устройство), независимо от того, работает ли он в цепи постоянного или любого вида перемененного тока, в полной мере может быть представлен и функционально описан тем или иным набором всего трех элементов:

– электрическое сопротивление R;

– индуктивность L;

– емкость С.

Эти три элемента исчерпывающе описывают все электродинамические процессы, включая энергетические взаимодействия, которые имеют место в электрической цепи любой конфигурации при генерации электрической энергии, передаче энергии на расстояние, распределении и использовании. Эти элементы и являются основными объектами исследования теоретической электротехники.