Предмет и задач курса электрических цепей.
Основные методы и понятия электрических цепей
Всякие электро и радиотехнические курсы, а так же курсы автоматики и вычислительной техники невозможно освоить без практического расчета электрических цепей. Вместе с тем все трудности при решении задач возникают изза незнания теории. Слишком часто студенты начинают изучение раздела с попытки решения задач, а к теоретической части обращаются только при возникновении трудностей. Аналогично проходит и подготовка к лабораторным работам.
Именно поэтому мы настоятельно рекомендуем, прежде чем приступать к решению задач, приведенных в конце каждой главы части I, разобраться в теоретических положениях темы. Подробное решение подобных этим задач и составляет содержание настоящего учебного пособия. Помочь усвоить излагаемые сведения призваны контрольные вопросы, перечень которых завершает каждую главу.
Решение задач обязательно должно сопровождаться моделированием на компьютере с приведением схем включения приборов и заключением о соответствии расчетных и экспериментальных результатов. Необходимо также приводить теоретические пояснения, ссылки на законы и теоремы и обоснование выбранных методов.
Электроника это раздел науки, занимающаяся получением потоков заряженных частиц и изучением законов движения их в электронных приборах под действием электрических и магнитных полей.
Если в электронных приборах поток заряженных частиц перемещается в вакууме или в разреженном газе, то электроника называется вакуумной.
Изучение электрического тока в полупроводниках, где вакуума не требуется, относится к полупроводниковой электронике.
Микроэлектроника это раздел электроники, связанный с созданием электронных функциональных узлов, блоков и отдельных устройств в микроминиатюрном исполнении на основе группового изготовления электро и радиоэлементов и печатного монтажа. В настоящее время многие методы радиоэлектроники рассматриваются с точки зрения применения их в микроэлектронике.
Радиотехника это наука об электромагнитных колебаниях (с частотами от 3 Гц до 6000 ГГц) и волнах (длина волн при распространении в вакууме от 100 тыс. км до 0,05 мм), методах их генерирования, усиления, излучения и приема. Кроме того, это отрасль техники, осуществляющая применение таких колебаний и волн для передачи информации в радиосвязи, радиовещании, телевидении, радиолокации, радионавигации и др.
Электротехника обширная область практического применения электромагнитных явлений, происходящих в электротехническом устройстве.
Электротехническое устройство система заряженных тел и проводников с током.
Для практического применения электромагнитных явлений в электротехническом устройстве необходимо установить связь между переменными системы (потенциалами, зарядами, магнитными потоками) и параметром системы.
Для решения задач электротехнических цепей (как и задач во многих других областях знаний), исходя из физических процессов, протекающих в системе, переходят к модельному представлению системы, то есть к такому ее упрощению, при котором она, с одной стороны, сохранят все существенные свойства, а с другой подается решению доступными математическими средствами.
Наиболее полно электротехнические процессы описываются уравнениями Максвелла, известными из курса физики:
1)
; (1.1а)
2) 
; (1.1б)
3) 
; (1.1в)
4) 
; (1.1г)
5) 
уравнение УмоваПойнтинга. (1.1д)
Первое уравнение
утверждает тот факт, что вектор тока (
),
равно как и ток, вызванный изменением электрического смещения (
), вызывает появление магнитного поля.
Второе уравнение
показывает связь между изменением вектора магнитной индукции (
) и напряженностью электрического поля.
Третье уравнение утверждает, что линии магнитного поля замкнуты, то есть не существует магнитных зарядов.
Четвертое уравнение вводит понятие электрического заряда, на котором начинаются и заканчиваются линии электрического смещения. Среда, в которой взаимодействуют переменные, задается коэффициентами в соотношениях
;
; 
, (1.2)
где 
электрическая постоянная, 
диэлектрическая проницаемость среды, 
магнитная постоянная, 
магнитная проницаемость среды,
удельная проводимость вещества проводника.
Пятое уравнение указывает, что энергия локализуется в электрических и магнитных полях.
Непосредственно для практического расчета целого ряда электротехнических систем уравнения Максвелла использовать затруднительно по двум причинам: из за сложности математического аппарата векторного анализа, а также громоздкости исходных данных, так как требуется задание параметров в виде векторных полей.
В очень многих задачах требуется знание только следующих интегральных понятий:
ток
(закон полного тока); (1.3а)
ЭДС;
(1.3б)
напряжение. (1.3в)
Эти обстоятельства возникают при следующих условиях:
пути тока довольно малого сечения, и ток можно считать равномерно распределенным по сечению;
электрические свойства проводников и диэлектриков существенно разнятся (их сопротивления составляют омы и мегаомы соответственно);
в источниках и приемниках нас интересуют только интегральные эффекты. Устройство, отвещающие этим требованием, называется электрическую цепью.
Следует остановиться также на понятии мощности:
,
(1.4)
где 
сечение, в котором
взаимодействуют электрическое и магнитное поля. В случае двух проводников с током
, шириной 
, расположенных на растояни 
друг от друга (рис.1.1), при разности
потенциалов 
получим:
,
. (1.5)
 |
Рис. 1.1.
Значит, напряженность магнитного поля от двух токов
.
(1.6)
Вектор Пойнтинга 
. Мощность 
(векторы 
и 
перпендикулярны). Благодаря математического тождество, мощностью можно рассчитывать
как произведение тока и напряжения:
.
(1.7)
Электрическая цепь
Электрическая цепь эта система заряженных
тел и проводников с током, которая с достаточной для практических целей точностью
может быть описана интегральными понятиями 
, 
, , 
, 
.
Приведенные интегральные понятия при математическом описании системы выступают как перменные. Некоторые перменные могут быть независимыми (заданными), называемыми сигналами, а другие зависимыми (реакцией системы).
Саму систему составляют элементы системы, задаваемые их параметрами, и характер взаимодействия (соединения) этих элементов. Физически каждый элемент обладает следующими свойствами:
он может генерировать электрическую энергию, точнее, преобразовывать какой – либо вид энергии в электрическую и приносить ее в систему,
рассейвать энергию, то есть необратимо превращать электрическую энергию в какой – либо другой вид энергии;
накапливать и возвращать энергию электрического поля;
накапливать и возвращать энергию магнитного поля.
Таким образом, электрическая
цепь такое модельное представление электротехнического устройства, которое использует
в качестве переменных интегральные понятия о токе, напряжении, электродвижущей
силе, мощности, энергии (, ,, , .).
Теория электрических цепей существенная часть электротехники и электроники решает две основные задачи: анализ и синтез.
Литература
Основная 1 [1218], 2[510]
Дополнительная 3[
] 
20[].
Контрольные вопросы
Какова область интересов дисциплины «Теории электрических цепей»?
Сформулируйте две основные задачи теории цепей.
Объясните качественно уравнения Максвелла.
В чем физический смысл уравнения УмоваПойнтинга?
5. В чем качественная разница выражения
мощности в уравнениях 
и ?
6. Каково качественное соотношение между электрическим устройством и электрической цепью?