Линейные и нелинейные резистивные сопротивления

Все резисторы делятся на линейные и нелинейные. Линейными называются резисторы, сопротивления которых не зависят (т. е. не изменяются) от значения протекающего тока или приложенного напряжения. В аппаратуре связи и других электронных устройствах (радиоприемниках, транзисторах, магнитофонах и т. п.) широко используются малогабаритные линейные резисторы, например типа МЛТ (металлизированные, лакированные, термостойкие). Сопротивление этих резисторов остается неизменным при изменении приложенных к ним напряжений или протекающих через них токов и поэтому данные резисторы являются линейными.

Нелинейными называются резисторы, сопротивление которых изменяется в зависимости от значения, приложенного напряжения или протекающего тока. Так, сопротивление осветительной лампы накаливания при отсутствии тока в 10—15 раз меньше, чем при нормальном горении. К нелинейным элементам относятся многие полупроводниковые приборы.

Экспериментально было установлено, что в линейных резистивных цепях мгновенные напряжения и токи пропорциональны друг другу . Это означает, что при изменении напряжения в некоторое число раз ток в цепи изменяется в такое же число раз и, следовательно, форма тока, протекающего в цепи, повторяет форму напряжения, приложенного к этой цепи. Например, если к резистивной цепи приложено напряжение треугольной формы, то ток будет также треугольной формы, постоянное во времени напряжение вызывает постоянный во времени ток и т. д.

Таким образом, в линейных резистивных цепях форма тока повторяет форму напряжения, вызвавшего этот ток .

Могут возникнуть вопросы: «А разве не очевидно, что ток и напряжение имеют одну и ту же форму? Разве такое само собой не разумеется? Почему это обстоятельство следует оговаривать особо?». Ответим сразу на эти вопросы. Дело в том, что форма тока повторяет форму напряжения только в одном частном случае, именно в линейных резистивных цепях.

В цепях с иными элементами, например с конденсаторами, форма тока, в общем случае, всегда отличается от формы приложенного напряжения, поэтому совпадение форм напряжения и тока — скорее исключение, нежели правило.

Следует запомнить, что линейная резистивная цепь — это частный случай, при котором формы тока и напряжения идентичны и наличие такой идентичности оказывается сравнительно редко и вовсе не является само собой разумеющейся.

Кроме того, экспериментально было установлено, что в линейной резистивной цепи ток обратно пропорционален сопротивлению, т. е. при увеличении сопротивления в некоторое число раз (при неизменном напряжении) ток уменьшается в такое же число раз. Связь между мгновенными токами i, мгновенными напряжениями и и сопротивлением цепи R выражается формулой

Данное соотношение называется законом Ома для участка цепи. Поскольку наибольшие мгновенные значения называются максимальными, закон Ома может иметь вид

где Im и Um — максимальные значения тока и напряжения соответственно; Ip и Up — размах тока и напряжения.

В частном случае напряжения и токи могут не меняться во времени (режим постоянного тока), тогда мгновенные значения напряжения становятся величинами постоянными и их обозначают не и (т. е. малой буквой, как всякую переменную величину), a U (большая буква, величина постоянная), в этом частном случае закон Ома записывается так:

Таким образом, в общем случае при напряжениях, а следовательно и токах, произвольной формы следует использовать основной вид формулы, выражающей закон Ома:

При напряжениях и токах, неизменных во времени

Важное правило: закон Ома для мгновенных значений справедлив только в резистивных цепях.

Резистивные элементы необратимо превращают электрическую энергию в тепловую, но не накапливают какую-либо энергию, поэтому их называют неэнергоемкими. Из сказанного следует, что закон Ома для мгновенных значений справедлив только в цепях с неэнергоемкими элементами.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Линейные и нелинейные элементы электрической цепи

Те элементы электрической цепи, для которых зависимость тока от напряжения I(U) или напряжения от тока U(I), а также сопротивление R, постоянны, называются линейными элементами электрической цепи. Соответственно и цепь, состоящая из таких элементов, именуется линейной электрической цепью.

Для линейных элементов характерна линейная симметричная вольт-амперная характеристика (ВАХ), выглядящая как прямая линия, проходящая через начало координат под определенным углом к координатным осям. Это свидетельствует о том, что для линейных элементов и для линейных электрических цепей закон Ома строго выполняется.

Кроме того речь может идти не только об элементах, обладающих чисто активными сопротивлениями R, но и о линейных индуктивностях L и емкостях C, где постоянными будут зависимость магнитного потока от тока — Ф(I) и зависимость заряда конденсатора от напряжения между его обкладками — q(U).

Яркий пример линейного элемента — проволочный резистор. Ток через такой резистор в определенном диапазоне рабочих напряжений линейно зависит от величины сопротивления и от приложенного к резистору напряжения.

Характеристика проводника (вольтамперная характеристика) — зависимость между напряжением, подводимым к проводнику, и силой тока в нем (обычно выраженная в виде графика).

Для металлического проводника, например, сила тока в нем пропорциональна приложенному напряжению, и поэтому характеристика представляет собой прямую линию. Чем круче идет прямая, тем меньше сопротивление проводника. Однако некоторые проводники, в которых ток не пропорционален приложенному напряжению (например, газоразрядные лампы), имеют более сложную, не прямолинейную вольтамперную характеристику.

Если же для элемента электрической цепи зависимость тока от напряжения или напряжения от тока, а также сопротивление R, непостоянны, то есть изменяются в зависимости от тока или от приложенного напряжения, то такие элементы называются нелинейными, и соответственно электрическая цепь, содержащая минимум один нелинейный элемент, окажется нелинейной электрической цепью.

Вольт-амперная характеристика нелинейного элемента уже не является прямой линией на графике, она непрямолинейна и часто несимметрична, как например у полупроводникового диода. Для нелинейных элементов электрической цепи закон Ома не выполняется.

В данном контексте речь может идти не только о лампе накаливания или о полупроводниковом приборе, но и о нелинейных индуктивностях и емкостях, у которых магнитный поток Ф и заряд q нелинейно связаны с током катушки или с напряжением между обкладками конденсатора. Поэтому для них вебер-амперные характеристики и кулон-вольтные характеристики будут нелинейными, они задаются таблицами, графиками или аналитическими функциями.

Пример нелинейного элемента — лампа накаливания. С ростом тока через нить накаливания лампы, ее температура увеличивается и сопротивление возрастает, а значит оно непостоянно, и следовательно данный элемент электрической цепи нелинеен.

Для нелинейных элементов свойственно определенное статическое сопротивление в каждой точке их ВАХ, то есть каждому отношению напряжения к току, в каждой точке на графике, — ставится в соответствие определенное значение сопротивления. Оно может быть посчитано как тангенс угла альфа наклона графика к горизонтальной оси I, как если бы эта точка лежала на линейном графике.

Еще у нелинейных элементов есть так называемое дифференциальное сопротивление, которое выражается как отношение бесконечно малого приращения напряжения — к соответствующему изменению тока. Данное сопротивление можно посчитать как тангенс угла между касательной к ВАХ в данной точке и горизонтальной осью.

Такой подход делает возможным простейший анализ и расчет простых нелинейных цепей.

На рисунке выше показана ВАХ типичного диода. Она располагается в первом и в третьем квадрантах координатной плоскости, это говорит нам о том, что при положительном или отрицательном приложенном к p-n-переходу диода напряжении (в том или ином направлении) будет иметь место прямое либо обратное смещение p-n-перехода диода. С ростом напряжения на диоде в любом из направлений ток сначала слабо увеличивается, а после резко возрастает. По этой причине диод относится к неуправляемым нелинейным двухполюсникам.

На этом рисунке показано семейство типичных ВАХ фотодиода в разных условиях освещенности. Основной режимом работы фотодиода — режим обратного смещения, когда при постоянном световом потоке Ф ток практически неизменен в довольно широком диапазоне рабочих напряжений. В данных условиях модуляция освещающего фотодиод светового потока, приведет к одновременной модуляции тока через фотодиод. Таким образом, фотодиод — это управляемый нелинейный двухполюсник.

Это ВАХ тиристора, здесь видна ее явная зависимость от величины тока управляющего электрода. В первом квадранте — рабочий участок тиристора. В третьем квадранте начало ВАХ — малый ток и большое приложенное напряжение (в запертом состоянии сопротивление тиристора очень велико). В первом квадранте ток велик, падение напряжения мало — тиристор в данный момент открыт.

Момент перехода из закрытого — в открытое состояние наступает тогда, когда на управляющий электрод подан определенный ток. Переключение из открытого состояния — в закрытое происходит при снижении тока через тиристор. Таким образом, тиристор — это управляемый нелинейный трехполюсник (как и транзистор, у которого ток коллектора зависит от тока базы).

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

ПОНЯТИЕ О НЕЛИНЕЙНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЯХ

Сопротивления, значения которых не зависят от силы тока, при­ложенного напряжения или от их направления, называются линей­ными. Электрические цепи, в которые включены такие сопротивления, называют линейными цепями. Для линейного сопротивления завиеимость силы тока I от напряжения U (рис. 36) представляет собой прямую ли­нию 1. Зависимость I от U называется вольт-амперной характеристикой. Однако в электротехнике широко применяют и такие устройства, сопротивление которых резко изменяется в зависимости от силы или направления проходящего через них тока, либо приложенного напряжения. Подобные сопротивления имеют вольт-амперную характеристику, отличающуюся от прямой (кривая 2 на рис. 36), и называ­ются поэтому нелинейными сопротивле­ниями. Простейшим нелинейным сопротивлением является электри­ческая лампа накаливания. При протекании тока по металлической нити лампа нагревается и сопротивление ее возрастает. Следователь­но, при увеличении приложенного к лампе напряжения сила тока будет возрастать не прямо пропорционально напряжению, а в не­сколько меньшей степени.

В принципе большинство электрических устройств может быть представлено в виде нелинейного сопротивления, так как при изме­нении силы тока меняется температура данного устройства, а следо­вательно, и его сопротивление. Однако у многих из них вольт-амперные характеристики в рабочем диапазоне изменений напряжения и тока мало отличаются от прямой, поэтому приближенно можно их считать линейными сопротивлениями.

К сопротивлениям с нелинейной вольт-амперной характеристикой относятся: электрические лампы накаливания, термисторы (полупро­водниковые резисторы, сопротивление которых сильно изменяется при изменении температуры), полупроводниковые диоды, тиристоры и транзисторы, электронные лампы и пр. Нелинейные сопротивления широко используют в электротехнике для автоматического регулиро­вания силы тока и напряжения в электрических цепях, электрических измерений, выпрямления тока и пр.

Вопросы для самоподготовки

1. Что такое атом и каково его строение?
2. Как взаимодействуют одноименные и разноименные электрические заряды?
3. Что такое электрическое поле?
4. Как определяется напряженность поля?
5. Что такое диэлектрическая проницаемость?
6. Что такое электрический потенциал?
7. Что такое электрическое напряжение и в каких единицах оно измеряется?
8. Что называется электрическим током?
9. Что такое электродвижущая сила (э.д.с.) и в каких единицах она измеряется?
10. Каковы скорость и направление прохождения электрического тока в проводнике?
11. Что называется электрическим сопротивлением и в каких единицах оно измеряется?
12. Что называется удельным электрическим сопротивлением?
13. Как определить сопротивление проводника?
14. Что называется электрической проводимостью?
15. Что такое диэлектрики (изоляторы)?
16. Что такое пробой диэлектрика и пробивная напряженность?
17. Какие вещества называются полупроводниками?
18. Где находят применение полупроводники?
19. На чем основаны свойства полупроводников?
20. Как образуется электрическая цепь и из каких частей она состоит?
21. Сформулируйте закон Ома для электрической цепи и отдельного ее участка?
22. Что такое падение напряжения и как оно определяется?
23. Для чего применяются сопротивления и реостаты и из чего они изготовляются?
24. Какое существует соотношение между э.д.с. источника тока и напряжением на его зажимах?
25. Как подсчитывается падение напряжения в проводах?
26. Сформулируйте первый и второй законы Кирхгофа.
27. Как определить общее сопротивление при последовательном, параллельном и смешанном соединениях сопротивлений?
28. Как определить общую э.д.с. при последовательном, параллельном и смешанном соединениях источников тока?
29. Какие источники тока можно соединять параллельно?
30. Какие преимущества параллельного соединения потребителей по сравнению с последовательным?
31. Чему равна электрическая энергия, расходуемая каким-либо потребителем, в чем она измеряется?
32. Что такое электрическая мощность и в чем она измеряется?
33. Что такое коэффициент полезного действия (к.п.д.)?
34. В каких случаях вредно превращение электрической энергии в тепловую?
35. Что такое переходное сопротивление и какие меры применяют для его уменьшения?

Источник