Применение электрических цепей: Высшая школа прикладной физики и космических технологий, Институт электроники и телекоммуникаций СПбПУ

Содержание

Проект «Пассивные элементы электрических цепей и их применение в науке и технике»

Муниципальное образовательное учреждение

Средняя общеобразовательная школа №78

Сормовского района Нижнего Новгорода

Научное общество учащихся

Работа по теме:

«Пассивные элементы электрических цепей и их роль в науке и технике»

Выполнила:

ученица 11 «А» класса

Фролова Ксения

Научный руководитель:

Антонова Ольга Георгиевна

Нижний Новгород

2012

Оглавление

Введение……………………………………………………………………………4

1.Теоретическая часть…………………………………………………………….5

1.1. Электрические взаимодействия……………………………………………5

1.2. Конденсатор………………………………………………………………..10

1.3. Диод…………………………………………………………………………15

1.4. Резистор…………………………………………………………………….18

1.5. Роль пассивных элементов электрических цепей в науке и технике…..22

2. Практическая часть……………………………………………………………28

2.1. Постановка эксперимента…………………………………………………28

2.2. Объяснение эксперимента…………………………………………………28

2.3. Расшифровка «Черного ящика»…………………………………………..29

Заключение……………………………………………………………………….33

Список использованной литературы……………………………………………35

Введение

Тема моей научной работы «Пассивные элементы электрических цепей и их роль в науке и технике».

Актуальность данной работы обусловлена тем, что систематические упражнения, связанные с применением знаний на практике и выработка экспериментальных умений и навыков, необходимы при изучении физики, а также в различных исследованиях в дальнейшем.

Хорошо известно, что без глубокого усвоения понятий электрического тока, электрических цепей и экспериментальных задач невозможно успешное усвоение темы «Электричество».

Работа эта требует творческого мышления, творческого воображения при поиске путей решения проблемы. В своей работе я изучала пассивные элементы и их практическое применение.

Предлагаемая методика предусматривает проведение опыта с расшифровкой «черного ящика». Как имея шкатулку с четырьмя выводами, содержащую электрическую цепь из трех элементов, среди которых резистор, диод, конденсатор и проводник, определить, какие элементы расположены внутри.

Я взяла эту тему, так как меня интересует физика, а логические задачи, связанные с пассивными элементами электрических цепей показались мне очень интересными.

1. Теоретическая часть.

1.1. Электрические взаимодействия.

Ещё в глубокой древности люди заметили, что янтарь, потёртый о шерсть, приобретает способность притягивать к себе различные тела: соломинки, пушинки, ворсинки меха и т. д.

Так, если потереть стеклянную палочку о лист бумаги, а затем поднести её к мелко нарезанным листочкам бумаги, то они начнут притягиваться к стеклянной палочке.

Наблюдаемые явления в начале XVII в. были названы электрическими. Стали говорить, что тело, получившее после натирания способность притягивать другие тела, наэлектризовано или что ему сообщён электрический заряд.

Наэлектризованные тела или притягиваются друг к другу, или отталкиваются.

Существует только два рода электрических зарядов.

Опыты показывают, что тела, имеющие электрические заряды одинакового знака, взаимно отталкиваются, а тела, имеющие заряды противоположного знака, взаимно притягиваются.

Электрические заряды взаимодействуют на расстоянии. Причём чем ближе друг к другу находятся наэлектризованные тела, тем взаимодействие между ними сильнее, чем дальше – тем слабее.

В результате длительного изучения электрических явлений установлено, что всякое заряженное тело окружено электрическим полем.

Электрическое поле – это особый вид материи, отличающийся от вещества.

Сила, с которой электрическое поле действует на внесённый в него электрический заряд, называется электрической силой.

Мы уже знаем, что в телах имеются электроны, движением которых объясняются различные электрические явления. Электроны обладают отрицательным электрическим зарядом. Электрическими зарядами могут обладать и более крупные частицы вещества – ионы. Следовательно, в проводниках могут перемещаться различные заряженные частицы.

Электрическим током называется упорядоченное движение заряженных частиц.

Чтобы получить электрический ток в проводнике, надо создать в нём электрическое поле. Под действием этого поля заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться в этом проводнике, придут в движение в направлении действия на них электрических сил. Возникает электрический ток.

За направление тока условно приняли то направление, по которому движутся в проводнике положительные заряды, т. е. направление от положительного полюса источника тока к отрицательному.

Электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника в 1 с, определяет силу тока в цепи.

Значит, сила тока равна отношению электрического заряда q, прошедшего через поперечное сечение проводника, ко времени его прохождения t, т. е.

I = q/t,

где I – сила тока.

На Международной конференции по мерам и весам в 1948 г. было решено в основу определения

единицы силы тока положить явление взаимодействия двух проводников с током.

За единицу силы тока принимают силу тока, при которой отрезки таких параллельных проводников длиной 1 м взаимодействуют с силой 2×10-7Н.

Эту единицу силы тока называют ампером (А). Так она названа в честь французского учёного Андре Ампера.

Но не только от одной силы тока зависит работа тока. Она зависит ещё и от другой величины, которую называют электрическим напряжением или просто напряжением.

Напряжение – это физическая величина, характеризующая электрическое поле. Оно обозначается буквой U.

Напряжение показывает, какую работу совершает электрическое поле при перемещении единичного положительного заряда из одной точки в другую, т. е.

U = A/q

За единицу напряжения принимают такое электрическое напряжение на концах проводника, при котором работа по перемещению электрического заряда величиной в 1 Кл по этому проводнику равна 1 Дж.

1 В = 1 Дж/Кл

Опыты показывают, что для данного металлического проводника отношение U/I – есть величина постоянная и значит, она является характеристикой данного проводника.

Эту физическую величину обозначаем:

R = U/I

и называем сопротивлением данного проводника.

За единицу сопротивления принимают 1 ом – сопротивление такого проводника , в котором при напряжении на концах 1 вольт сила тока равна 1 амперу.

1 Ом = 1 В/1 А

Зависимость сопротивления проводника от его размеров и вещества, из которого изготовлен проводник, впервые на опытах изучил Ом. Он установил, что сопротивление прямо пропорционально длине проводника, обратно пропорционально площади его поперечного сечения и зависит от вещества проводника,

т. е.

R = pl/S,

где p– удельное сопротивление.

Зависимость силы тока от напряжения на концах участка цепи и сопротивления этого участка называется законом Ома по имени немецкого учёного Георга Ома, открывшего этот закон в 1827 г.

Закон Ома читается так: сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению.

I = U/R,

здесь I– сила тока в участке цепи, U – напряжение на этом участке, R – сопротивление участка цепи.

Закон Ома – один из основных физических законов.

Напряжение на концах участка цепи численно равно работе, которая совершается при прохождении по этому участку электрического заряда в 1 Кл. При прохождении по этому же участку электрического заряда, равного не 1 Кл, а, например, 5 Кл, совершённая работа будет в 5 раз больше. Таким образом, чтобы определить работу электрического тока на каком-либо участке цепи, надо напряжение на концах этого участка цепи умножить на электрический заряд, прошедший по нему:

A = Uq,

где А – работа, U– напряжение, q–электрический заряд, т. к. I = q/t,

то: A = UIt.

Мы знаем, что мощность численно равна работе, совершенной в единицу времени. Следовательно, чтобы найти среднюю мощность электрического тока, надо его работу разделить на время:

P = A/t,

где P– мощность тока.

Работа электрического тока равна произведению напряжения на силу тока и на время: A = UIt, следовательно,

P = UI.

Электрический ток нагревает проводник. Это явление нам хорошо известно.

Опыты показывают, что в неподвижных металлических проводниках вся работа тока идёт на увеличение их внутренней энергии. Нагретый проводник отдаёт полученную энергию окружающим телам, но уже путём теплопередачи.

Значит, количество теплоты, выделяемое проводником, по которому течёт ток, равно работе тока.

Пользуясь законом Ома, получим:

Q = I2Rt

Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени.

К этому же выводу, но на основании опытов впервые пришли независимо друг от друга английский учёный Джеймс Джоуль и русский учёный Эмилий Христианович Ленц. Поэтому сформулированный выше вывод называется законом Джоуля – Ленца.

1.2.Конденсатор.

Большой электроёмкостью обладают системы из двух проводников, называемые конденсаторами. Конденсатор (от лат. condensare — «уплотнять», «сгущать») – представляет собой два проводника, разделённые слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников. Проводники в этом случае называются обкладками конденсатора.

Конденсаторы обладают свойством накапливать и удерживать на своих обкладках равные по величине и разные по знаку электрические заряды. Величина электрического заряда каждой из обкладок конденсатора пропорциональна напряжению между обкладками.

Величина, равная отношению заряда одной из обкладок конденсатора к напряжению между ними, называется электрической ёмкостью конденсатора и является одним из его параметров.

Так как в системе СИ единицей заряда служит кулон, а единицей напряжения — вольт, то единица измерения ёмкости равна кулону, делённому на вольт. Она носит название фарада (Ф)

1Ф=1Кл/1В

Обычно пользуются более мелкими единицами – микрофарадой (1 мкФ=10-6Ф) или пикофарадой (1 пФ=1012Ф).

История.

В 1745 году в Лейдене немецкий физик Эвальд Юрген фон Клейст и голландский физик Питер ван Мушенбрук случайно создали конструкцию-прототип электролитического конденсатора — «лейденскую банку». Первые конденсаторы, состоящие из двух проводников разделенных непроводником, упоминаемые обычно как конденсатор Эпинуса или электрический лист, были созданы ещё раньше.

Свойства конденсатора.

Конденсатор в цепи постоянного тока может проводить ток в момент включения его в цепь (происходит заряд или перезаряд конденсатора), по окончании переходного процесса ток через конденсатор не течёт, так как его обкладки разделены диэлектриком. В цепи же переменного тока он проводит колебания переменного тока посредством циклической перезарядки конденсатора.

Обозначение конденсаторов на схемах.

— Конденсатор постоянной ёмкости

На электрических принципиальных схемах номинальная ёмкость конденсаторов обычно указывается в микрофарадах (1 мкФ = 106 пФ) и пикофарадах, но нередко и в нанофарадах.

Характеристики конденсаторов.

Основной характеристикой конденсатора является его ёмкость, характеризующая способность конденсатора накапливать электрический заряд. В обозначении конденсатора фигурирует значение номинальной ёмкости, в то время как реальная ёмкость может значительно меняться в зависимости от многих факторов.

Для получения больших ёмкостей конденсаторы соединяют параллельно. При этом напряжение между обкладками всех конденсаторов одинаково. Общая ёмкость батареи параллельно соединённых конденсаторов равна сумме ёмкостей всех конденсаторов, входящих в батарею.

При последовательном соединении конденсаторов заряды всех конденсаторов одинаковы, так как от источника питания они поступают только на внешние электроды, а на внутренних электродах они получаются только за счёт разделения зарядов, ранее нейтрализовавших друг друга.

Ёмкость батареи последовательно соединённых конденсаторов всегда меньше минимальной ёмкости конденсатора, входящего в батарею. Однако при последовательном соединении уменьшается возможность пробоя конденсаторов, так как на каждый конденсатор приходится лишь часть разницы потенциалов источника напряжения.

Если площадь обкладок всех конденсаторов, соединённых последовательно, одинакова, то эти конденсаторы можно представить в виде одного большого конденсатора, между обкладками которого находится стопка из пластин диэлектрика всех составляющих его конденсаторов.

Другой, не менее важной характеристикой конденсаторов является номинальное напряжение — значение напряжения, обозначенное на конденсаторе, при котором он может работать в заданных условиях в течение срока службы с сохранением параметров в допустимых пределах.

Номинальное напряжение зависит от конструкции конденсатора и свойств применяемых материалов. При эксплуатации напряжение на конденсаторе не должно превышать номинального.

Классификация конденсаторов.

Основная классификация конденсаторов проводится по типу диэлектрика в конденсаторе.

По виду диэлектрика различают:

  • Конденсаторы вакуумные (обкладки без диэлектрика находятся в вакууме).

  • Конденсаторы с газообразным диэлектриком.

  • Конденсаторы с жидким диэлектриком.

  • Конденсаторы с твёрдым неорганическим диэлектриком: стеклянные (стеклоэмалевые, стеклокерамические, стеклоплёночные), слюдяные, керамические, тонкослойные из неорганических плёнок.

  • Конденсаторы с твёрдым органическим диэлектриком: бумажные, металлобумажные, плёночные, комбинированные — бумажноплёночные, тонкослойные из органических синтетических плёнок.

Кроме того, конденсаторы различаются по возможности изменения своей ёмкости:

  • Постоянные конденсаторы — основной класс конденсаторов, не меняющие своей ёмкости (кроме как в течение срока службы).

  • Переменные конденсаторы — конденсаторы, которые допускают изменение ёмкости в процессе функционирования аппаратуры. Управление ёмкостью может осуществляться механически, электрическим напряжением (вариконды, варикапы) и температурой (термо­конденсаторы). Применяются, например, в радиоприёмниках для перестройки частоты резонансного контура.

  • Подстроечные конденсаторы — конденсаторы, ёмкость которых изменяется при разовой или периодической регулировке и не изменяется в процессе функционирования аппаратуры. Их используют для подстройки и выравнивания начальных емкостей, сопрягаемых контуров, для периодической подстройки и регулировки цепей схем, где требуется незначительное изменение ёмкости.

Также различают конденсаторы по форме обкладок:

Плоские, цилиндрические, сферические и другие.

1.3. Диод.

Диод — двухэлектродный электронный прибор, обладает различной проводимостью в зависимости от направления электрического тока.

Электрод диода, подключённый к положительному полюсу источника тока, когда диод открыт (то есть имеет маленькое сопротивление), называют анодом, подключённый к отрицательному полюсу — катодом.

История создания и развития диодов.

Развитие диодов началось в третьей четверти XIX века сразу по двум направлениям: в 1873 году британский учёный Фредерик Гутри открыл принцип действия термионных (вакуумных ламповых с прямым накалом) диодов, в 1874 году германский учёный Карл Фердинанд Браун открыл принцип действия кристаллических (твёрдотельных) диодов.

Принципы работы термионного диода были заново открыты 13 февраля 1880 года Томасом Эдисоном, и затем, в 1883 году, запатентованы. Однако дальнейшего развития в работах Эдисона идея не получила. В 1899 году германский учёный Карл Фердинанд Браун запатентовал выпрямитель на кристалле. ДжэдишЧандраБоус развил далее открытие Брауна в устройство применимое для детектирования радио. Около 1900 года ГринлифПикард создал первый радиоприёмник на кристаллическом диоде. Первый термионный диод был запатентован в Британии Джоном Амброзом Флемингом (научным советником компании Маркони и бывшим сотрудником Эдисона) 16 ноября 1904 года. 20 ноября 1906 года Пикард запатентовал кремниевый кристаллический детектор.

В конце XIX века устройства подобного рода были известны под именем выпрямителей, и лишь в 1919 году Вильям Генри Иклс ввёл в оборот слово «диод», образованное от греческих корней «di» — два, и «odos» — путь.

Типы диодов.

Диоды бывают электровакуумными (кенотроны), газонаполненными (газотроны, игнитроны, стабилитроны), полупроводниковыми и др. В настоящее время в подавляющем большинстве случаев применяются полупроводниковые диоды.

Полупроводниковые диоды используют свойство односторонней проводимости p-n перехода — контакта между полупроводниками с разным типом примесной проводимости, либо между полупроводником и металлом.

Ламповые диоды представляют собой радиолампу с двумя рабочими электродами, один из которых подогревается нитью накала. Благодаря этому, часть электронов покидает поверхность разогретого электрода (катода) и под действием электрического поля движется к другому электроду — аноду. Если же поле направлено в противоположную сторону, электрическое поле препятствует этим электронам и тока (практически) нет.

Применяются для коммутации высокочастотных сигналов. Управление осуществляется постоянным током, разделение ВЧ и управляющего сигнала с помощью конденсаторов и индуктивностей.

Интересные факты.

  • Диоды могут использоваться как датчики температуры.

  • Диоды в прозрачном стеклянном корпусе могут обладать паразитной чувствительностью к свету (то есть радиоэлектронное устройство работает по-разному в корпусе и без корпуса, на свету).

1.4. Резистор.

Резистор (англ. resistor, от лат. resisto — сопротивляюсь), — пассивный элемент электрической цепи, в идеале характеризуемый только сопротивлением электрическому току, то есть для идеального резистора в любой момент времени должен выполняться закон Ома для участка цепи: мгновенное значение напряжения на резисторе пропорционально току, проходящему через него.

На практике же резисторы в той или иной степени обладают также паразитной ёмкостью, паразитной индуктивностью и нелинейностью вольт-амперной характеристики.

Обозначение резисторов на схемах.

— Резистор

При последовательном соединении резисторов их сопротивления складываются.

При последовательном соединении резисторов их общее сопротивление будет больше наибольшего из сопротивлений.

При параллельном соединении резисторов складываются величины, обратно пропорциональные сопротивлению (то есть общая проводимость складывается из проводимостей каждого резистора).

Если цепь можно разбить на вложенные подблоки, последовательно или параллельно включённые между собой, то сначала считают сопротивление каждого подблока, потом заменяют каждый подблок эквивалентным сопротивлением, таким образом, находится общеесопротивление.

При параллельном соединении резисторов их общее сопротивление будет меньше наименьшего из сопротивлений.

Классификация резисторов.

Резисторы являются элементами электронной аппаратуры и могут применяться как дискретные компоненты или как составные части интегральных микросхем. Дискретные резисторы классифицируются по назначению, виду Вольт-Амперная Характеристика (ВАХ), по способу защиты и по способу монтажа, характеру изменения сопротивления, технологии изготовления.

По назначению:

  1. резисторы общего назначения

  2. резисторы специального назначения

По способу защиты:

  1. изолированные

  2. неизолированные

  3. вакуумные

  4. герметизированные

По способу монтажа:

  1. для печатного

  2. для навестного

  3. для микросхем и микромодулей

По виду вольт-амперной характеристики:

  1. линейные резисторы

  2. нелинейные резисторы

  • варисторы — сопротивление зависит от приложенного напряжения

  • терморезисторы — сопротивление зависит от температуры

  • фоторезисторы — сопротивление зависит от освещённости

  • тензорезисторы — сопротивление зависит от деформации резистора

  • магниторезисторы — сопротивление зависит от величины магнитного поля

По характеру изменения сопротивления:

  1. постоянные резисторы

  2. переменные регулировочные резисторы

  3. переменные подстроечные резисторы

По технологии изготовления:

  1. Проволочные резисторы. Представляют собой кусок проволоки с высоким удельным сопротивлением, намотанный на какой-либо каркас. Могут иметь значительную паразитную индуктивность. Высокоомные малогабаритные проволочные резисторы иногда изготавливают из микропровода.

  2. Плёночные металлические резисторы. Представляют собой тонкую плёнку металла с высоким удельным сопротивлением, напылённую на керамический сердечник, на концы сердечника надеты металлические колпачки с проволочными выводами. Иногда, для повышения сопротивления, в плёнке прорезается винтовая канавка. Это наиболее распространённый тип резисторов.

  3. Металлофольговые резисторы. В качестве резистивного материала используется тонкая металлическая лента.

  4. Угольные резисторы. Бывают плёночными и объёмными. Используют высокое удельное сопротивление графита.

  5. Интегральный резистор. Используется сопротивление слаболегированного полупроводника. Эти резисторы могут иметь большую нелинейность вольт-амперной характеристики. В основном используются в составе интегральных микросхем, где применить другие типы резисторов невозможно или не технологично.

1.5. Роль пассивных элементов электрических цепей в науке и технике.

Применение конденсаторов.

Конденсаторы находят применение практически во всех областях электротехники.

  • В промышленной электротехнике конденсаторы используются для компенсации реактивной мощности и в фильтрах высших гармоник.

  • Конденсаторы способны накапливать большой заряд и создавать большую напряжённость на обкладках, которая используется для различных целей, например, для ускорения заряженных частиц или для создания кратковременных мощных электрических разрядов.

  • В схемах Релейной Защиты и Автоматики (РЗиА) конденсаторы используются для реализации логики работы некоторых защит. В частности, в схеме работы Автоматического Повторного Включения (АПВ) использование конденсатора позволяет обеспечить требуемую кратность срабатывания защиты.

  • В качестве аккумуляторов электрической энергии. В этом случае на обкладках конденсатора должно быть достаточно постоянное значения напряжения и тока разряда. При этом сам разряд должен быть значительным по времени. В настоящее время идут опытные разработки электромобилей и гибридов с применением конденсаторов. Так же существуют некоторые модели трамваев, в которых конденсаторы применяются для питания тяговых электродвигателей при движении по обесточенным участкам.

Конденсаторы в радиотехнике.

Конденсатор — один из самых широко используемых компонентов радиоустройств. Обкладки имеют внешние выводы, с помощью которых конденсатор соединяется с другими элементами. Одним из важных свойств конденсатора является то, что для переменного тока он представляет собой сопротивление, величина которого уменьшается с ростом частоты.

  • Конденсаторы (совместно с катушками индуктивности и резисторами) используются для построения различных цепей с частотно-зависимыми свойствами, в частности, фильтров, цепей обратной связи, колебательных контуров и т. п.

  • Так как конденсатор способен длительное время сохранять заряд, то его можно использовать в качестве элемента памяти или устройства хранения электрической энергии.

  • В качестве измерителя уровня жидкости. Непроводящая жидкость, заполняет пространство между обкладками конденсатора, и ёмкость конденсатора меняется в зависимости от уровня фазосдвигающего конденсатора.

  • Фазосдвигающий конденсатор необходим для пуска, а в некоторых случаях и работы однофазных асинхронных двигателей. Так же он может применяться для пуска и работы трехфазных асинхронных двигателей при питании от однофазного напряжения.

  • При быстром разряде конденсатора можно получить импульс большой мощности, например, в фотовспышках, электромагнитных ускорителях, импульсных лазерах с оптической накачкой, (ГИН; ГИТ) и т. п.

Конденсаторы в медицине.

В настоящее время практически все передовые достижения научно-технической революции поставлены на службу здравоохранения и медицины. Значительное число ведущих научно-исследовательских и промышленных организаций занято сейчас разработкой и производством медицинской техники.

Электроны (или электричество), накопленные в конденсаторе, аналогичны воздуху, хранящемуся в баллоне под давлением, или воде, запасенной в баке. Они могут быть истрачены или разряжены. Заряженный конденсатор также может быть разряжен, если будет создан проводящий путь для перемещения электронов с пластины, где они в избытке, на пластину, где дефицит их. Способность конденсатора заряжаться и разряжаться широко используется в электрической и в медицинской аппаратуре. Этот принцип продемонстрирован на примере дефибриллятора постоянного напряжения.

Ключ разомкнут. К торсу пациента соответствующим образом приложены пластины или электроды (металлические контактные пластинки с изолированными ручками), которые вместе с торсом пациента и проводами образуют замкнутую проводящую цепь. При замыкании переключателя через пациента проходит ток. Электрическая энергия быстро передается от дефибриллятора к пациенту и осуществляется терапевтическое воздействие.

Применяется для того, чтобы запустить остановившееся сердце.

Медицинские лазеры применяются для коррекции зрения.

Прямое вмешательство в ткани глаза часто становилось причиной операционных травм и последующих осложнений. Революционная идея была предложена Хосе Барракуером, колумбийским офтальмологом в 1949 году и суть ее состояла в коррекции зрения с помощью луча лазера.

Ведущие офтальмологи мира сразу признали новую, передовую технологию благодаря ее преимуществам. С 1988 года лазерная коррекция входит в практику всех самых известных офтальмологических центров Европы и Америки. В России этими проблемами занимался в своей клинике Светослав Федоров.

Все музыкальные синтезаторы имеют в своем составе генераторы звуковых частот, в которых обязательно применяются конденсаторы.

Применение диодов.

Диодные выпрямители.

Диоды широко используются для преобразования переменного тока в постоянный (точнее, в однонаправленный пульсирующий). Диодный выпрямитель или диодный мост— основной компонент блоков питания практически всех электронных устройств.Диодный трёхфазный выпрямитель по схеме Ларионова А. Н. на трёх параллельных полумостах применяется в автомобильных генераторах, он преобразует переменный трёхфазный ток генератора в постоянный ток бортовой сети автомобиля. Применение генератора переменного тока в сочетании с диодным выпрямителем вместо генератора постоянного тока с щёточно-коллекторным узлом позволило значительно уменьшить размеры автомобильного генератора и повысить его надёжность.

Диодные детекторы.

Диоды в сочетании с конденсаторами применяются для выделения низкочастотной модуляции из амплитудно-модулированного радиосигнала или других модулированных сигналов. Диодные детекторы применяются в радиоприёмных устройствах: радиоприёмниках, телевизорах и т.п.

Диодная защита.

Диоды применяются также для защиты разных устройств от неправильной полярности включения.

Известна схема диодной защиты схем постоянного тока с индуктивностями от скачков при выключении питания. Диод включается параллельно катушке так, что в «рабочем» состоянии диод закрыт. В таком случае, если резко выключить устройство, возникнет ток через диод, и сила тока будет уменьшаться медленно (ЭДС индукции будет равна падению напряжения на диоде), и не возникнет мощного скачка напряжения, приводящего к искрящим контактам и выгорающим полупроводникам.

Диоды в управляющих цепях.

Диоды широко используются в управляющих электрических цепях в радиотехнике.

Применение резисторов.

Любой проводник без сопротивления, на самом деле, тоже имеет какие-то сотые доли Ома, то есть тоже является проводником с малым сопротивлением.

Применение резисторов очень широко. Ни одна схема, ни один прибор не обходится без них. Они устанавливаются в вычислительной технике, компьютерах, в радиоприемной и радиопередающей технике.

Существуют устройства, где сопротивление вредно, на которых мы стремимся сделать сопротивления близкими к нулю. Например, при передаче электроэнергии с электростанции на большие расстояния мы теряем огромное количество энергии. Мы стремимся сделать эти потери минимальными, и стараемся при этом сохранить вырабатываемую на электростанции мощность. Для этого все электрические сети переводят на миллионы вольт напряжения. Мощность равна I×U, и чтобы сохранить передаваемую мощность можно либо увеличить напряжение, либо увеличить силу тока. Но потери при передаче энергии определяются выделением теплоты, то есть равны величине I2×R×t и зависят поневоле от сопротивления тысяч километров проводов, и для их уменьшения нужно уменьшать ток, и увеличивать напряжение.

Рассмотрим огромный класс электродвигателей, включая трехфазные и двухфазные электродвигатели двигатели, В них электрический ток течет по реальным проводам, и часть энергии превращается в тепло, а в результате мотор греется и энергия теряется. Для того, чтобы КПД мотора, который равен отношению мощности на валу к полной потребляемой мощности, был как можно больше, общее сопротивление должно стремиться к нулю. Например, трехфазные двигатели, в которых ток не течет через ротор, а только через обмотки, создающие вращающееся магнитное поле, имеют, как известно, КПД до 98%.

Существуют устройства, где сопротивление полезно. Это различные нагревательные приборы: электрические печи на производстве и в быту.

2. Практическая часть

2.1. Постановка эксперимента.

В процессе решения задачи мы собрали два экспериментальных «черных ящика» с различной ёмкостью конденсатора. Различие заключается в том, что при подключении источника тока с электрической лампочкой конденсатор с меньшей ёмкостью не успевает за время разрядки или зарядки засветить спираль лампочки, а у конденсатора с большей ёмкостью лампочка обязательно мигнет.

Задача заключается в том, что имея «черный ящик» с четырьмя выводами, содержащий электрическую цепь из трех элементов, среди которых резистор, конденсатор, диод и проводник, определить какие элементы расположены внутри.

В эксперименте используются лампочка, присоединённая к батарейке с положительным и отрицательным выводами.

Соберем цепь из этих элементов.

2.2. Объяснение эксперимента.

При решении поставленной задачи мы будем учитывать поведение каждого элемента при прохождении по цепи электрического тока.

Если цепь не содержит ни конденсатора, ни диода, то электрический ток пойдет и в прямом и в обратном направлении, и лампочка загорится в обоих случаях.

Если цепь содержит диод, но не содержит конденсатор, то электрический ток пойдет в одном направлении, а в противоположном не пойдет. Значит, водном направлении лампочка загорится, а в противоположном гореть не будет.

Если же цепь содержит конденсатор, то возможны два варианта в зависимости от ёмкости конденсатора. При малой емкости конденсатора (С=1пф) наша лампочка просто не загорается и при прямом и при обратном направлении электрического тока. А при большей емкости (С=20мкф) время зарядки-разрядки конденсатора будет достаточным, чтобы мы увидели вспышку лампочки.

2.3.Расшифровка «Черного ящика».

Первый метод решения.

Поиск проводим в три этапа.

На первом этапе обнаруживаем конденсатор. Для этого с помощью лампочки и батарейки соединяем последовательно выводы 1−►2; 2−►3;3−►4;4−►1. Затем меняем полюса батарейки и повторяем операцию. Тогда на каждом участке направление тока станет противоположным. И только на двух участках, которые сходятся к конденсатору лампочка не загорится и при прямом и при обратном приложении напряжения. Таким образом, мы находим вывод с конденсатором. Пусть это будет вывод 4.

На втором этапе поиска решения нашей задачи обнаруживаем диод. Для этого с помощью лампочки и батарейки соединяем последовательно выводы 1−►2; 2−►3; 3−►1. Затем меняем полюса батарейки и повторяем операцию. Тогда на каждом участке направление тока будет противоположным. И только на одном участке, который соединяет резистор и проводник, лампочка загорится и при прямом и при обратном приложении напряжения. Оставшийся вывод однозначно определяет вывод, подсоединенный к диоду.

На третьем этапе поиска мы, используя вывод диода, определяем, какой из оставшихся контактов принадлежит проводнику, а какой резистору. Лампочка будет гореть ярче, когда мы попадем на проводник. Решение получено.

Второй метод решения.

Решение опять же проводим в три этапа. Но методику выбираем другую.

На первом этапе будем искать резистор и проводник. Для этого с помощью лампочки и батарейки соединяем все возможные пары при прямом и обратном приложении напряжения. Выделяем те два контакта, между которыми ток идёт в обоих направлениях. Обозначим их выводы 1 и 2. Ясно, что тогда выводы 3 и 4 будут соответствовать конденсатору и диоду.

На втором этапе определим, какой вывод соответствует конденсатору, а какой диоду. Для этого каждый из них соединим с выводом 1 (резистор или проводник). Если в случае приложения напряжения в обоих направлениях ток не идет, мы имеем конденсатор. В случае большой емкости в обоих случаях мы будем наблюдать вспышку света. Если же в случае приложения напряжения лампочка загорается, а при приложении напряжения обратного направления лампочка не загорается, то мы имеем диод.

Третий этап. Теперь, используя вывод диода, определяем какой из контактов 1 или 2 принадлежит проводнику, а какой резистору. Лампочка будет гореть ярче, когда мы попадем на проводник. Итак, решение получено.

Третий метод решения.

Начинаем перебирать все варианты с выводами «чёрного ящика». Берём положительный вывод от батарейки и присоединяем к выводу 1 «черного ящика», отрицательным выводом батарейки начинаем перебирать выводы 2,3,4.

Обозначим случай загорания лампочки знаком (+), а не загорания (-).

Возможны три комбинации сочетания знаков (- — +), (- + +), (- — -).

1-я комбинация(- — +).Выводы, на которых лампочка не загорелась, подключены либо к конденсатору, либо к диоду. Сменив направление приложенного напряжения на обратное, мы определим, какой вывод соединен с конденсатором, а какой с диодом. В случае конденсатора лампочка не загорится.

Теперь определим, какой из выводов соединен с резистором, а какой с проводником. Для этого вывод, подсоединенный к диоду, подсоединим к ним поочередно при прямом и обратном напряжения. Лампочка будет гореть ярче, когда мы попадем на проводник.

2-якомбинация(- + +). В этом случае вывод 2 (на котором лампочка не загорается) соответствует конденсатору. Диод и резистор находим также как в первом методе.

3-я комбинация (- — -).В этом случае можно утверждать, что вывод 1 соответствует либо конденсатору, либо диоду. Сменив направление приложенного напряжения на обратное, мы получим следующие комбинации второго порядка:

(- — -) – то вывод 1 –конденсатор, а местоположение выводов диода и резистора мы находим, как во 2-ой комбинации.

(- + +) – то вывод 1 –диод, а вывод, который соответствует не загоранию лампочки при обратном напряжении будет выводом конденсатора. Теперь определим, какой из выводов соединен с резистором, а какой с проводником. Для этого вывод, подсоединенный к диоду, подсоединим к ним поочередно при прямом и обратном напряжения. Лампочка будет гореть ярче, когда мы попадем на проводник.

Задача решена тремя способами.

Заключение.

В своей работе «Пассивные элементы электрических цепей и их роль в науке и технике» я узнала, что такое пассивные элементы и как они ведут себя в цепи электрического тока.

В процессе этой работы я изучила теоретические вопросы, связанные с пассивными элементами. А в процессе решения задачи для проведения опыта с расшифровкой «черного ящика» я построила две модели «черного ящика» с четырьмя выводами. В эксперименте используется источник тока, электрическая лампочка и проводник.

Рассмотрены два варианта поставленной задачи и рассмотрены три подхода к решению этих задач.

«Черный ящик» по условию содержит электрические цепи из трех элементов, среди которых резистор, конденсатор, диод и проводник. И я показала, как определить их расположение, не вскрывая ящика.

В результате этой работы я расширила свой кругозор, так как изучила роль каждого из рассмотренных элементов в науке и технике.

В процессе работы я узнала математическое описание процессов зарядки-разрядки конденсатора.

Закон, по которому происходит разрядка конденсатора, имеет вид U= U0×ℓt/RC. Падение напряжения при разрядке конденсатора происходит по экспоненте. При возрастании времени напряжение U стремится к нулю.

Закон, по которому происходит зарядка конденсатора, имеет вид U= U0×(1-ℓt/RC). В процессе зарядки при t=0 напряжение Ut=0=0 , а с возрастанием времени ℓt→0 и U→U0. Это перевернутая экспонента.

Интересно, что в момент времени t=R·C напряжение равно U=U0×ℓt/RC=U0×ℓ-1=U0/3, т.е. к этому моменту времени напряжение U падает до U0/3, и лампочка перестает гореть, уже не хватает мощности.

Я узнала, что радиофизики, когда хотят создать цепочку из резистора и конденсатора, то подбирают пару R и C так, чтобы иметь заданное время разрядки конденсатора. Если мы хотим, чтобы это время равнялось 1секунде, то нужно подобрать RC=1. Например, для R=105Ом нужно взять конденсатор с емкостью С=10мкф=10-5ф, как и было сделано в одном из наших экспериментов.

Список использованной литературы.

  1. «Резисторы (справочник)» под ред. И. И. Четверткова — М.: Энергоиздат, 1991 год.

  2. Аксенов А. И., Нефедов А. В. «Элементы схем бытовой радиоаппаратуры. Конденсаторы. Резисторы» Справочник — М.: Радио и связь, 1995 год.

  3. «Справочник по элементам радиоэлектронных устройств» под ред. В. Н. Дулина, М. С. Жука — М.: Энергия, 1978 год.

  4. Л. С. Жданов, Г. Л. Жданов «Учебник физики для средних специальных учебных заведений».

  5. «Физика». А. В. Пёрышкин – М.: Дрофа, 20011 год.

Применение теории электрических цепей — Энциклопедия по машиностроению XXL

ПРИМЕНЕНИЕ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ  [c.172]

Применение теории электрических цепей  [c.173]

Для решения данной задачи используем метод структурных чисел, разработанный в теории электрических цепей [3], возможность применения которого для анализа линейных механических колебательных систем показана в работах [5, 12]. При этом система описывается моделью в виде частично упорядоченного множества  [c.56]


При всей своей очевидности и простоте такой подход из-за громоздкости непригоден для описания мощных перспективных преобразователей, содержащих десятки сотен и тысячи. ЭГЭ. Здесь гораздо выгоднее с самого начала отказаться от алгебраических уравнений теории электрических цепей и попытаться воспользоваться для моделирования характеристик преобразователей дифференциальными уравнениями электродинамики сплошных сред. При этом сразу открывается возможность распространения и переноса на электротехнические задачи ряда идей и методов, хорошо развитых и плодотворно используемых в нейтронной физике (идея гомогенизации, методы функций ценности, теории возмущений и т. т.), а также возможность применения наиболее универсальных алгоритмов и создания унифицированных машинных программ для комплексной оптимизации нейтронно-физических, теплофизических и электрофизических процессов в активных зонах реакторов-преобразователей.  [c.138]

Применение электрогидравлической аналогии базируется на систематическом переносе теории электрических цепей в гидравлику. При этом основные электрические уравнения переходят в соответствующие гидравлические соотношения, которые всегда выполняются и на основании которых можно составлять гидравлические схемы и анализировать их теми же хорошо развитыми методами, что и электрические цепи [27,28,70].  [c.8]

Резников А. Н. и др. Применение квазианалогового электромоделирования для решения теплофизических задач теории резания и износа.— Математическое моделирование и теория электрических цепей. К., Наук, думка ,  [c.244]

Обоснован и формализован механизм применения фундаментальной теории электрических цепей, которая, учитывая использование аналогии, претендует на статус обобщенной теории для моделирования подсистем (ПС) разной физической природы (электрической механической подсистемы поступательного движения механической подсистемы вращающегося движения гидравлической (пневматической) и тепловой). При моделировании на макроуровне любую ПС можно (при определенных допущениях) заменить некоторым расчетным эквивалентом — системной цепью, суть которой есть совокупность соединенных между собою сосредоточенных активных и  [c.6]

Наличие эквивалентных схем компонентов позволяет для моделирования электронных схем использовать методы теории электрических цепей, основанные на применении законов Кирхгофа к особым образом выбираемым контурам и сечениям электрической схемы. От выбора контуров и сечений, естественно, зависит форма получаемых уравнений и, следовательно, возможности применения того или иного метода численного решения этих уравнений. Другими словами, выбор метода моделирования предопределяется выбором метода одновариантного анализа.  [c.72]


Поскольку такой подход обычен в различных областях теоретической и прикладной физики, для нас нет ничего неожиданного в том, что формирование оптического изображения можно описать интегралом свертки, взятым по плоскости объекта, причем весовой функцией для интеграла служит распределение освещенности в изображении точечного источника. Такое представление кажется настолько логичным, что может возникнуть желание непосредственно воспользоваться всеми методами, разработанными в теории электрических цепей, и применить их для описания процесса образования изображения в оптических системах. Но безоговорочное применение этих методов в оптике может привести к ошибочным выводам, так как пространственные фильтры в некоторых отношениях существенно отличаются от временных фильтров. В дальнейшем мы будем рассматривать в основном лишь оптические системы, линейные относительно квадрата электрического вектора, усредненного по времени, т. е. интенсивности света. Тем не менее значительная часть излагаемого материала будет применима (с некоторыми модификациями) к инфракрасным, телевизионным  [c.30]

При проектировании и анализе линейных электрических цепей один из методов состоял в исследовании выходного сигнала, полученного способом, описанным выше, для случая формирования оптического изображения, т.е. путем свертки входного сигнала (представленного последовательностью импульсов с изменяющейся амплитудой) с единичным импульсным откликом системы. Однако интегрирование, необходимое для исследования влияния различных фильтров, при этом становилось очень сложным. Еще более трудным было обращение свертки, применяемое при проектировании фильтров с условием создания определенных выходных сигналов по заданным входным. Именно применение теоремы свертки обеспечило во многих случаях столь необходимые упрощения. Из этой теоремы следует, что спектр временных частот на выходе линейной электрической системы является просто произведением входного частотного спектра и частотного спектра единичного импульсного отклика системы (ее передаточной функции). Интегрирование во временной области заменяется более простой операцией перемножения в частотной области. Более того, полная частотная характеристика нескольких последовательно включенных фильтров является просто произведением их собственных передаточных функций. Поэтому неудивительны замечания о том, что если бы теория цепей была ограничена временным подходом, то она никогда не получила бы такого развития.  [c.87]

Применение единой теории цепей для описания ЦН открыло новые аспекты их моделирования и предоставило возможность установить новые электрогидравлические аналогии, которые существуют между ЭМ и ЦН. В основе аналогии безусловно лежит сходство пространственного строения этих вращающихся машин. Как ЭМ так и ЦН имеет неподвижную (статор) и вращающуюся (ротор) части. В обоих машинах есть вход и выход энергоносителя, а прирост (уменьшение) энергии на выходе осуществляется за счет подвода (отвода) механической энергии вращения через вал машины, а роль электрических полюсов ЭМ сыграют лопасти ЦН. Кроме того, обе машины могут изменять направление движения энергоносителя, то есть работать в режимах генератора (насоса) или двигателя (турбины).  [c.9]

Проблема управления машинами-автоматами комплексна. Общая теория управления может быть создана лишь на основании сочетания методов кибернетики, теории вычислительных автоматов и теории информации. Она представляет собой совокупность теоретических основ построения логических и структурных схем машин-автоматов и методов анализа и проектирования устройств и систем передачи, преобразования и использования информации. При проектировании этих устройств должны широко сочетаться методы проектирования механизмов, содержащих жесткие и упругие звенья и связи, методы проектирования электронных, электрических, пневматических и гидравлических устройств с методами теории автоматического управления. Особое развитие должны получить разделы, связанные с применением цифровых систем и устройств в цепях управления машин-автоматов, поскольку системы управления, построенные на принципах дискретного задания программы, уже в настоящее время получили широкое применение в практике автоматостроения и имеют весьма большие перспективы для дальнейшего развития.  [c.392]


Я не подтвердил документально описания методов, используемых в старой теории теплопередачи, так как не видел в этом необходимости. Читатели, склонные сомневаться в том, что в старой теории для проектирования и расчета установок используются коэффициенты теплоотдачи, что между электрическим и термическим сопротивлениями обычно проводится аналогия, что аналоговые цепи термических сопротивлений используются для расчета линейных и нелинейных тепловых режимов, что нелинейные процессы подразделяются на ряд узких областей, что метод размерностей имеет широкое применение, должны обратиться к любому из имеющихся превосходных учебников или справочников или к последним публикациям в научной литературе по теплообмену.  [c.67]

Необходимость изучения процессов различной физической природы и последующего совместного применения их результатов заставляет искать и единую методическую основу для анализа и построения частных моделей ЭМУ. Такая возможность основывается на формальной аналогии математического описания явлений, отличных по своей физической сущности. Математический изоморфизм различных физических систем позволяет, кроме того, одни явления изучать с помощью других. При использовании аналогии с процессами в электрических системах (электроаналогии) удается, как показано далее, положить в основу всех интересуемых исследов ший хорошо разработанные, удобные и наглядные методы анализа электротехнических задач — аппарат теории электрических цепей. Это и позволяет создать однотипный и универсальный инструмент исследования электромагнитных, тепловых, магнитных и деформационных процессов в ЭМУ.  [c.98]

Метод импедапсов дает возможность анализировать сложные колебательные системы путем применения ряда правил, заимствованных из теории электрических цепей. Задача определения кинематических параметров колебательной системы сводится к определению импедансов элементов механической расчетной схемы.  [c.209]

В последние годы разработан ряд методов, позволяющих упростить и, что, по-видимому, самое главное, формализовать весь процесс анализа линейных динамических систем, сделать его более компактным и обозримым. К их числу относятся теоретикомножественные методы структурных и обобщенных чисел [3, 11], разработанные в теории электрических цепей и основанные на анализе топологической модели исследуемой системы. В настоящей статье рассматриваются некоторые вопросы применения метода структурных чисел для формализации модели колебательной системы металлорежущего станка, необходимой для решения задач алгоритмизации расчета его динамических характеристик.  [c.53]

Анализ различных пьезоэлектрических резонаторов или преобразователей и расчеты конкретных ультразвуковых установок можно проводить на основе прямого решения волнового уранне-ния. Однако часто значительно более удобным оказывается использование метода эквивалентных схем, при котором обе стороны преобразователя — как электрическая, так п механическая — представляются в виде электрических эквивалентов. Метод эквивалентных схем имеет определенные преимущества по сравнению решением волнового уравнения, которые заключаются в возможности привлечения эффективных методов теории электрических цепей, а также в том, что частично задача решается уже на этапе ее постановки. Однако при этом необходимо выяснить, совпадают ли граничные условия каждой конкретной задачи с теми условиями, которые использовались при первоначальном выводе эквивалентной схемы. Применение метода эквивалентных схем может дать такие же точные результаты, как  [c.283]

Наиболее существенные отличительные особенности рецензируемого пособия 1) полнее, чем в имеющейся учебной литературе, освещены мировоззренческие вопросы в теоретической механике 2) введен ряд новых разделов в соответствии с тенденциями развития научно-техни-ческого прогресса, например, однородные координаты, применяемые при описании роботов-манипуляторов. что потребовало существенно перестроить раздел кинематики твердого тела основные теоремы динамики изложены не только в неподвижных, но и в подвижных (неинерциальных) системах координат в разделе Синтез движения рассмотрены вопросы сложения не только скоростей, но и ускорений. При этом получен ряд новых результатов сравнение механических измерителей углов поворота и угловых скоростей твердых тел основы виброзащиты и виброизоляции, динамические поглотители колебаний основы теории нелинейных колебаний, включающей изложение основ методов фазовой плоскости, метода малого параметра, асимптотических методов, метода ускорения 3) в методических находках, позволивших углубить содержание курса и уменьшить его объем впервые обращено внимание на то, что условия динамической уравновешенности ротора и условия отсутствия динамических реакций в опорах твердого тела при ударе — это условия осуществления свободного плоского движения твердого тела полнее и глубже развиты аналогии между статикой, кинематикой и динамикой полнее изложены электромеханические аналогии и показана эффективность применения уравнений Лагранжа-Максвелла, для составления уравнений контурных токов сложных электрических цепей получение теоремы об изменении кинетической энергии для твердого тела из соотношения между основными динамическими величинами и многие другие.  [c.121]

Кирхгоф (Kir hhof) Густав Роберт (1824-1887) — известный немецкий физик и механик. Окончил Кенигсбергский университет (1846 г.), профессор университета Бреслау (1850-1853 гг.). Гейдельбергского университета (1854-1874 гг.). Берлинского университета (с 1875 г.). Как физик, известен своим правилом для электрических цепей заложил основы спектрального анализа (1859 г.), открыл цезий, рубидий, ввел понятие абсолютно черного тела и открыл закон излучения. Работы по механике посвящены вопросам теории деформации (изгиб пластинок и тонких стержней) развил теорию вихревых движений в гидромеханике, метод приближенного решения задач теории дифракции коротких воли. Показал эффективность применения математики к исследованиям в различных областях механики (см. его монографию Механика. Лекции по математической физике , 1874 г.).  [c.24]


Однако условие спектрального беспорядка для гауссовой статистики очень искусственно. Естественно спросить при каких других общих условиях будут справедливы соотношения (3.12) и (3.14) В соответствии с центральной предельной теоремой это возможно в случае, когда функцию I (К) удается представить в виде суммы большого числа независимых случайных переменных ). В качестве примера применения этого правила к стационарной случайной функции времени можно привести теорему Кэмпбелла [1, 21. Дробовой шум тока в электрической цепи можно записать в виде суммы функций отклика Р t)  [c.141]

Идея представления конструкций в виде набора дискретных элементов восходит к раннему периоду исследования конструкций летательных аппаратов, когда, например, крылья и фюзеляжи рассматривались как совокупности стрингеров, обшивки и работающих на сдвиг панелей. Хренников [1941] ввел метод каркасов — предшественник общих дискретных методов строительной механики — и применил его, представляя плоское упругое тело в виде набора брусьев и балок. Топологические свойства некоторых типов дискретных систем изучались Кроном [1939] ), который разработал универсальные методы анализа сложных электрических цепей и строительных конструкций. Курант [1943] дал приближенное решение задачи кручения Сен-Венана, используя кусочнолинейное представление функции искажения в каждом из треугольных элементов, совокупностью которых заменялось поперечное сечение тела, и формулируя задачу с помощью принципа минимума потенциальной энергии. Пример применения Курантом метода Ритца содержит в себе все основные моменты процедуры, известной теперь как метод конечных элементов. Аналогичные идеи использовал позже Пойа [1952]. Метод гиперокружностей , предложенный в 1947 г. Прагером и Сингом [1947] и подробно исследованный Сингом [1957] ), легко может быть приспособлен для конечноэлементных применений он проливает новый свет на приближенные методы решения некоторых краевых задач математической физики. В 1954 г. Аргирис и его сотрудники ) начали публикацию серии работ, в которых они далеко развили некоторые обобщения линейной теории конструкций и представили методы  [c.12]

Механические и электрические граничные условия вводятся в уравнения (3.82) и в (3.86) для определения постоянных А и В [как в (3.87)] в любых заданных условиях. Эти постоянные позволяют определить свойства конкретных преобразователей, не прибегая к лквивалентным схемам. Однако метод эквивалентных схем с применением эффективных способов теории цепей весьма удобен и широко используется.  [c.274]


Анализ линейной цепи постоянного тока, трехфазных цепей переменного тока (Курсовая работа)

Содержание

Введение

1. Основные законы и методы анализа линейных цепей постоянного тока

1.1 Основные положения и соотношения

2. Линейные электрические цепи синусоидального тока

2.1 Установившийся режим линейной электрической цепи, питаемой от источников синусоидальных ЭДС и токов

3. Трехфазные цепи

3.1 Трехфазные симметричные источники и электроприемники

3.2 Трехфазная система с нагрузкой

Заключение

Введение

Курсовая работа по электротехнике состоит трех частей теории и трех расчетных частей: анализ линейной цепи постоянного тока; расчета установившихся режимов и линейной цепи синусоидального тока и анализа трехфазных цепей переменного тока.

В первой части курсовой работы мы будем рассчитывать ток и его напряжение каждого участка методом контурных токов и, составим необходимое число уравнений методом непосредственного применения законов Кирхгофа. Рассчитаем цепь методом двух узлов и методом наложения. Определим мощность, рассеиваемую в каждом резисторе и отдаваемую каждым источником, проверим баланс мощности.

Во второй части курсовой работы мы будем рассчитывать токи во всех ветвях схемы методом свертывания и составим баланс активных и реактивных мощностей.

В третьей части курсовой работы мы будем определять линейные и фазные токи не симметричной трехфазной цепи, приемники которого соединены по схеме «звезда» (с наличием нейтрального провода и с его обрывом) и «треугольник». Для всех трех схем определим полную, активную и реактивную мощность источника электроэнергии трехфазной цепи и приемника, проверим баланс мощностей.

1. Основные законы и методы анализа линейных цепей постоянного тока

1.1 Основные положения и соотношения

Электрической цепью называется совокупность устройств и объектов, образующих путь для прохождения электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий об электродвижущей силе, токе и напряжении. Для расчета и анализа электрической цепи, состоящей из любого количества различных элементов, удобно эту цепь представить в виде схемы замещения. Схема замещения это расчетная модель электрической цепи. Схема замещения электрической цепи включает в себя источники мощности (активные элементы) и приемники (пассивные элементы). В качестве пассивного линейного элемента в цепях постоянного тока выступает резистор, имеющий электрическое сопротивление R. Единица измерения Ом. Величина, обратная сопротивлению, называется электрической проводимостью: G = 1/R. Единица измерения См — сименс. В качестве активных элементов — источников электромагнитной энергии, в схеме замещения используются так называемые источники ЭДС и тока.

Идеальный источник электродвижущей силы (ЭДС) характеризуется напряжением U, которое не зависит от тока / и определяется электродвижущей силой Е. Внутреннее сопротивление идеального источника ЭДС равно нулю, поэтому U = Е.

Идеальный источник тока характеризуется током /, который не зависит от напряжения U (внутренняя проводимость источника тока равна нулю, сопротивление источника тока бесконечно велико).

Реальный источник ЭДС имеет внутреннее сопротивление R0

Источник тока реальный может быть изображен в виде параллельной схемы, содержащей источник тока J, численно равный току короткого замыкания источника тока и проводимости G0.

Участок электрической цепи, вдоль которого протекает один и тот же ток, называется ветвью. Место соединения трех и более ветвей называется узлом. Любой замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям, называется контуром электрической цепи.

Закон Ома. Этот закон применяется для ветви или для одноконтурной замкнутой цепи (не имеющей разветвлений). При написании закона Ома следует, прежде всего, выбрать произвольно некоторое условно-положительное направление тока. Для ветви, состоящей только из резисторов и не содержащей ЭДС (например, для ветви тп, рис.1.1) при положительном направлении тока от точки т к точке п применяется закон Ома для участка цепи: , где (потенциалы точек т и п; Umnразность потенциалов или напряжение между точками т и и; Rmn = R4 + R5 — общее (эквивалентное) сопротивление ветви между точками т и п.

Для ветви электрической цепи, содержащей ЭДС и резисторы (например, для ветви acb, рис.1.1):

где — напряжение на концах ветви acb, отсчитываемое по выбранному положительному направлению тока, — алгебраическая сумма ЭДС, находящихся в этой ветви, Rab=R1 + R2 + R3арифметическая сумма ее сопротивлений. Со знаком «+» берут ЭДС, в которых их направления совпадают с выбранным положительным направлением тока, а со знаком «-» — ЭДС с противоположными направлениями.

Для замкнутой одноконтурной цепи применяется полный (обобщенный) закон Ома: (Eалгебраическая сумма ЭДС контура; Rарифметическая сумма сопротивлений контура).

Законы Кирхгофа. Для написания законов Кирхгофа необходимо задаться условно-положительными направлениями токов каждой ветви.

Первый закон Кирхгофа применяется для узлов электрической цепи: алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна нулю, т.е.

, где т — число ветвей, соединенных в данном узле. Приняв токи, направленные от узла, условно положительными, а направленные к нему — отрицательными, для узла а схемы рис.1.1 уравнение первого закона Кирхгофа примет вид: /1 + /4 — /6 = 0.

Второй закон Кирхгофа применяется к контурам электрической цепи: алгебраическая сумма падений напряжений на элементах (резисторах) замкнутого контура электрической цепи равна алгебраической сумме ЭДС в этом контуре, т.е. , где gчисло пассивных элементов (резисторов) в контуре; р — число ЭДС рассматриваемого контура.

Для записи второго закона Кирхгофа произвольно выбирают направление обхода контура. При записи левой части равенства со знаком «+» берутся падения напряжения на тех резисторах, в которых выбранное положительное направление тока совпадает с направлением обхода (независимо от направления ЭДС в этих ветвях), а со знаком «-» берутся падения напряжения на тех резисторах, в которых положительное направление тока противоположно направлению обхода. При записи правой части равенства, положительными принимаются ЭДС, направления которых совпадают с выбранным направлением обхода контура (независимо от направления тока, протекающего через них), и отрицательными, когда направление ЭДС не совпадают с выбранным направления обхода контура. Законы Кирхгофа должны выполняться для любого момента времени. Для внешнего контура электрической цепи, рис.1.1, при его обходе от точки а по часовой стрелке, второй закон Кирхгофа примет вид:

2. Линейные электрические цепи синусоидального тока

2.1 Установившийся режим линейной электрической цепи, питаемой от источников синусоидальных ЭДС и токов

Электрической цепью переменного тока принято называть совокупность устройств и объектов, образующих путь для электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий ЭДС, тока и напряжения. Причем эти понятия являются функциями времени. ЭДС е, ток i и напряжение и задаются мгновенными значениями, т.е. значениями в дискретный момент времени, и описываются изменяющимися во времени функциями.

Линейная цепь переменного тока состоит из пассивных линейных элементов с параметрами: Rсопротивление; Lиндуктивность; С — емкость. В установившемся режиме под воздействием переменных ЭДС в цепях возникают переменные токи. Среди этих воздействий важнейшую роль играют гармонические колебания. При воздействии переменной во времени ЭДС в линейных электрических цепях возникают физические процессы, изменяющиеся по гармоническим законам.

Наибольшее распространение получили электрические цепи с синусоидальным изменением тока (напряжения ЭДС). Аналитическое выражение тока

(2.1)

График синусоидальной функции времени для этого тока приведен на рис.2.1 Синусоидальное колебание i{t) характеризуется следующими основными параметрами: амплитудой /„, угловой (круговой) частотой ω, начальной фазой ψi.

Наименьший промежуток времени, по истечении которого значения функции i (t) повторяются, называется периодом Т. Между периодом и круговой частотой существует простая связь: Т = 2π / ω. Величину, обратную периоду, называют циклической частотой: f= 1/Т. Из выше изложенного следует, что ω = f. Единицей измерения частоты f является герц (Гц), угловой частоты — радиан в секунду (рад/с). Для питания различных электроэнергетических установок в России принята промышленная частота f=50 Гц, тогда угловая частота

.

В выражении (2.1) в скобках при функции синуса фаза синусоидального электрического тока (фаза тока), т.е. аргумент синусоидального тока, отсчитываемый от точки перехода тока через нуль к положительному значению. В этой формулировке заключен смысл начала отсчета времени. При начальная фаза синусоидального электрического тока или значение фазы синусоидального тока в начальный момент времени. На оси времени t удобнее откладывать время в специальных единицах .

Аналогичный вид имеют выражения для синусоидального напряжения и и ЭДС е:

Важными параметрами гармонических колебаний являются их действующие и средние значения. Действующим значением синусоидального тока называется такое значение постоянного тока, при прохождении которого в одном и том же резисторе с сопротивлением R за время одного периода Т выделяется столько же теплоты Qnост., сколько и при прохождении синусоидального тока Qпеp,. Зная, что и приравняв их можно показать, что действующее значение тока равно:

.

Аналогично вводят действующие значения напряжения и ЭДС . Важно знать, что в паспорте электротехнических устройств синусоидального тока указаны действующие значения напряжений U и токов /, большинство измерительных приборов проградуированы так, что они показывают действующие значения синусоидальных токов и напряжений.

Среднее значение тока i определяется за половину периода Т/2 (за полный период оно равно нулю): . Аналогично определяется

.

Электричество и его применения. Закон электрической цепи. Электричество


Warning : strtotime(): It is not safe to rely on the system»s timezone settings. You are *required* to use the date.timezone setting or the date_default_timezone_set() function. In case you used any of those methods and you are still getting this warning, you most likely misspelled the timezone identifier. We selected the timezone «UTC» for now, but please set date.timezone to select your timezone. in on line 56

Warning : date(): It is not safe to rely on the system»s timezone settings. You are *required* to use the date.timezone setting or the date_default_timezone_set() function. In case you used any of those methods and you are still getting this warning, you most likely misspelled the timezone identifier. We selected the timezone «UTC» for now, but please set date.timezone to select your timezone. in /var/www/vhosts/сайт/htdocs/libraries/joomla/utilities/date.php on line 198

Каждый из нас ещё из школьного курса помнит, что электрический ток – направленное движение электрических частиц под воздействием электрического поля. Такими частицами могут быть электроны, ионы и т. д. Тем не менее, несмотря на простую формулировку, многие признаются, что не до конца знают, что же такое электричество, из чего оно состоит, как и, вообще, почему работает вся электротехника.

Для начала стоит обратиться к истории этого вопроса. Впервые термин «электричество» появился ещё в 1600 году в сочинениях английского естествоиспытателя Уильяма Гилберта. Он изучал магнитные свойства тел, в своих сочинениях затрагивая магнитные полюса нашей планеты, описывал несколько опытов с наэлектризованными телами, которые сам провёл.

Об этом можно прочитать в его труде «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле». Главным выводом его работы был такой, что многие тела и вещества могут наэлектризоваться, из-за чего у них появляются магнитные свойства. Его исследования применялись при создании компасов и во многих других областях.

Но Ульям Гилберт отнюдь не является первым, кто обнаружил подобные свойства тел, он просто первый, кто стал изучать их. Ещё в 7 веке до нашей эры греческий философ Фалес заметил, что янтарь, потёртый о шерсть, приобретает удивительные свойства – он начинает притягивать к себе предметы. Знания об электричестве ещё на протяжении нескольких веков так и оставались на этом уровне.

Такое положение оставалось вплоть до 17-18 веков. Это время можно назвать рассветом науки об электричестве. Ульям Гилберт был первым, после него этим вопросом занимались множество других учёных со всего мира: Франклин, Кулон, Гальвани, Вольт, Фарадей, Ампер, а также, русский учёный Василий Петров, открывший в 1802 году вольтову дугу.

Все эти учёные сделали выдающиеся открытия в области электричества, которые положили основу для последующего изучения этого вопроса. С тех пор электричество перестало быть чем-то загадочным, но, несмотря на большие достижения в этом вопросе, загадок и неясностей оставалось ещё очень много.

Самым главным вопросов, как и всегда, был: как же использовать все эти достижения на благо человечества? Потому что, несмотря на значительные успехи в области изучения природы электричества, до внедрения его в жизнь было ещё далеко. Оно всё ещё казалось чем-то загадочным и недостижимым.

Это можно сравнить с тем, как сейчас учёные всего мира изучают космос и ближайшую планету Марс. Уже получено множество сведений, установлено, что до него можно долететь и даже высадиться на поверхность и прочее, но до реального достижения подобных целей пока ещё очень много работы.

Говоря о природе электричества, нельзя не упомянуть о самом главном проявлении его в природе. Ведь именно там человек столкнулся с ним впервые, именно в природе он начал его изучать и старался понять, и делал первые попытки приручить и извлечь пользу для себя.

Конечно, когда мы говорим о природном проявлении электричества, то каждому на ум приходят молнии. Хотя сначала ещё было не понятно, что они собой представляют, а их электрическая природа была установлена только в 18 веке, когда началось активное изучение этого феномена в совокупности с ранее полученными знаниями. Кстати, по одной из версий, именно молнии повлияли на появления жизни на Земле, потому что без них бы не начался бы синтез аминокислот.

Внутри тела человека также есть электричество, без него бы не работала нервная система, а нервный импульс возникает в результате кратковременного напряжения. В океанах и морях живёт множество рыб, которые используют электричество для охоты и защиты. К примеру, электрический угорь может достигать напряжения до 500 Вольт, а у ската мощность разрядов составляет примерно 0,5 киловатт.

Некоторые виды рыб создают вокруг себя легкое электрическое поле, которое искажается от всех предметов в воде, так они могут с лёгкостью ориентироваться даже в очень мутной воде и имеют преимущества перед другими рыбами.

Так что с древних времён электричество часто встречалось в природе, без него невозможно было бы появление человека, а многие животные используют его для нахождения пропитания. Впервые человек столкнулся с этими явлениями именно в природном проявлении, это и подталкивало его на дальнейшие изучения.

Практическое применение электричества

Со временем человек продолжал накапливать знания об этом удивительном феномене. Электричество нехотя раскрывало свои тайны перед ним. Примерно с середины 19 века электричество начало проникать в жизнь человеческой цивилизации. В первую очередь оно стало использоваться для освещения, когда была изобретена лампочка. С его помощью стали передавать информацию на большие расстояния: появилось радио, телевидение, телеграф и т.д.

Но отдельное внимание заслуживает появление различных механизмов и устройств, которые приводились в движение с помощью электричества. И по сей день трудно представить работу какого-либо прибора или машины без электричества. Вся бытовая техника в современном доме работает только на электричестве.

Большим прорывом были и достижения в области добывания электричества, так начали создаваться всё более мощные электростанции, генераторы; для хранения были придуманы аккумуляторные батареи.

Электричество помогло сделать множество других открытий, оно помогает в науке и при исследовании новых вопросов. Некоторые технологии работают на основе электрических свойств, они используются в медицине, промышленности и, конечно, в быту.

Так что же такое электричество?

Как бы странно это не звучало, но повсеместное использование электричества не делает его более понятным. Все знают основные принципы работы, техники безопасности и всё. Одни люди признаются, что вообще не представляют, что такое электричество, другие не знают, почему оно работает именно так, а не иначе, третьи не понимают разницы между напряжением, мощностью и сопротивлением и подобных примеров множество.

Проще всего понять природу электричества на молекулярном уровне. Все вещества состоят из молекул, все молекулы состоят из атомов, а каждый атом же, состоит из ядра, вокруг которого вращаются электроны.

Электроны и являются «переносчиками» электричества, а электрический ток – это непрерывное перемещение большого количества таких электронов.

Электротехника достигла больших успехов за время своего развития, однако, по-прежнему изучение её природы требует больших усилий, ведь многие задачи до сих пор остаются нерешёнными или те решения, которые найдены, не столь эффективны, как могли бы быть. В основе всего лежит превращение сил. Электрическую энергию сегодня можно легко преобразовать в световую, используя для освещения, с её помощью можно двигать различные механизмы и прочее.

Другой особенностью и главным преимуществом электрической перед другими видами энергии является её распространённость, неограниченность в пространстве. Электричество непрерывно сопровождает человека во всех сферах его жизни, считается примером эволюции и взглядов в будущее, а процесс развития техники непрерывно связан с развитием науки и новыми достижениями.

Это расширяет возможности человека, совершенствует его инструменты и гарантирует ему постоянное развитие и движение вперёд в будущее, а многие задачи со временем уже перестают казаться невыполнимыми.


Warning : strftime(): It is not safe to rely on the system»s timezone settings. You are *required* to use the date.timezone setting or the date_default_timezone_set() function. In case you used any of those methods and you are still getting this warning, you most likely misspelled the timezone identifier. We selected the timezone «UTC» for now, but please set date.timezone to select your timezone. in /var/www/vhosts/сайт/htdocs/libraries/joomla/utilities/date.php on line 250

Электричество – это чрезвычайно полезная форма энергии. Оно легко превращается в другие формы, например в свет или тепло. Его можно без труда передавать по проводам. Слово «электричество» происходит от греческого слова «электрон» — «янтарь». При трении янтарь приобретает электрический заряд и начинает притягивать кусочки бумаги. Статическое электричество известно с древнейших времен, но лишь 200 лет назад люди научились создавать электрический ток. Электричество приносит нам тепло и свет, на нем работают разнообразные машины, в том числе ЭВМ и калькуляторы.

Что такое электричество

Электричество существует благодаря частицам, имеющим электрические заряды. Заряды есть во всяком веществе — ведь атомные ядра имеют положительный заряд, а вокруг них обращаются отрицательно заряженные электроны (см. статью « «). Обычно атом электрически нейтрален, но когда он отдает свои электроны другим атомам, он обретает положительный заряд, а атом, получивший дополнительные электроны, заряжен отрицательно. можно сообщить некоторым предметам электрический заряд, называемый статическим электричеством . Если потереть воздушный шар о шерстяной джемпер, часть электронов перейдет с джемпера на шар, и тот приобретет положительный заряд. Джемпер теперь заряжен положительно, и шарик прилипает к нему, так как противоположные заряды притягиваются друг к другу. Между заряженными телами действуют электрические силы, и тела с противоположными (положительными и отрицательными) зарядами притягивают друг друга. Предметы с одинаковыми зарядами, напротив, отталкиваются. В генераторе Ван-де-Граафа при трении резиновой ленты о валик возникает значительный статический заряд. Если человек дотронется до купола, его волосы встанут дыбом.

В некоторых веществах, например в , электроны могут свободно передвигаться. Когда что-то приводит их в движение, возникает поток электрических зарядов, называемый током . Проводники — это вещества, способные проводить, электрический ток. Если вещество не проводит ток, его называют изолятором . Дерево и пластмасса — изоляторы. В целях изоляции электрический выключатель помещают в пластмассовый корпус. Провода, как правило, делают из меди и покрывают пластиком для изоляции.

Впервые статическое электричество обнаружили древние греки более 2000 лет назад. Сейчас статическое электричество используется для получения фотокопий, факсов, распечаток на лазерных принтерах. Отраженный зеркалом лазерный луч создает на барабане лазерного принтера точечные статические заряды. Тонер притягивается к этим точкам и прижимается к бумаге.

Молния

Молнию вызывает статическое электричество, накапливающееся в грозовой туче в результате трения капелек воды и кристалликов льда, друг о друга. При трении друг о друга и о воздух капли и кристаллики льда приобретают заряд. Положительно заряженные капли собираются в верхней части тучи, а внизу накапливается отрицательный заряд. Большая искра, называемая лидером молнии, устремляется к земле, к точке, имеющей противоположный заряд. Перед возникновением лидера разность потенциалов в верхней и нижней областях тучи может составить до 100 млн. вольт. Лидер вызывает ответный разряд, устремляющийся тем же путем от к туче. внутри этого разряда в пять раз горячее поверхности Солнца — он нагревается до 33 000 °С. Разогретый разрядами молнии воздух быстро расширяется, создавая воздушную волну. Мы воспринимаем ее как гром.

Электрический ток

Электрический ток — это поток заряженных частиц, перемещающихся из области высокого электрического потенциала в область низкого потенциала. Частицы приводит в разность потенциалов, которая измеряется в вольтах . Для протекания тока между двумя точками необходима непрерывная «дорога» — цепь. Между двумя полюсами батарейки существует разность потенциалов. Если соединить их в цепь, возникнет ток. Сила тока зависит от разности потенциалов и сопротивления элементов цепи. Все вещества, даже проводники, оказывают току некоторое сопротивление и ослабляют его. Единица силы тока названа ампером (А) в честь французского ученого Андре-Мари Ампера (1775 — 1836).

Для разных устройств нужен ток разной . Электроприборы, например лампочки, превращают электрическую тока в другие формы энергии, в тепло и свет. Эти устройства могут быть включены в цепь двумя способами: последовательно и параллельно. В последовательной цепи ток проходит по всем компонентам по очереди. Если один из компонентов перегорает, цепь размыкается и ток пропадает. В параллельной цепи ток идет по нескольким путям. Если один компонент цепи выходит из строя, по другой ветви ток идет по-прежнему.

Батареи

Батарея — это хранилище химической энергии, которую можно превратить в электричество. Наиболее типичная батарея, используемая в обиходе, называется сухим элементом . В ней находится электролит (вещество, содержащее способные двигаться заряженные частицы). В результате противоположные заряды разделяются и двигаются к противоположным полюсам батарейки. Ученые обнаружили, что жидкость в теле мертвой лягушки действует как электролит и проводит электрический ток.

Алессандро Вольта (1745-1827) создал первую в мире батарею из стопки картонных дисков, пропитанных кислотой, и пропитанных кислотой, и проложенных между ними цинковых и медных дисков. В его честь единица напряжение названа вольтом . Батарейка в 1,5 В называется элементом. Большие батареи состоят из нескольких элементов. Батарея в 9 В содержит 6 элементов. Сухие называют первичными элементами . Когда компоненты электролита израсходуются, срок службы батарейки заканчивается. Вторичные элементы — это батареи, которые можно перезаряжать. Автомобильный аккумулятор — вторичный элемент. Он подзаряжается током, произведенным внутри машины. Солнечная батарея превращает энергию Солнца в электрическую. При освещении солнечным светом слоев кремния электроны в них начинают двигаться, создавая разность потенциалов между слоями.

Электричество у нас дома

Напряжение в электросети в одних странах составляет 240 В, в других 110 В. Это высокое напряжение, и удар током может быть смертельным. Параллельные цепи подводят электричество в различные части дома. Все электронные приборы снабжены предохранителями. Внутри них находятся очень тонкие проволочки, которые плавятся и разрывают цепь, если сила тока чересчур велика. Каждая параллельная цепь обычно имеет три провода: под напряжением и заземляющий. По первым двум идет ток, а заземляющий провод нужен для безопасности. Он отведет электрический ток в землю в случае пробоя изоляции. Когда вилку включают в розетку, разъёмы соединяются с проводом под напряжением и нейтральным проводом, замыкая цепь. В некоторых странах используют вилки с двумя разъёмами, без заземления (см. рис.).

Что такое электричество?

Электричество — это совокупность физических явлений, связанных с наличием электрического заряда. Хотя изначально электричество рассматривалось как явление, отдельное от магнетизма, но с разработкой уравнений Максвелла оба эти явления были признаны частью единого явления: электромагнетизма. Различные распространенные явления связаны с электричеством, такие как молнии, статическое электричество, электрическое отопление, электрические разряды и многие другие. Кроме того, электричество лежит в основе многих современных технологий.

Наличие электрического заряда, который может быть либо положительным, либо отрицательным, порождает электрическое поле. С другой стороны, движение электрических зарядов, которое называется электрическим током, создает магнитное поле.

Когда заряд помещается в точку с ненулевым электрическим полем, на него действует сила. Величина этой силы определяется законом Кулона. Таким образом, если бы этот заряд был перемещен, электрическое поле выполнило бы работу по перемещению (торможению) электрического заряда. Таким образом, можно говорить об электрическом потенциале в определенной точке пространства, равному работе, выполняемой внешним агентом при переносе единицы положительного заряда из произвольно выбранной точки отсчета до этой точки без какого-либо ускорения и, как правило, измеряемому в вольтах.

В электротехнике, электричество используется для:

  • подачи электроэнергии туда, где электрический ток используется для питания оборудования;
  • в электронике, имеющей дело с электрическими цепями, которые включают активные электрические компоненты, такие как вакуумные трубки, транзисторы, диоды и интегральные схемы, и связанные с ними пассивные элементы.

Электрические явления изучались с античных времен, хотя прогресс в теоретическом понимании начался в XVII и XVIII веках. Даже тогда практическое применение электричества было редкостью, и инженеры смогли использовать его в промышленных и жилых целях только в конце XIX века. Быстрое расширение электрических технологий в это время трансформировало промышленность и общество. Универсальность электричества заключается в том, что оно может использоваться почти в безграничном множестве отраслей, таких как транспорт, отопление, освещение, коммуникации и вычисления. Электроэнергия в настоящее время является основой современного индустриального общества.

История электричества

Задолго до того, как зародились какие-либо знания об электричестве, люди уже знали об ударах током электрической рыбы. Древнеегипетские тексты, датируемые 2750 годом до н. э., называли этих рыб «Громовержцы Нила» и описывали их как «защитников» всех других рыб. Свидетельства об электрических рыбах снова появляются тысячелетиями позже от древнегреческих, римских и арабских естествоиспытателей и врачей. Несколько древних писателей, такие, как Плиний Старший и Скрибониус Ларгус, свидетельствуют об онемении, как эффекте поражения электрическим током, производимым сомиками и электрическими скатами, а также они знали, что такие удары могут передаваться через проводящие ток предметы. Пациентам, страдающим от заболеваний, таких как подагра или головная боль прописывались прикосновения к таким рыбам с надеждой, что мощный электроудар может вылечить их. Возможно, что самое раннее и ближайшее приближение к открытию идентичности молнии и электричества из любого другого источника, было совершено арабами, у которых до 15-го века в языке слово «молния» (раад) применялось к электрическим скатам.

Древние культуры Средиземноморья знали, что если некоторые предметы, такие как янтарные палочки, потереть кошачьим мехом, то он нанёт притягивать легкие предметы, такие как перья. Фалес Милетский сделал ряд наблюдений статического электричества примерно в 600 г. до н.э., из которых он вывел, что для того, чтобы сделать янтарь способным притягивать предметы необходимо трение, в отличие от минералов, таких как магнетит, которым трение было не нужно. Фалес ошибался, полагая, что притяжение янтаря было связано с магнитным эффектом, но позже наука доказала связь между магнетизмом и электричеством. Согласно спорной теории, основанной на обнаружении Багдадской батареи в 1936 году, которая напоминает гальваническую ячейку, хотя неясно, был ли артефакт электрическим по своей природе, парфяне, возможно, знали о гальванотехнике.

Электричество продолжало вызывать не более, чем интеллектуальное любопытство на протяжении тысячелетий до 1600 года, когда английский ученый Уильям Гилберт провел тщательное изучение электричества и магнетизма, и выявил отличая «магнетитного» эффекта от статического электричества, производимого путем трения янтаря. Он придумал новое латинское слово electricus («янтарный» или «как янтарь», от ἤλεκτρον, Elektron, с греческого: «янтарь») для обозначения свойства предметов притягивать мелкие предметы после натирания. Эта лингвистическая ассоциация породила английские слова «электрический» и «электричество», которые впервые появились в печати в работе Томаса Брауна «Pseudodoxia Epidemica» в 1646 году.

Дальнейшую работу проводили Отто фон Герике, Роберт Бойль, Стивен Грей и Шарль Франсуа Дюфе. В 18 веке Бенджамин Франклин провел обширные исследования в области электричества, продав свои владения для финансирования своей работы. В июне 1752 года он, как известно, прикрепил металлический ключ к нижней части нити воздушного змея и запустил змея в грозовое небо. Последовательность искр, соскакивающих с ключа на тыльную сторону ладони показала, что молния действительно имеет электрическую природу. Он также объяснил кажущее парадоксальным поведение лейденской банки в качестве устройства для хранения большого количества электрического заряда с точки зрения электричества, состоящего из положительных и отрицательных зарядов.

В 1791 году Луиджи Гальвани объявил о своем открытии биоэлектромагнетизма, демонстрируя, что электричество является средством, с помощью которого нейроны передают сигналы к мышцам. Аккумуляторная батарея Алессандро Вольта или гальванический столб 1800-х годов изготавливались из чередующихся слоев цинка и меди. Для ученых это был более надежный источник электрической энергии, чем электростатические машины, используемые ранее. Понимание электромагнетизма как единства электрических и магнитных явлений произошло благодаря Эрстеду и Андре-Мари Амперу в 1819-1820 годах. Майкл Фарадей изобрел электрический двигатель в 1821 году, а Георг Ом математически проанализировал электрическую цепь в 1827году. Электричество и магнетизм (и свет) были окончательно связаны Джеймсом Максвеллом, в частности, в его работе «О физических силовых линиях» в 1861 и 1862 годах.

В то время как в начале 19-го века мир стал свидетелем стремительного прогресса в науке об электричестве, в конце 19 века наибольший прогресс случился в области электротехники. С помощью таких людей, как Александр Грэхем Белл, Отто Титус Блати, Томас Эдисон, Галилео Феррарис, Оливер Хевисайда, Аньош Иштван Йедлик, Уильям Томсон, 1-й барон Кельвин, Чарльз Алджернон Парсонс, Вернер фон Сименс, Джозеф Уилсон Суон, Реджинальд Фессенден, Никола Тесла и Джордж Вестингауз, электричество превратилась из научного любопытства в незаменимый инструмент для современной жизни, став движущей силой второй промышленной революции.

В 1887 году Генрих Герц обнаружил, что электроды освещенные ультрафиолетовым светом, создают электрические искры более легко, чем не освещенные. В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал статью, в которой были объяснены экспериментальные данные фотоэлектрического эффекта как результат переноса световой энергии дискретными квантованными пакетами, возбуждающими электроны. Это открытие привело к квантовой революции. Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии по физике в 1921 году за «открытие закона фотоэлектрического эффекта». Фотоэлектрический эффект также используется в фотоэлементах таких, какие можно найти в панелях солнечных батарей, и это часто используется для выработки электроэнергии в коммерческих целях.

Первым полупроводниковым устройством стал детектор «кошачий ус», который был первым в использовании в радиоприемниках в 1900-х годах. Усоподобная проволочка приводится в легкое контактное прикосновение с твердым кристаллом (например, кристаллом германия) для того, чтобы продетектировать радиосигнал посредством контактно-переходного эффекта. В полупроводниковом узле, ток подается в полупроводниковые элементы и соединения, сконструированные специально для переключения и усиления тока. Электрический ток может представляться в двух формах: в виде отрицательно заряженных электронов, а также положительно заряженными вакансиями электронов (незаполненными электронами местами в атоме полупроводника), называемыми дырками. Эти заряды и дырки понимаются с позиции квантовой физики. Строительным материалом чаще всего является кристаллический полупроводник.

Развитие полупроводниковых устройств началось с изобретением транзистора в 1947 году. Распространенными полупроводниковыми устройствами являются транзисторы, микропроцессорные чипы и чипы оперативной памяти. Специализированный тип памяти, называемый флэш-памятью используется в USB флэш-накопителях, и совсем недавно полупроводниковыми накопителями стали заменять и накопители на механически вращающихся жестких магнитных дисках. Полупроводниковые устройства стали распространенными в 1950-х и 1960-х годах, в период перехода от вакуумных ламп к полупроводниковым диодам, транзисторам, интегральным схемам (ИС) и светодиодам (LED).

Основные понятия электричества

Электрический заряд

Наличие заряда порождает электростатическую силу: заряды оказывают друг на друга силовое действие, этот эффект был известен в древности, хотя и не был тогда понятен. Легкий шарик, подвешенный на веревочке может быть заряжен прикосновением к нему стеклянной палочкой, которая сама до этого была заряжена при трении о ткань. Подобный шар, заряженный тем же стеклянным стержнем будет отталкиваться от первого: заряд заставляет два шара отделяться друг от друга. Два шара, которые заряжаются от натертого янтарного стержня также отталкиваются друг от друга. Тем не менее, если один шар заряжается от стеклянной палочки, а другой — от янтарного стержня, то оба шара начинают притягиваются друг к другу. Эти явления были исследованы в конце восемнадцатого века Шарлем Огюстеном де Кулоном, который сделал вывод, что заряд проявляется в двух противоположных формах. Это открытие привело к известной аксиоме: одинаково заряженные объекты отталкиваются, а противоположно заряженные объекты притягиваются.

Сила действует на сами заряженные частицы, следовательно, заряд имеет тенденцию к как можно более равномерному распространению по проводящей поверхности. Величина электромагнитной силы, будь то притяжение или отталкивание, определяется законом Кулона, который гласит, что электростатическая сила пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Электромагнитное взаимодействие является очень сильным, оно уступает по силе только сильному взаимодействию, но в отличие от последнего, оно действует на любых расстояниях. По сравнению с гораздо более слабым гравитационным взаимодействием, электромагнитная сила, расталкивает два электрона в 1042 раз сильнее, чем гравитационная сила притягивает их.

Исследование показало, что источником заряда являются определенные типы субатомных частиц, которые обладают свойством электрического заряда. Электрический заряд порождает электромагнитную силу, которая является одной из четырех фундаментальных сил природы, и взаимодействует с ней. Наиболее известными носителями электрического заряда являются электрон и протон. Эксперимент показал, что заряд — сохраняющаяся величина, то есть, суммарный заряд внутри изолированной системы всегда будет оставаться постоянным вне зависимости от каких-либо изменений, которые происходят в пределах этой системы. В системе заряд может передаваться между телами либо прямым контактом, либо путем передачи по проводящему материалу, например проводу. Неофициальный термин «статическое электричество» означает чистое присутствие заряда (или «дисбаланс» зарядов) на теле, обычно вызываемое тем, что разнородные материалы, будучи потертыми друг о друга, передают заряд от один другому.

Заряды электронов и протонов противоположны по знаку, следовательно, суммарный заряд может быть как положительным, так и отрицательным. По соглашению, заряд переносимый электронами, считается отрицательным, а переносимый протонами — положительным, по традиции, заложенной работами Бенджамина Франклина. Величина заряда (количество электричества) обычно обозначается символом Q и выражается в кулонах; каждый электрон несет один и тот же заряд, приблизительно -1,6022 × 10-19 кулона. Протон имеет заряд, равный по значению и противоположный по знаку, и, таким образом, + 1,6022 × 10-19 Кулона. Зарядом обладает не только вещество, но и антивещество, каждая античастица несет равный заряд, но противоположный по знаку к заряду его соответствующей частицы.

Заряд можно измерить несколькими способами: ранний прибор-электроскоп с золотыми лепестками, который, хотя все еще используется для учебных демонстраций, в настоящее время вместо него применяется электронный электрометр.

Электрический ток

Движение электрических зарядов называется электрическим током, интенсивность его обычно измеряется в амперах. Ток может создаваться какими-либо движущимися заряженными частицами; чаще всего это электроны, но в принципе любой заряд приведенный в движение представляет собой ток.

По исторически сложившейся договоренности положительный ток определяется направлением движения положительных зарядов, перетекающих из более положительной части цепи в более отрицательную часть. Ток, определенный таким образом, называется условным током. Одной из наиболее известной формой тока является движение отрицательно заряженных электронов по цепи, и таким образом, положительное направление тока сориентировано в противоположном движению электронов направлении. Тем не менее, в зависимости от условий, электрический ток может состоять из потока заряженных частиц движущегося в любом направлении, и даже в обоих направлениях одновременно. Договоренность считать положительным направлением тока направление движения положительных зарядов широко используется для упрощения этой ситуации.

Процесс, при котором электрический ток проходит через материал, называется электрической проводимостью, и её природа изменяется в зависимости от того, какими заряженными частицами она осуществляется и от материала, через который они перемещаются. В качестве примеров электрических токов можно привести металлическую проводимость, осуществляемую потоком электронов через проводник, такой как металл, и электролиз, осуществляемый потоком ионов (заряженных атомов) через жидкость или плазму, как в электрических искрах. В то время как сами частицы могут двигаться очень медленно, иногда со средней скоростью дрейфа только доли миллиметра в секунду, электрическое поле, что приводит их в движение распространяется со скоростью близкой к скорости света, позволяя электрическим сигналам быстро проходить по проводам.

Ток вызывает ряд наблюдаемых эффектов, которые исторически являлись признаком его присутствия. Возможность разложения воды под действием тока от гальванического столба была обнаружена Николсоном и Карлайлом в 1800 году. Этот процесс теперь называется электролиз. Их работа была значительно расширена Майклом Фарадеем в 1833 году. Ток, протекая через сопротивление, вызывает локализованный нагрев. Данный эффект Джеймс Джоуль описал математически в 1840 году. Одно из наиболее важных открытий, касающихся тока было сделано случайно Эрстедом в 1820 году, когда при подготовке лекции, он обнаружил, что ток, протекающий по проводу, вызвал поворот стрелки магнитного компаса. Так он открыл электромагнетизм, фундаментальное взаимодействие между электричеством и магнетизмом. Уровень электромагнитных выбросов, генерируемых электрической дугой, достаточно высок для получения электромагнитных помех, которые могут нанести ущерб работе смежного оборудования.Он обнаружил электромагнетизм, фундаментальное взаимодействие между электричеством и магнетизмом. Уровень электромагнитных излучений, генерируемых электрической дугой достаточно высок, чтобы производить электромагнитные помехи, которые могут вызвать помехи в работе находящегося поблизости оборудования.

Для технического или бытового применения ток часто характеризуется как либо постоянный (DC), либо переменный (AC). Эти термины относятся к тому, как ток изменяется во времени. Постоянный ток, производимый, например, батареей и требуемый для большинства электронных устройств, является однонаправленным потоком от положительного потенциала цепи к отрицательному. Если этот поток, что чаще случается, переносится электронами, они будут перемещаться в противоположном направлении. Переменным током называется любой ток, который непрерывно меняет направление, он почти всегда имеет форму синусоиды. Переменный ток пульсирует назад и вперед внутри проводника без перемещения заряда на какое-нибудь конечное расстояние за длительный промежуток времени. Усредненное по времени значение переменного тока равно нулю, но он доставляет энергию сначала в одном направлении, а затем в обратном. Переменный ток зависит от электрических свойств, которые не проявляют себя при стационарном режиме постоянного тока, например, от индуктивности и емкости. Эти свойства, однако, могут проявить себя, когда схема подвергается переходным процессам, например, при первоначальной подаче энергии.

Электрическое поле

Понятие электрического поля было введено Майклом Фарадеем. Электрическое поле создается заряженным телом в пространстве, которое окружает тело, и приводит к силе, действующей на любые другие заряды, расположенные в поле. Электрическое поле действует между двумя зарядами аналогично гравитационному полю, действующему между двумя массами, и также простирается до бесконечности и обратно пропорционально квадрату расстояния между телами. Тем не менее, есть существенная разница. Сила тяжести всегда притягивает, заставляя соединиться две массы, в то время как электрическое поле может привести либо притяжению, либо к отталкиванию. Так как крупные тела, такие как планеты в целом имеют нулевой суммарный заряд, их электрическое поле на расстоянии обычно равно нулю. Таким образом, сила тяжести является доминирующей силой на больших расстояниях во Вселенной, несмотря на то, что сама она гораздо слабее.

Электрическое поле, как правило, различается в различных точках пространства, а его напряженность в любой точке определяется как сила (отнесенная к единице заряда), которую будет испытывать неподвижный, ничтожно малый заряд, если его поместить в эту точку. Абстрактный заряд, называемый «пробным зарядом», должен иметь исчезающе малое значение, чтобы его собственным электрическим полем, нарушающим основное поле, можно было пренебречь, а также должен быть стационарным (неподвижным), чтобы предотвратить влияние магнитных полей. Поскольку электрическое поле определяется в терминах силы, а сила является вектором, то электрическое поле также является вектором, имеющим как величину, так и направление. А если конкретнее, то электрическое поле является векторным полем.

Учение о электрических полях, создаваемых неподвижными зарядами, называется электростатикой. Поле может быть визуализировано с помощью набора воображаемых линий, направление которых в любой точке пространства совпадает с направлением поля. Это понятие было введено Фарадеем, и термин «силовые линии» до сих пор иногда встречается. Линии поля — это пути, по которым точечный положительный заряд будет совершать движение под действием поля. Они, однако, являются абстрактным, а не физическим объектом, а поле пронизывает всё промежуточное пространство между линиями. Линии поля, исходящие из стационарных зарядов, имеют несколько ключевых свойств: во-первых, они начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных зарядах; во-вторых, они должны входить в любой идеальный проводник под прямым углом (нормально), и в-третьих, они никогда не пересекаются и не замыкаются сами на себя.

Полое проводящее тело содержит весь свой заряд на своей внешней поверхности. Поэтому поле равно нулю во всех местах внутри тела. На этом принципе работает клетка Фарадея — металлическая оболочка, которая изолирует свое внутреннее пространтсво от внешних электрических воздействий.

Принципы электростатики имеют важное значение при проектировании элементов высоковольтного оборудования. Существует конечный предел напряженности электрического поля, которая может быть выдержана любом материалом. Выше этого значения происходит электрический пробой, который вызывает электрическую дугу между заряженными частями. Например, в воздухе электрический пробой наступает при небольших зазорах при напряженности электрического поля, превышающем 30 кВ на сантиметр. При увеличении зазора предельная напряженность пробоя снижается, примерно, до 1 кВ на сантиметр. Наиболее заметное подобное естественное явление — это молния. Она возникает, когда заряды разделяются в облаках восходящими колоннами воздуха, и электрическое поле в воздухе начинает превышать значение пробоя. Напряжение большого грозового облака может достигать 100 МВ и иметь величину энергии разряда 250 кВт-час.

На величину напряженности поля сильно влияют находящиеся поблизости проводящие объекты, и напряженность особенно велика, когда полю приходится огибать заостренные объекты. Этот принцип используется в громоотводах, острые шпили которых принуждают молнии разряжаться в них, а не в здания, которые они защищают.

Электрический потенциал

Понятие электрического потенциала тесно связано с электрическим полем. Небольшой заряд, помещенный в электрическое поле, испытывает силу, и для того, чтобы переместить заряд против этой силы, требуется совершить работу. Электрический потенциал в любой точке определяется как энергия, которую необходимо затратить, чтобы крайне медленно переместить единичный пробный заряд с бесконечности до этой точки. Потенциал обычно измеряется в вольтах, и потенциал в один вольт — это потенциал, при котором необходимо затратить один джоуль работы, чтобы переместить заряд в один кулон из бесконечности. Это формальное определение потенциала имеет небольшое практическое применение, и более полезным является понятие электрической разности потенциалов, то есть энергия, необходимая для перемещения единицы заряда между двумя заданными точками. Электрическое поле имеет одну особенность, оно является консервативным, что означает, что путь, пройденный пробным зарядом не имеет никакого значения: на прохождение всевозможных путей между двумя заданными точками всегда будет затрачена одна и та же энергия, и, таким образом, существует единственное значение разности потенциалов между двумя положениями. Вольт настолько сильно закрепился в качестве единицы измерения и описания разности электрических потенциалов, что термин вольтаж используется широко и повседневно.

Для практических целей полезно определить общую точку отсчета, относительно которой потенциалы могут быть выражены и сравниваться. Хотя, она может находиться и на бесконечности, гораздо более практично использовать в качестве нулевого потенциала саму Землю, которая во всех местах, как предполагается, имеет один и тот же потенциал. Эту точка отсчета, естественно, обозначают как «земля» (ground). Земля является бесконечным источником равного количества положительных и отрицательных зарядов и, следовательно, она электрически нейтральна и незаряжаема.

Электрический потенциал является скалярной величиной, то есть, он имеет только значение и не имеет направления. Его можно рассматривать как аналог высоты: подобно тому, как выпущенный объект будет падать посредством разности высот, вызванной гравитационным полем, так и заряд будет «падать» посредством напряжения, вызванного электрическим полем. Как на картах обозначается рельеф посредством контурных линий, соединяющих точки одинаковой высоты, так и набор линий, соединяющих точки равного потенциала (известные как эквипотенциали) могут быть прорисованы вокруг электростатически заряженного объекта. Эквипотенциали пересекают все силовые линии под прямым углом. Они также должны лежать параллельно поверхности проводника, в противном случае будет производиться сила, перемещающая носители зарядов по эквипотенциальной поверхности проводника.

Электрическое поле формально определяется как сила, оказываемая на единицу заряда, но понятие потенциала предоставляет более полезное и эквивалентное определение: электрическое поле — это локальный градиент электрического потенциала. Как правило, оно выражается в вольтах на метр, а направление вектора поля является линией наибольшего изменения потенциала, то есть в направлении ближайшего расположения другой эквипотенциали.

Электромагниты

Открытие Эрстедом в 1821 году того факта, что магнитное поле существует вокруг всех сторон провода, несущего электрический ток, показало, что существует прямая связь между электричеством и магнетизмом. Более того, взаимодействие казалось отличающимся от гравитационных и электростатических сил, двух сил природы, тогда известных. Сила действовала на стрелку компаса, не направляя ее к проводу с током или от него, а действовала под прямым углом к нему. Немного неясными словами «электрический конфликт имеет вращающее поведение» Эрстед выразил своё наблюдение. Эта сила также зависела от направления тока, ибо, если ток менял направление, то магнитная сила меняла его тоже.

Эрстед не в полной мере смог понять свое открытие, но наблюдаемый им эффект был взаимным: ток оказывает силовое воздействие на магнит, и магнитное поле оказывает силовое воздействие на ток. Феномен был в дальнейшем изучен Ампером, который обнаружил, что два параллельных провода с током, оказывают силовое действие друг на друга: два провода, с протекающими по ним токами в одном и том же направлении, притягиваются друг к другу, в то время как провода, содержащие токи в противоположных направлениях друг от друга, отталкиваются. Это взаимодействие происходит посредством магнитного поля, которое каждый ток создает, и на основе этого явления определяется единица измерения тока — Ампер в международной системе единиц.

Эта связь между магнитными полями и токами является чрезвычайно важной, поскольку она привела к изобретению Майклом Фарадеем электродвигателя в 1821 году. Его униполярный двигатель состоял из постоянного магнита, помещенного в сосуд с ртутью. Ток пропускался по проводу, подвешенному на шарнирном подвесе над магнитом и погруженному в ртуть. Магнит оказывал тангенциальную силу на провод, что заставляло последний вращаться вокруг магнита до тех пор, пока в проводе поддерживался ток.

Эксперимент, проведенный Фарадеем в 1831 году, показал, что провод, движущийся перпендикулярно магнитному полю, создавал разность потенциалов на концах. Дальнейший анализ этого процесса, известного как электромагнитная индукция, позволил ему сформулировать принцип, теперь известный как закон индукции Фарадея, что разность потенциалов, наведенная в замкнутом контуре пропорциональна скорости изменения магнитного потока пронизывающего контур. Разработка этого открытия позволили Фарадею изобрести первый электрический генератор, в 1831 году, в котором преобразуется механическая энергия вращающегося медного диска в электрическую энергию. Диск Фарадея был неэффективным и не использовался в качестве практического генератора, но он показал возможность выработки электроэнергии с использованием магнетизма, и эта возможность была взята на вооружение теми, кто последовал за его разработками.

Способность химических реакций производить электроэнергию, и, обратная способность электроэнергии производить химические реакцие имеет широкий спектр применений.

Электрохимия всегда была важной частью учения о электричестве. Из первоначального изобретения вольтова столба, гальванические элементы эволюционировали в самые разнообразные типы батарей, гальванические и электролизные элементы. Алюминий получают в огромных количествах электролизным способом, и во многих портативных электронных устройствах используются перезаряжаемые источники электроэнергии.

Электрические схемы

Электрическая цепь представляет собой соединение электрических компонентов таким образом, что электрический заряд, вынужденный проходить по замкнутой траектории (контуру), обычно выполняет ряд некоторых полезных задач.

Компоненты в электрической цепи могут принимать различные формы, выступая в роли таких элементов, как резисторы, конденсаторы, выключатели, трансформаторы и электронные компоненты. Электронные схемы содержат активные компоненты, такие как полупроводники, которые обычно работают в нелинейном режиме и требуют применения к ним комплексного анализа. Наиболее простыми электрическими компонентами являются те, которые называются пассивными и линейными: хотя они могут временно хранить энергию, они не содержат ее источников и работают в линейном режиме.

Резистор, пожалуй, самый простой из пассивных элементов схемы: как предполагает его название, он сопротивляется току, протекающему через него, рассеивая электроэнергию в виде тепла. Сопротивление является следствием движения заряда через проводник: в металлах, например, сопротивление в первую очередь связано со столкновениями электронов и ионов. Закон Ома является основным законом теории цепей, и гласит, что ток, проходящий через сопротивление прямо пропорционален разности потенциалов на нем. Сопротивление большинства материалов относительно постоянно в широком диапазоне температур и токов; материалы, удовлетворяющие этим условиям, известны как «омические». Ом — единица сопротивления, была названа в честь Георга Ома и обозначается греческой буквой Ω. 1 ом — это сопротивление, которое создает разность потенциалов в один вольт при пропускании через него тока величиной в один ампер.

Конденсатор является модернизацией лейденской банки и представляет собой устройство, которое может хранить заряд, и тем самым накапливать электрическую энергию в создающемся поле. Он состоит из двух проводящих пластин, разделенных тонким изолирующим слоем диэлектрика; на практике это пара тонких полосок металлической фольги, смотанных вместе, для увеличения площади поверхности в единице объема и, следовательно, емкости. Единицей емкости является фарад, названный в честь Майкла Фарадея и обозначается символом F: один фарад является емкость, которая создает разность потенциалов в один вольт, при хранении заряда в один кулон. Через конденсатор, подключенный к источнику питания вначале протекает ток, так как в конденсаторе происходит накопление заряда; этот ток будет, однако уменьшаться по мере того, как конденсатор будет заряжаться, и в конце концов станет равным нулю. Конденсатор поэтому не пропускает постоянный ток, а блокирует его.

Индуктивность является проводником, как правило, мотком провода, которая хранит энергию в магнитном поле, возникающем при прохождении тока через неё. При изменении тока, магнитное поле также изменяется, создавая напряжение между концами проводника. Индуцированное напряжение пропорционально скорости изменения тока. Коэффициент пропорциональности называется индуктивностью. Единица индуктивности — генри, названна в честь Джозефа Генри, современника Фарадея. Индуктивность в один генри — это индуктивность, которая вызывает разность потенциалов в один вольт, при скорости изменения тока, проходящего через неё, в один ампер в секунду. Поведение индуктивности противоположенное поведению конденсатора: она будет свободно пропускать постоянный и блокировать быстро меняющийся ток.

Электрическая мощность

Электрическая мощность — это скорость, с которой электрическая энергия передается электрической цепью. Единица СИ мощности — ватт, равный одному джоулю в секунду.

Электрическая мощность как и механическая является скоростью выполнения работы, измеряется в ваттах и обозначается буквой P. Термин потребляемая мощность, используемый в просторечии, означает «электрическую мощность в ваттах.» Электрическая мощность в ваттах, производимая электрическим током I, равным прохождению заряда Q кулон каждые t секунд через электрическую разность потенциалов (напряжение) V равна

P = QV/t = IV

  • Q — электрический заряд в кулонах
  • t — время в секундах
  • I — электрический ток в амперах
  • V — электрический потенциал или напряжение в вольтах

Генерация электроэнергии часто производится с помощью электрогенераторов, но также может производиться химическими источниками, такими как электрические батареи или другими способами с помощью самых разнообразных источников энергии. Электрическая мощность, как правило, поставляется на предприятия и в дома электроэнергетическими компаниями. Оплата за электроэнергию обычно происходит за киловатт-час (3,6 МДж), который является произведенной мощностью в киловаттах, умноженной на время работы в часах. В электроэнергетике измерения мощности производят с использованием счетчиков электроэнергии, которые запоминают количество общей электрической энергии, отдаваемой клиенту. В отличие от ископаемого топлива, электроэнергия является низкоэнтропийной формой энергии и может быть преобразована в энергию движения или многие другие виды энергии с высокой эффективностью.

Электроника

Электроника имеет дело с электрическими цепями, которые включают в себя активные электрические компоненты, такие как вакуумные трубки, транзисторы, диоды и интегральных схемы, и связанные с ними пассивные элементы и элементы коммутации. Нелинейное поведение активных компонентов и их способность контролировать потоки электронов позволяет усиливать слабые сигналы и широко использовать электронику в обработке информации, телекоммуникации и обработке сигналов. Способность электронных устройств работать в качестве переключателей позволяет проводить цифровую обработку информации. Элементы коммутации, такие как печатные платы, технологии компоновки и другие разнообразные формы коммуникационной инфраструктуры дополняют функциональные возможности схемы и превращают разнородные компоненты в обычную рабочую систему.

Сегодня большинство электронных устройств используют полупроводниковые компоненты для осуществления электронного управления. Изучение полупроводниковых приборов и связанных с ними технологий рассматривается как отрасль физики твердого тела, тогда как проектирование и конструирование электронных схем для решения практических задач относятся к области электроники.

Электромагнитные волны

Работы Фарадея и Ампера показали, что изменяющееся во времени магнитное поле порождало электрическое поле, а изменяющееся во времени электрическое поле являлось источником магнитного поля. Таким образом, когда одно поле меняется во времени, то всегда индуцируется другое поле. Такое явление обладает волновым свойствами и естественно называется электромагнитной волной. Электромагнитные волны были теоретически проанализированы Джеймсом Максвеллом в 1864 году. Максвелл разработал ряд уравнений, которые могли однозначно описать взаимосвязь между электрическим полем, магнитным полем, электрическим зарядом и электрическим током. Он смог к тому же доказать, что такая волна обязательно распространяется со скоростью света, и, таким образом, и свет сам является формой электромагнитного излучения. Разработка законов Максвелла, которые объединяют свет, поля и заряд, является одним из важнейших этапов в истории теоретической физики.

Таким образом, работа многих исследователей позволила использовать электронику для преобразования сигналов в высокочастотные колебательные токи, а через соответствующим образом сформированные проводники электричество позволяет передавать и принимать эти сигналы посредством радиоволн на очень большие расстояния.

Производство и использование электрической энергии

Генерация и передача электрического тока

В 6 веке до н. э. греческий философ Фалес Милетский экспериментировал с янтарными стержнями, и эти эксперименты стали первыми исследованиями в области производства электрической энергии. Пока этот метод, теперь известный как трибоэлектрический эффект, мог только поднимать легкие предметы и генерировать искры, он был крайне неэффективен. С изобретением вольтова столба в восемнадцатом веке жизнеспособный источник электроэнергии стал доступным. Вольтов столб и его современный потомок — электрическая батарея, хранит энергию в химическом виде и выдает её в виде электрической энергии по требованию. Батарея является универсальным и очень распространенным источником питания, который идеально подходит для многих применений, но энергия, хранящаяся в ней, конечна, и как только она расходуется, батарею необходимо утилизировать или заряжать. Для больших потребностей электрическая энергия должна генерироваться и передаваться непрерывно по проводящим линиям электропередачи.

Электроэнергия обычно генерируется электромеханическими генераторами, приводимыми в движение паром, получаемым от сжигания ископаемого топлива, или теплом, выделяемым в ядерных реакциях; или из других источников, таких как кинетическая энергия, извлеченная из ветра или проточной воды. Современная паровая турбина, разработанная сэром Чарльзом Парсонсом в 1884 году, сегодня производит около 80 процентов электроэнергии в мире с использованием различных источников тепла. Такие генераторы не имеют никакого сходства с униполярным генератором — диском Фарадея 1831 года, но они по-прежнему полагаться на его электромагнитный принцип, согласно которому проводник, сцепляясь с изменяющимся магнитным полем, индуцирует разность потенциалов на своих концах. Изобретение в конце ХIХ века трансформатора означало, что электрическая энергия может передаваться более эффективно при более высоком напряжении, но более низком токе. Эффективная электрическая передача означает, в свою очередь, что электроэнергия может производиться на централизованных электростанциях с выгодой от масштабной экономии, а затем передаваться на относительно большие расстояния туда, где в ней есть необходимость.

Поскольку электрическая энергия не может быть легко сохранена в количествах, достаточных для удовлетворения потребностей в национальном масштабе, её должно производиться в любое время столько, сколько в данный момент её требуется. Это обязывает энергокомпании тщательно прогнозировать свои электрические нагрузки и постоянно согласовывать эти данные с электростанциями. Некоторое количество генерирующих мощностей должно всегда храниться в запасе в качестве подушки безопасности для электросетей на случай резкого повышения спроса на электроэнергию.

Спрос на электроэнергию растет с большой скоростью по мере модернизации страны и развития ее экономики. Соединенные Штаты демонстрировали 12-процентный рост спроса в течение каждого года первых трех десятилетий ХХ века. Такой темп роста в настоящее время наблюдается в странах с формирующейся экономикой, таких как Индия или Китай. Исторически темпы роста спроса на электроэнергию опережают темпы роста спроса на другие виды энергии.

Экологические проблемы, связанные с производством электроэнергии, привели к усилению внимания к производству электроэнергии из возобновляемых источников, в частности на ветряных и гидроэлектростанциях. Несмотря на то, что можно ожидать продолжения дебатов о воздействии на окружающую среду различных средств производства электроэнергии, её окончательная форма относительно чистая.

Способы применения электричества


Передача электричества является весьма удобным способом передачи энергии, и она была адаптирована к огромному, и продолжающему расти, количеству применений. Изобретение практической лампы накаливания в 1870-х годах привело к тому, что освещение стало одним из первых массово доступных применений электроэнергии. Несмотря на то, что электрификация подразумевала собой определенные риски, замена открытого пламени газового освещения значительно снизила опасность возгорания внутри домов и фабрик. Во многих городах были созданы коммунальные предприятия, ориентированные на растущий рынок электрического освещения.

Нагревающий резистивный эффект Джоуля используется в нитях ламп накаливания и также находит более непосредственное применение в системах электрического отопления. Хотя этот метод отопления универсальный и управляемый, его можно считать расточительным, поскольку для большинства способов электрогенерации уже потребовалось производство тепловой энергии на электростанции. В ряде стран, таких как Дания, выпустили законы, ограничивающие или запрещающие применение резистивного электрического нагрева в новых зданиях. Электричество, однако, до сих пор остается весьма практичным источником энергии для отопления и охлаждения, причем кондиционеры или тепловые насосы представляют собой растущий сектор спроса на электроэнергию для отопления и охлаждения, последствия которого коммунальные предприятия все в большей степени обязаны учитывать.

Электричество используется в сфере телекоммуникаций, и на самом деле электрический телеграф, коммерческое использование которого было продемонстрировано в 1837 году Куком и Уитстоном, было одним из самых ранних электрических телекоммуникационных применений. При строительстве первых межконтинентальных, а затем трансатлантической, телеграфных систем в 1860-х годах, электричество позволило обеспечивать связь в течение нескольких минут со всем земном шаром. Оптоволоконная и спутниковая связь заняли часть рынка систем связи, однако можно ожидать, что электроэнергия будет оставаться важной частью этого процесса.

Наиболее очевидное использование эффектов электромагнетизма происходит в электродвигателе, который представляет собой чистое и эффективное средство движущей силы. Стационарный двигатель, такой как лебедка, легко обеспечить электропитанием, но двигателю для мобильного применения, такого как электрическое транспортное средство, необходимо либо перемещать вместе с собой источники питания, такие как батареи, либо собирать ток скользящим контактом, известным как пантограф.

Электронные устройства используют транзистор, пожалуй, одно из важнейших изобретений ХХ века, который является фундаментальным строительным блоком всех современных схем. Современная интегральная схема может содержать несколько миллиардов миниатюризованных транзисторов на площади всего несколько квадратных сантиметров.

Электричество также используется в качестве источника топлива для общественного транспорта, в том числе в электрических автобусах и поездах.

Влияние электричества на живые организмы

Действие электрического тока на организм человека

Напряжение, приложенное к человеческому телу, вызывает прохождение электрического тока через ткани, и хотя это отношение нелинейно, но чем большее напряжение приложено, тем больший оно вызывает ток. Порог восприятия варьируется в зависимости от частоты питания и местом прохождения тока, он составляет приблизительно от 0,1 мА до 1 мА для электричества сетевой частоты, хотя и ток, настолько малый, как один микроампер, может быть обнаружен как эффект электровибрации при определенных условиях. Если ток достаточно большой, то он может вызвать сокращение мышц, аритмию сердца, а также ожоги тканей. Отсутствие каких-либо видимых признаков того, что проводник находится под напряжением, делает электричество особенно опасным. Боль, вызванная электрическим током может быть интенсивной, что приводит к тому, что электричество иногда используют в качестве метода пытки. Смертная казнь, приведенная в исполнение поражением электрическим током, называется казнью на электрическом стуле (electrocution). Казнь на электрическом стуле до сих пор остается средством судебного наказания в некоторых странах, хотя его использование стало более редким в последнее время.

Электрические явления в природе

Электричество не является изобретением человека, оно может наблюдаться в нескольких формах в природе, заметным проявлением которого является молния. Многие взаимодействия, знакомые на макроскопическом уровне, такие как прикосновение, трение или химическая связь, обусловлены взаимодействиями между электрическими полями на атомном уровне. Магнитное поле Земли, как полагают, возникает из-за естественного производства циркулирующих токов в ядре планеты. Некоторые кристаллы, такие как кварц, или даже сахар, способны создавать разность потенциалов на своих поверхностях, когда подвергаются внешнему давлению. Это явление, известное как пьезоэлектричество, от греческого piezein (πιέζειν), что означает «нажать», было обнаружено в 1880 году Пьером и Жаком Кюри. Этот эффект обратим, и когда пьезоэлектрический материал подвергается воздействию электрического поля, происходит небольшое изменение его физических размеров.

Некоторые организмы, такие как акулы, способны обнаруживать и реагировать на изменения электрических полей, эта способность известна как электрорецепция. В то же время другие организмы, именуемые электрогенными, способны генерировать напряжения сами, что служит им в качестве оборонительного или хищного оружия. Рыбы отряда гимнотообразных, самым известным представителем которого является электрический угорь, могут обнаруживать или оглушать свою добычу с помощью высокого напряжения, генерируемого видоизмененными мышечными клетками, называемыми электричесикими клетками (electrocytes). Все животные передают информацию по клеточным мембранам импульсами напряжения, называемыми потенциалами действия, в чью функцию входит обеспечение нервной системы связью между нейронами и мышцами. Поражение электрическим током стимулирует эту систему, и вызывает сокращение мышц. Потенциалы действия также отвечают за координацию деятельности определенных растений.

В 1850 году Уильям Гладстон спросил ученого Майкла Фарадея, в чем ценность электричества. Фарадей ответил: «В один прекрасный день, сэр, вы сможете обложить его налогом».

В 19-м и начале 20-го века, электричество не было частью повседневной жизни многих людей, даже в промышленно развитом западном мире. Популярная культура того времени, соответственно, часто изображала его как таинственную, квази-магическую силу, которая может умертвлять живых, воскрешать мертвых или иным образом изменять законы природы. Такой взгляд начал царить с опытов Гальвани 1771 года, в которых демонстрировались ноги мертвых лягушек дергающимися при применении животного электричества. Об «оживлении» или реанимации очевидно мертвых или утопленников было сообщено в медицинской литературе вскоре после работы Гальвани. Об этих сообщениях стало известно Мэри Шелли, когда она принялась за написание Франкенштейна (1819), хотя она и не указывает на такой метод оживления монстра. Оживление монстров с помощью электричества стало актуальной темой фильмов ужасов позже.

По мере того, как углублялось общественное знакомство с электричеством, как источником жизненной силы второй промышленной революции, его обладатели чаще показывались в положительном свете, например, электромонтажники, про которых сказано «смерть сквозь перчатки им леденит пальцы, сплетающие провода» в стихотворении Редьярда Киплинга 1907 года «Сыновья Марфы». Разнообразные транспортные средства с электрическим приводом заняли видное место в приключенческих рассказах Жюля Верна и Тома Свифта. Специалисты в области электроэнергетики, будь то вымышленные или реальные — в том числе ученые, такие как Томас Эдисон, Чарльз Штайнмец или Никола Тесла — широко воспринимались как кудесники, наделенные волшебными полномочиями.

По мере того, как электричество переставало быть новинкой и становилось необходимостью в повседневной жизни во второй половине 20-го века, оно обратило к себе особое внимание со стороны популярной культуры только тогда, когда оно переставало поступать, что являлось событием, которое обычно сигнализирует о бедствии. Люди, которые поддерживают его поступление, такие как безымянный герой песни Джимми Уэбба «Монтер из Уичито» (1968), все чаще представлялись в качестве героических и волшебных персонажей.

Электричество — это движущийся в определенном направлении поток частиц. Они обладают неким зарядом. По-другому, электричество — это энергия, которая получается при движении, а также освещение, появляющееся после получения энергии. Термин ввел ученый Уильям Гилберт в 1600 году. При проведении опытов с янтарем еще древнегреческий Фалес обнаружил, что минералом приобретался заряд. «Янтарь» в переводе с греческого означает «электрон». Отсюда пошло и название.

Электричество — это…

Благодаря электричеству, вокруг проводников тока или тел, обладающих зарядом, создается электрическое поле. Через него появляется возможность воздействовать на другие тела, у которых также есть некий заряд.

Все знают, что заряды бывают положительными и отрицательными. Конечно, это условное деление, но по сложившейся истории их так и продолжают обозначать.

Если тела заряжены одинаково, они будут отталкиваться, а если по-разному — притягиваться.

Суть электричества заключается не только в создании электрического поля. Возникает и магнитное поле. Поэтому между ними имеется родство.

Больше века спустя, в 1729 году, Стивен Грей установил, что есть тела, обладающие очень большим сопротивлением. Они способны проводить

В настоящее время больше всего электричеством занимается термодинамика. Но квантовые свойства электромагнетизма изучает квантовая термодинамика.

История

Вряд ли можно назвать конкретного человека, открывшего явление. Ведь и по сей день продолжаются исследования, выявляются новые свойства. Но в науке, которую нам преподают в школе, называют несколько имен.

Считается, что первым, кто заинтересовался электричеством, был живший в Древней Греции. Это он тер янтарь о шерсть и наблюдал, как начинали притягиваться тела.

Затем Аристотель изучал угрей, поражавших врагов, как поняли позже, электричеством.

Позже Плиний писал об электрических свойствах смолы.

Ряд интересных открытий закрепили за врачом английской королевы, Вильямом Жильбером.

В середине семнадцатого века, после того как стал известен термин «электричество», бургомистр Отто фон Герике изобрел электростатическую машину.

В восемнадцатом веке Франклин создал целую теорию явления, говоряющую о том, что электричество — это флюид или нематериальная жидкость.

Кроме упомянутых людей, с этим вопросом связывают такие знаменитые имена, как:

  • Кулон;
  • Гальвани;
  • Вольт;
  • Фарадей;
  • Максвелл;
  • Ампер;
  • Лодыгин;
  • Эдисон;
  • Герц;
  • Томсон;
  • Клод.

Несмотря на их неоспоримый вклад, самым могущественным из ученых в мире по праву признают Николу Теслу.

Никола Тесла

Ученый родился в семье сербского православного священника на территории нынешней Хорватии. В шесть лет мальчик обнаружил чудесное явление, когда играл с черной кошкой: ее спина вдруг осветилась полоской голубого цвета, что сопровождалось искрами при прикосновении. Так мальчик впервые узнал, что такое «электричество». Это и определило всю его будущую жизнь.

Ученому принадлежат изобретения и научные работы о:

  • переменном токе;
  • эфире;
  • резонансе;
  • теории полей;
  • радио и еще многом другом.

Многие связывают событие, получившее название с именем Николы Теслы, считая, что огромный взрыв в Сибири был вызван не падением космического тела, а опытом, проводимым ученым.

Природное электричество

Одно время в научных кругах существовало мнение, что электричества в природе не существует. Но эту версию опровергли тогда, когда Франклином была установлена электрическая природа молнии.

Именно благодаря ей аминокислоты начали синтезироваться, а значит, и появилась жизнь. Установлено, что движения, дыхание и другие процессы, происходящие в организме, возникают от нервного импульса, который имеет электрическую природу.

Всем известные рыбы — электрические скаты — и некоторые другие виды защищаются таким образом, с одной стороны, и поражают жертву, с другой.

Применение

Подключение электричества происходит за счет работы генераторов. На электростанциях создается энергия, передаваемая по специальным линиям. Ток образуется за счет преобразования внутренней или в электрическую. Станции, которые ее вырабатывают, где происходит подключение или отключение электричества, бывают различных видов. Среди них выделяют:

  • ветровые;
  • солнечные;
  • приливные;
  • гидроэлектростанции;
  • тепловые атомные и другие.

Подключение электричества сегодня происходит практически везде. Представить себе жизнь без него современный человек не может. С помощью электричества производится освещение, передается информация по телефону, радио, телевидению… За счет него функционирует такой транспорт, как трамваи, троллейбусы, электрички, поезда метро. Появляются и все смелее заявляют о себе электромобили.

Если происходит отключение электричества в доме, то человек часто становится беспомощным в разных делах, так как даже бытовые приборы работают при помощи этой энергии.

Неразгаданные тайны Теслы

Свойства явления изучали с древних времен. Человечество узнало, как провести электричество, используя различные источники. Это в значительной степени облегчило им жизнь. Тем не менее в будущем людям еще предстоит немало открытий, связанных с электричеством.

Некоторые из них, может быть, даже уже были сделаны известным Николой Теслой, но затем были засекречены или уничтожены им самим. Биографы утверждают, что в конце жизни большинство записей ученый собственноручно сжег, осознав, что человечество не готово к ним и может навредить себе, использовав его открытия как самое мощное оружие.

Но по другой версии, считается, что часть записей была изъята спецслужбами США. Истории известен эсминец ВМФ США «Элдридж», который не только обладал способностью быть невидимым для радаров, но и перемещался моментально в пространстве. Есть свидетельства эксперимента, после которого часть экипажа тогда погибла, другая часть исчезла, а оставшиеся в живых сошли с ума.

Так или иначе, понятно, что все тайны электричества еще не раскрыты. Значит, человечество нравственно еще не готово к этому.

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО , форма энергии, существующая в виде статических или подвижных ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЗАРЯДОВ. Заряды могут быть положительными или отрицательными. Одинаковые заряды отталкиваются, противоположные притягиваются. Силы взаимодействия между зарядами описаны ЗАКОНОМ КУЛОНА. Когда заряды движутся в магнитном поле, они испытывают воздействие магнитной силы и в свою очередь создают противоположно направленное магнитное поле (ЗАКОНЫ ФАРАДЕЯ). Электричество и МАГНЕТИЗМ представляют собою различные аспекты одного и того же явления, ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМА. Поток зарядов образует ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ток, который в проводнике представляет собою поток отрицательно заряженных ЭЛЕКТРОНОВ. Для того, чтобы в ПРОВОДНИКЕ возник электрический ток, необходима ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА или РАЗНОСТЬ ПОТЕНЦИАЛОВ между концами проводника. Ток, который движется только в одном направлении, называется постоянным. Такой ток создается, когда источником разности потенциалов является БАТАРЕЙКА. Ток, меняющий направление дважды за цикл, называется переменным. Источником такого тока являются центральные сети. Единицей измерения тока служит АМПЕР, единицей заряда — КУЛОН, ом — это единица сопротивления, а вольт — единица электродвижущей силы. Основными средствами для вычисления параметров электрической цепи являются ЗАКОН ОМА и ЗАКОНЫ КИРХГОФА (о суммировании величин напряжения и тока в цепи). см. также ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК , ЭЛЕКТРОНИКА .

Электрическую энергию можно получить при помощи индукции в генераторе; напряжение в первичной обмотке создает переменный ток во внешней цепи. Наличие индуктивности или емкости (либо того и другого вместе) приводит к смещению фазы (А) между напряжением V и током I. На рисунке показано, что емкость вызывала смещение фазы на 90°, в результате чего средняя величина мощности равна 0, хотя кривая мощности no-прежнему имеет вид синусоиды. Понижение мощности Р, вызванное смещением фаз, называют коэффициентом мощности. Если три фазы переменного тока смещены между собою, каждая на 120°, то сумма их величин тока или напряжения всегда будет равна нулю (В). Такие трехфазные токи используют в короткозамк-нугых асинхронных электродвигателях с ротором (С). В этой конструкции имеется три электромагнита, вращающихся в созданном магнитном поле. Переменный ток производится также в замкнутых (D) и открытых (Е) колебательных контурах. Высокочастотные электромаг нитные волны, используемые в некоторых системах коммуникации, ПРОИЗВОДЯТСЯ ТЭКИМ1 цепями.

Научно-технический энциклопедический словарь .

Синонимы :

Смотреть что такое «ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» в других словарях:

    — (от греч. elektron янтарь, так как янтарь притягивает легкие тела). Особенное свойство некоторых тел, проявляющееся только при известных условиях, напр. при трении, теплоте, или химических реакциях, и обнаруживающееся притягиванием более легких… … Словарь иностранных слов русского языка

    ЭЛЕКТРИЧЕСТВО, электричества, мн. нет, ср. (греч. elektron). 1. Субстанция, лежащая в основе строения материи (физ.). || Своеобразные явления, сопровождающие движение и перемещение частиц этой субстанции, форма энергии (электрический ток и т.п.) … Толковый словарь Ушакова

    Совокупность явлений, обусловленных существованием, движением и взаимодействием заряженных тел или частиц носителей электрических зарядов. Связь электричества и магнетизма взаимодействие неподвижных электрических зарядов осуществляется… …

    — (от греч. elektron янтарь) совокупность явлений, в которых обнаруживается существование, движение и взаимодействие (посредством электромагнитного поля) заряженных частиц. Учение об электричестве один из основных разделов физики. Часто под… … Большой Энциклопедический словарь

    Лепиздричество, электроток, лепестричество, лепистричество, ток, электроэнергия, освещение Словарь русских синонимов. электричество сущ., кол во синонимов: 13 актиноэлектричество … Словарь синонимов

    ЭЛЕКТРИЧЕСТВО — в самом общем смысле представляет одну из форм движения материи. Обычно же под этим словом понимают или электрический заряд как таковой или самое учение об электрических зарядах, их движении и взаимодействии. Слово Э. происходит от греч. электрон … Большая медицинская энциклопедия

    электричество — (1) EN electricity (1) set of phenomena associated with electric charges and electric currents NOTE 1 — Examples of usage of this concept: static electricity, biological effects of electricity. NOTE 2 — In… … Справочник технического переводчика

    ЭЛЕКТРИЧЕСТВО, а, ср. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 … Толковый словарь Ожегова

    Электричество — – 1. Проявление одной из форм энергии, присущая электрическим зарядам как движущимися, так и находящимися в статическом состоянии. 2. Область науки и техники, связанная с электрическими явлениями. [СТ МЭК 50(151) 78] Рубрика термина:… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

    ЭЛЕКТРИЧЕСТВО — совокупность явлений, в которых обнаруживаются существование, движение и взаимодействие (посредством электромагнитного поля) электрических зарядов (см. (4)). Учение об электричестве один из основных разделов физики … Большая политехническая энциклопедия

Применение комплексных чисел к расчету электрических цепей переменного тока. Лекция 5

1. БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова Кафедра электротехники, О8

Лекция 5
Применение комплексных чисел к расчету
электрических цепей
переменного тока
1
Комплексные числа
Из курса математики известно, что любое комплексное число А можно представить :
1.
2.
3.
4.
A A’ jA’ ‘
в алгебраической форме:
в тригонометрической форме: A А cos A sin
A Ae j
в показательной форме:
вектором на комп. плоскости.
j 1
j 2 1
-мнимая единица
A’ Re( A) A cos
A’ ‘ Im( A) A sin
— реальная часть комплексного числа А
— мнимая часть комплексного числа А
+j (Im)
A ( A’ ) 2 ( A’ ‘ ) 2 -модуль к. числа
A Ae j
A’’
j
e cos j sin -формула Эйлера
arg(A)
-аргумент комп. числа
0
+1 (Re)
A’
2
Комплексные числа
A »
arctg ‘ , 0; если A’ 0
A
A »
arctg ‘ , 0; если A’ 0
A
e j -оператор поворота
Умножение любого числа на ej поворачивает вектор на угол
Умножение любого числа на e j /2 поворачивает вектор на угол 90° против(по)
часовой стрелки
+j
A Ae j
A1 Ae
j
e
j
2
+1
0
A2 Ae j e
j
2
3
Два числа имеющие одинаковые модули и разнознаковые
аргументы называются сопряженными числами.
Комплексное число:
Сопряженное число:
Умножение:
) A’ jA’ ‘ Ae j
A(A
*
A A’ jA’ ‘ Ae j
*
A A2
A
При сложении (вычитании) комплексных чисел удобно воспользоваться
алгебраической формой записи:
jarctg 1418
2
2 j 52
j 52
A1 14 18 j A1 e
14 18 e
22,8e
jarctg 37
2
2 j 58
j 58
23
A 2 23 37 j A 2 e
23 37 e
43,57e
j 27
A1 A 2 14 23 j ( 18 37) 37 j19 41,2e
При умножении и делении удобнее пользоваться показательной
формой записи
B 140e j 78
1
17,5e j 36
B
1
j 78
B
140 j ( 78 36)
j ( 42 )
B 1 140e
e
8e
8 cos 42 j8 sin 42 5,95 j 5,35
3
B
17,5e j 36 17,5
2
В векторной форме:
+j
A2 43,57e j 58
37
A1 A2 41,2e j 27
19
14
+1
23
0
-18
37
A1 22,8e j 52
5
Ток и напряжение в комплексной форме:
Рассмотрим синусоидальный ток
i (t ) I m sin( t i )
Комплексное число
I m e j ( t i ) I m e j i e j t I m e j t
Обведенные выражения соответствуют
максимальному току Im и начальной фазе i
которая вращается с угловой скоростью .
Если воспользуемся формулой Эйлера
I m e j ( t i ) I m cos( t i ) jI m sin( t i )
И сравним полученное выражение с мгновенным током i(t)
i (t ) mI m e j ( t i ) mI m e j ( t )
+j
I m e j ( t i )
t i
+1
Синусоидальный ток равен проекции на мнимую ось (+j) вращающегося вектора
на комплексной плоскости
6
Образы тока, напряжения и ЭДС
Комплексное число
Мгновенное значение
i (t ) I m sin( t i )
u (t ) U m sin( t u )
I
I m e j I cos i jI sin i
2
U m j u
U
e
U cos u jU sin u
2
E m j e
E
e E cos e jE sin e
2
e(t ) Em sin( t e )
Действующие значения
I
Im
2
U
Um
2
E
Em
2
7
Закон Ома для активного сопротивления, индуктивности и емкости в комплексной форме
i 2 I sin( t i )
I Ie j ( t i )
U r Ie j ( t i ) r
u U sin( t u ) I m sin( t i ) r
Закон Ома для r в комплексной форме
dI sin( t i )
uL L m
dt
j ( t i )
d
I
dIe
U L L
j LIe j ( t i ) Ie j ( t i ) jx L
dt
dt
Закон Ома для L в комплексной форме
1
uC
I m sin( t i )dt
C
U r I r
U L I jx L
1
1
U
Ie j ( t i ) dt
Ie j ( t i ) Ie j ( t i ) ( jxC )
C
j C
Закон Ома для C в комплексной форме
U L I jxC
8
Законы Кирхгофа в комплексной форме
Первый Закон Кирхгофа в комплексной форме
Сумма комплексных токов в узле равно нулю
n
I 3
I 1
I k 0
k 1
I 1 I 2 I 3 0
I 2
I 1 3,4 j 5,7
I 2 7,0 j 2,2
I 3 I 1 I 2 3,4 j 5,7 7,0 j 2,2 3,6 j 7,9
Второй Закон Кирхгофа в комплексной форме
Сумма комплексных ЭДС в замкнутом контуре равна сумме комплексных падений
напряжения в этом контуре.
p
n
E U
k
k 1
m
m 1
9
Расчёт электрических цепей комплексными числами
i 2 I sin( t i )
Составим второй закон Кирхгофа для мгновенных значений напряжений:
di 1
u u r u L uC ri L
idt
dt C
Составим второй закон Кирхгофа для образов мгновенных значений напряжений:
U U r U C U L I r I jx L I ( jxC )
I (r jx jx ) I (r j ( x x )) I Z
L
C
L
C
Закон Ома в комплексной форме для действующих значений
U
I
Z
Z –комплексное сопротивление
Z r j ( x L xC ) r jx
10
Последовательное соединение активного сопротивления, реальной катушки
индуктивности и реального конденсатора
Комплексные сопротивления
элементов:
Z1=r
Z2=rC — jxC
Z3=rk+jxL
Zэкв= Z1+ Z2 + Z3 = r+ rC — jxC + rL + jxL
Zэкв= (r + rL + rC )+j(xL — xC )
rэкв
xэкв
rэкв
xэкв
Комплексное эквивалентное сопротивление:
Zэкв =rэкв +jxэкв
Zэкв
Последовательное соединение активного сопротивления, реальной катушки
индуктивности и реального конденсатора (пример)
i 7,07 sin(314t 30 )
R 27 Ом;
rC 3 Ом;
rL 10 Ом;
xC 67 Ом;
xL 37 Ом;
Найти u(t)
Комплекс действующего тока
I
Im
2
Комплекс напряжение найдем по закону Ома
e j 30 5e j 30 А
Экв. комплексное сопротивление
Z ( R rC rL ) j ( xL xC )
(27 3 10) j (37 67) 40 j 30 Ом
Мгновенное значение u(t)
U I Z 5e j 30 (40 j 30)
5e
j 30
50e
j 37
250e
j 7
Амплитуда Um
U m U 2 250 2 353,55 B
u 353,55 sin(314t 7 )

Методы расчета сложных электрических цепей

Методы расчета сложных электрических цепей

Сложной электрической цепью называют разветвленную цепь с несколькими источниками электрической энергии. Применение методов эквивалентных преобразований в таких цепях, как правило, не эффективно, так как не позволяют упростить ее до одноконтурной цепи или цепи с двумя узлами. Для расчета таких цепей используют более общие методы.

Метод непосредственного применения законов Кирхгофа

Метод заключается в составлении системы уравнений с применением первого и второго законов Кирхгофа для заданной электрической цени, решение которой позволяет определить токи всех ветвей цепию.

Реализация этою метода, как и любого другого метода расчета сложной электрической цени, начинается с предварительного анализа ее схемы с целью определения числа узлов , числа ветвей , числа независимых контуров , числа ветвей с источниками токов, выяснения возможности упрощения схемы.

Прежде всего определяют число неизвестных токов, которое равно — . Для каждой ветви задают положительное направление тока.

Далее по первому закону Кирхгофа составляют — 1 независимых уравнений.

Затем по второму закону составляют уравнений. При этом выбирают независимые контуры, не содержащие источников тока.

Общее число составленных по первому и второму законам Кирхгофа должно быть равно числу неизвестных токов.

Рассмотрим применение законов Кирхгофа для определения токов в ветвях цепи, схема которой приведена на рис. 1.25. Пусть ЭДС идеальных источников напряжения , сопротивления . Требуется определить все токи схемы с помощью метода непосредственного применения законов Кирхгофа.

Схема содержит 6 ветвей с неизвестными токами и четыре узла. Па схеме узлы обозначены арабскими цифрами, показаны принятые направления токов и направления обхода контуров А, Б и В.

Составим систему из 6 уравнений. Уравнения по первому закону Кирхгофа запишем для узлов 1, 2, 3, уравнения по второму закону Кирхгофа запишем для контуров А, Б, В:

Решив эту систему уравнений, получим . Отрицательное значение тока , указывает на то, что выбранное при составлении уравнений направление этого тока не соответствует действительности. Правильное направление — от узла 3 к узлу 4.

Для проверки вычислений с помощью программы схемотехнического моделирования Micro Сар выполнен анализ по постоянному току схемы, изображенной на рис. 1.25. Изображенные на рис. 1.26,а значения токов ветвей (в мА) подтверждают правильность выполненных расчетов. Изображенные на рис. 1.26,б узловые потенциалы схемы (в В) позволяют определить направление токов ветвей.

Метод контурных токов

Метод контурных токов наиболее часто применяется на практике для расчета сложных цепей, так как он позволяет находить все неизвестные величины при числе уравнений, меньшем числа неизвестных величин.

По этому методу в каждом независимом контуре схемы вместо действительных токов в ветвях вводят условный контурный ток. Действительный ток в любой ветви, принадлежащей только одному контуру, численно равен контурному току. Действительный ток в любой ветви, принадлежащей нескольким контурам равен алгебраической сумме контурных токов, проходящих через эту ветвь.

Уравнения для расчета контурных токов составляются по второму закону Кирхгофа. При этом учитываются напряжения на всех пассивных элементах контура от собственного контурного тока и в смежных элементах -от контурных токов соседних контуров. Направление контурного тока в независимом контуре выбирают произвольно. Направление обхода контура обычно выбирают совпадающим с направлением собственного контурного тока.

Падение напряжения при прохождении тока смежного контура в элементе принимают положительным, если направление тока в смежном контуре совпадает с направлением обхода, Если направление тока смежного контура не совпадает с направлением обхода, падение напряжения считают отрицательным. Значение ЭДС берется со знаком плюс, если направление обхода контура совпадает с положительным направлением ЭДС, и со знаком минус — если не совпадает.

Метод контурных токов рассмотрим на примере схемы электрической цепи, изображенной на рис. 1.27. Схема имеет три независимых контура: А, Б, В. Через сопротивления каждого контура проходит свой контурный ток . Направления обхода каждого контура совпадает с направлением контурного тока этого контура. ЭДС идеальных источников напряжения , сопротивления и .

Уравнения, составленные по второму закону Кирхгофа, для контуров А, Б и В:

Подставив в эту систему уравнений численные значения ЭДС источников и сопротивлений и решив ее, получим

Действительные токи ветвей схемы:

Полученные значения полностью совпадают с результатами ранее проделанного расчета этой же цени по методу непосредственного применения Законов Кирхгофа.

Метод узловых потенциалов

Потенциал любой точки электрической цепи определяется напряжением между данной точкой и точкой цепи с потенциалом равным нулю.

Метод узловых потенциалов заключается в том, что вначале полагают равным нулю потенциал некоторого базисного узла и для оставшихся ( -1) узлов составляют уравнения по первому закону Кирхгофа: алгебраическая сумма токов всех ветвей, подключенных к рассматриваемому узлу равна нулю. При этом токи ветвей, соединяющих узлы, определяются с помощью обобщенного закона Ома. Решив полученную систему уравнений, определяют потенциалы узлов.

Далее, применив обобщенный закон Ома для ветвей, определяют искомые токи.

Метод узловых потенциалов рассмотрим на примере схемы электрической цепи, изображенной на рис. 1.28 (я). В этой схеме ЭДС идеальных источников напряжения , сопротивления и .

Схема имеет четыре узла. Примем потенциал узла 3 . Составляем уравнения по методу узловых потенциалов. Сумма токов узла 1 приравнивается нулю. Ток каждой ветви, подключенной к узлу 1, записывается в соответствии с обобщенным законом Ома

Аналогично для узла 2

и для узла 4

Подставив в полученную систему уравнений численные значения ЭДС источников и сопротивлений и решив ее, получим ., полученными при выполнении с помощью программы Micro-Сар анализа по постоянному току схемы, изображенной на рис. 1.28,а.

Применив обобщенный закон Ома для каждой ветви схемы, получим искомые токи:

Полученные значения токов совпадают с результатами расчета этой цепи методом непосредственного применения законов Кирхофа и методом контурных токов.

Направления найденных токов указаны на графе цепи на рис. 1.28,6. Графом цепи называют такое изображение схемы электрической цепи, в котором все ветви заменены линиями, источники напряжения закорочены, а источники тока разомкнуты. Все ветви и все узлы сохраняются.

Метод узловых потенциалов имеет преимущество перед методом контурных токов в том случае, когда число уравнений, записанных по первому закону Кирхгофа, меньше числа уравнений, записанных по второму закону Кирхгофа.

Метод двух узлов является частным вариантом метод узловых потенциалов. Он применяется в тех случаях, когда анализируемая схема содержит только два узла (для определенности узлы и ) и большое число параллельных ветвей, содержащих и не содержащих источники ЭДС. Согласно методу двух узлов межузловое напряжение

где — алгебраическая сумма произведений ЭДС ветвей (ЭДС считаются положительными, если они направлены к узлу , и отрицательными, если от узла к узлу ) на проводимости этих ветвей; — сумма проводимости всех ветвей, соединяющих узлы и .

Эта теория взята со страницы помощи с заданиями по электротехнике:

Помощь по электротехнике

Возможно эти страницы вам будут полезны:

Правила Кирхгофа. Их применение к расчёту электрических цепей. | Основы физики сжато и понятно

Правила Кирхгофа. Их применение к расчёту электрических цепей.

При расчётах сложных цепей постоянного тока можно применять следующие методы:

1. Если можно, то представляют электрические цепи в виде последовательных и параллельных соединений сопротивлений. Как находится общее сопротивление при таких соединениях нам известно, тогда сложная задача превращается в простую.

2. Пользуются законом Ома для неоднородного участка цепи (содержащего источник тока). Применение этого метода рассмотрим в следующей статье. (Неоднородным называется участок цепи, включающий в себя источник тока. Здесь надо учитывать, что ток, протекающий по участку, определяется не только разностью потенциалов между концами участка, но и ЭДС источника.)

3. Применяют метод узловых потенциалов.(Этот метод заключается в том, что потенциал одного узла в цепи приравнивают к нулю, а потенциалы других узлов сравнивают с ним. Учитывая, что алгебраическая сумма токов в узле равна нулю, находят токи, а затем потенциалы узлов).

4. Применяют правила Кирхгофа.(Первое правило: Алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна нулю. Второе правило: Алгебраическая сумма произведений тока на сопротивление участка контура равна алгебраической сумме ЭДС в контуре).

Правила Кирхгофа. Их применение к расчёту электрических цепей.Правила Кирхгофа. Их применение к расчёту электрических цепей.

Иногда уравнений получается много. Чтобы уменьшить число уравнений, пользуются методом контурных токов. О методе контурных токов, его применении будет сказано в следующей статье.

Решите следующую задачу, применив правила Кирхгофа:

Правила Кирхгофа. Их применение к расчёту электрических цепей.

Ответ: 0,8 В

К.В. Рулёва

Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Пишите комментарии. Сообщите друзьям о существовании этого канала.

Предыдущая запись: Применение метода узловых потенциалов к расчёту цепей постоянного тока.

Следующая запись: Метод контурных токов.

Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1.

Ссылки на занятия (статьи), начиная с электростатики, даны в конце Занятия 45.

Электроника и ее приложения | Определение и история

Электроника — это прикладная форма науки, которая имеет дело с электронами. Он работает с электрическими цепями, содержащими активные элементы, пассивные элементы и другие базовые технологии, что делает его важной частью техники. Мир растет быстрыми темпами, и энтузиастам технологий важно обновляться с последними изменениями, происходящими в обществе. Более того, без электронных гаджетов сложно провести несколько часов, и они стали важной частью нашей повседневной жизни.

Потребность в электронике

Мы живем в эпоху электроники, когда роботы-машины способны выполнять человеческую работу с большей легкостью и высокой эффективностью. Капсулы и таблетки содержат беспроводные датчики, которые собирают информацию от тела для диагностики. Прозрачные смартфоны появятся в ближайшие дни, мы сможем видеть сквозь них, и они могут привести к использованию окон или зеркал в нашем доме, которые будут использоваться в качестве экранов ПК и телевизионных мониторов. Датчики размещаются на растениях, чтобы обнаруживать нехватку воды и предупреждать фермеров.

Помимо вышеперечисленных приложений, существует множество электронных приложений, которые изменят нашу повседневную жизнь в ближайшем будущем.

Электронные устройства состоят из активных и пассивных элементов и памяти IC меньшего размера. ИС, диоды и транзистор изготовлены из полупроводниковых материалов, и их работа зависит от протекающего через них тока.

История электроники

  • Вакуумный диод Изобретен Джоном Амброузом Флемингом

Эпоха электроники началась с изобретения вакуумного диода в 1897 году.Вакуумная трубка по существу состоит из двух электродных пластин, то есть анода и катода. Это позволяет текущему направлению в одном направлении. Но этот диод не способен контролировать протекающий ток. В 1906 году Lee De Forest модифицировал его и назвал его вакуумным триодом. Триод имеет 3 контакта. Анод, катод и сетевой терминал. Сетчатый электрод регулирует ток от анода к катоду. Эта функция может повысить мощность электрических сигналов. Точно так же эволюционировали Tetrode и Pentode.

  • Транзистор – Изобретен Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли

Настоящее развитие началось с изобретения транзистора в 1948 году в Bell Laboratories.Большие громоздкие вакуумные диоды заменены переходным транзистором.

Транзисторы

изначально изготавливаются из германиевого материала, а позже из кремния BJT (транзистор с биполярным переходом). Большинство разрабатываемых сегодня устройств состоят из кремния только из-за его низкой стоимости.

  • ИС (интегральная схема) – Джек Килби

Чтобы уменьшить размер и стоимость всей схемы, Джек Килби представил новую концепцию. Эта идея полностью изменила мир.Полная взаимосвязанная схема размещена на одном чипе, обычно называемом VLSI (Very Large Scale Integrated). Используемые сегодня компьютерные процессоры состоят из миллиардов транзисторов, интегрированных в одну микросхему.

Что такое электроника?

«Электроника», как следует из названия, относится к электронам. Слово «электроника» произошло от электронной механики (поведение электрона, когда на него воздействуют внешние поля).

Определение электроники технически гласит: «Электроника — это инженерная отрасль, связанная с протеканием тока через полупроводник, газ или любую форму материи.

Применение в электронике
  1. Бытовая электроника

Эта отрасль наиболее применима к простым людям. Бытовая электроника — это устройства и оборудование, предназначенные для повседневного использования. Это снова классифицируется как:

Офисные гаджеты , такие как калькуляторы, персональные компьютеры, сканеры и принтеры, факсимильный аппарат, фронтальный проектор и т. д.

Бытовая техника , такая как стиральная машина, холодильник, кондиционер, микроволновая печь, пылесос и т. д.

Аудио- и видеосистемы , такие как наушники, видеомагнитофоны, DVD-плееры, цветные телевизоры, микрофоны и громкоговорители, игровые приставки.

Усовершенствованные потребительские устройства , такие как установочный блок, банкомат, посудомоечная машина, смартфоны, КПК ( персональный цифровой помощник ), сканеры штрих-кода, POS-терминалы.

Запоминающие устройства для оптического воспроизведения и записи на пленку, а также портативные информационно-развлекательные устройства. Примерами являются DVD, музыкальный автомат с жестким диском, портативный MP3-плеер.

  1. Промышленная электроника

Эта отрасль сильна в автоматизации в реальном времени.В том числе:

Промышленная автоматизация и управление движением, Машинное обучение, управление приводом двигателя, Мехатроника и робототехника, Технологии преобразования энергии, Фотогальванические системы, Применение возобновляемых источников энергии, Силовая электроника и Биомеханика.

Интеллектуальные энергосистемы

Интеллектуальные электрические системы собирают информацию от коммуникационных технологий и реагируют соответствующим образом в зависимости от энергопотребления. Это приложение интеллектуальных, вычислительных и сетевых систем электроснабжения.

Пример : Интеллектуальные счетчики

Характеристики интеллектуальной сети

  • Цифровая система на основе двусторонней связи
  • Интерактивные датчики
  • Самоконтроль и отладка
  • Действительный Распределение электроэнергии
Промышленная автоматизация и управление движением

В наши дни машины заменяют людей, увеличивая производительность, время и затраты. Кроме того, безопасность также считается для неуправляемых работ.Следовательно, чтобы делегировать полномочия человека, автоматизация стала предпочтительным выбором для промышленности.

Обработка изображений

3D-мир был создан из одного или нескольких 2D-изображений. Разработаны различные алгоритмы для извлечения 3D-информации из 2D-шаблонов.

Кроме того, обработка изображений включает компьютерную графику, искусственный интеллект, робототехнику для навигации, проверку и сборку, компьютерное зрение для распознавания лиц и жестов, виртуальную реальность, медицинский анализ.

  1. Медицинские приложения

Разрабатываются передовые сложные инструменты для записи данных и физиологического анализа. Доказано, что они более полезны при диагностике заболеваний и в лечебных целях.

Некоторые из используемых медицинских устройств и оборудования:

  • Стетоскоп для прослушивания внутренних звуков, происходящих внутри тела человека или животного
  • Мониторы дыхания для определения состояния пациента по изменению температуры тела, пульса, дыхания и кровотока.
  • Дефибриллятор вызывает электрический шок в мышцах сердца и возвращает сердце в нормальное рабочее состояние.
  • Глюкометр для измерения уровня сахара в крови.
  • Электрокардиостимулятор для уменьшения и увеличения частоты сердечных сокращений.
  1. Метеорологические и океанографические

Мониторинг окружающей среды осуществляется с помощью различных датчиков и автоматических метеостанций.Некоторые из них:

  • Барометр для предсказания хорошей или плохой погоды. Он дает уровень атмосферного давления в качестве индикации. Если уровень давления высокий, то погода хорошая, а если давление низкое, значит, погода плохая.
  • Анемометр измеряет скорость и направление ветра
  • Опрокидывающееся ведро Дождемер для измерения количества осадков, периодически сохраняемый в автоматической метеостанции, такой как регистратор данных.
  • Гигрометр Измерение влажности
  • Дрифтерный буй измеряет уровни течения, температуры и давления в океане

Источник: eri.u-tokyo.ac.jp

  • Регистратор данных для хранения данных, полученных от различных датчиков, таких как влажность, температура, скорость и направление ветра, солнечное излучение, шкала дождя.
  1. Оборонная и аэрокосмическая промышленность

Оборонные и авиационные приложения включают:

  • Системы запуска ракет
  • Ракетные установки для космоса
  • Самолетные системы
  • Контроллеры кабины
  • Военные радары
  • Барьер стрелы для военного применения
  1. Автомобилестроение (автомобили)

Источник: Hughes Telematics, Inc

  • Блок предотвращения столкновений
  • Информационно-развлекательная консоль
  • Антиблокировочная тормозная система
  • Круиз-контроль
  • Контроль тяги
  • Стеклоподъемники
  • Электронный блок управления (ЭБУ)
  • Управление подушкой безопасности

Заключение

Электроника имеет большой размах и без электронных гаджетов наша повседневная жизнь невозможна.Технологии в области полупроводников быстро развиваются, и модернизированные электронные приложения изменят мир.

важность схемы и ее применения

схема

Цепь определяется как полный и замкнутый путь, по которому может течь циркулирующий электрический ток. Также может означать систему электрических проводников и компонентов, образующих такой путь. Каждый раз, когда вы щелкаете (работающим) выключателем, вы замыкаете цепь и позволяете электрическим токам делать свое дело.

Одним из основных видов электрических цепей являются силовые цепи. Эти цепи передают и контролируют большое количество электроэнергии. Если вам интересно, другой основной тип схемы — это электронная схема, которая обрабатывает и передает информацию (они используются в компьютерах, телевизорах, сотовых телефонах и т. д.).

Существуют две основные функции схемы:

1. Передача и преобразование электрической энергии.

2. Передача и обработка сигналов.

Типы цепей

ЗАКРЫТЫЕ И ОТКРЫТЫЕ ЦЕПИ

Замкнутая цепь имеет полный путь. Разомкнутой цепи нет. Чтобы цепь работала, она должна быть замкнута; таким образом, открытые цепи не работают. Поначалу это может быть трудно понять, но трассы сильно отличаются от открытых ресторанов или открытых дверей. Когда цепь разомкнута, ток не может течь.

КОРОТКИЕ ЗАМЫКАНИЯ

Короткое замыкание — это цепь, которая позволяет току проходить по непреднамеренному пути.Таким образом, он встречает небольшое сопротивление (или не встречает его вообще). Участок цепи, обойденный коротким замыканием, может перестать функционировать, и может начать протекать большой ток. Это приводит к нагреву проводов и потенциально может привести к пожару. Автоматические выключатели и блоки предохранителей устанавливаются для отключения цепей в качестве меры безопасности при возникновении короткого замыкания. Короткое замыкание — это не просто какая-то электрическая неисправность, как считают некоторые.

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ И ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ ЦЕПИ

Серия:

Последовательная цепь представляет собой цепь, в которой один и тот же ток протекает через все компоненты цепи.У течения есть только один путь. Если у вас когда-либо возникали проблемы с рождественскими гирляндами, возможно, вы немного знаете о последовательных схемах. Если огни построены в последовательной цепи (как многие праздничные огни), когда одна лампочка отсутствует или перегорела, ток не может течь, и огни не включатся. Последовательные схемы могут быть очень неприятными, потому что, если они не работают, вам нужно выяснить, какая часть отвечает за целое.

Текущий

В последовательной цепи ток одинаков для всех элементов.

Напряжение

В последовательной цепи напряжение представляет собой сумму падений напряжения на отдельных компонентах (единицах сопротивления).

Единицы сопротивления

Общее сопротивление последовательно соединенных блоков сопротивления равно сумме их индивидуальных сопротивлений:

Rs=>Последовательное сопротивление

Электрическая проводимость обратно пропорциональна сопротивлению. Таким образом, общая проводимость последовательных цепей из чистых сопротивлений может быть рассчитана из следующего выражения

Для частного случая двух последовательных сопротивлений общая проводимость равна:

Катушки индуктивности

Катушки индуктивности подчиняются тому же закону в том, что общая индуктивность последовательно соединенных катушек индуктивности равна сумме их индивидуальных индуктивностей

Конденсаторы

Конденсаторы следуют тому же закону, используя обратные величины.Суммарная емкость последовательно соединенных конденсаторов равна обратной сумме обратных величин их отдельных емкостей.

Элементы и батареи

Батарея представляет собой набор гальванических элементов. Если элементы соединены последовательно, напряжение батареи будет суммой напряжений элементов. Например, 12-вольтовый автомобильный аккумулятор содержит шесть последовательно соединенных двухвольтовых элементов. Некоторые транспортные средства, например грузовики, имеют две последовательно соединенные 12-вольтовые батареи для питания 24-вольтовой системы.

Параллельно:

Параллельная цепь — это цепь, в которой компоненты расположены таким образом, что ток должен разделиться (с битами, протекающими по каждой параллельной ветви), прежде чем снова встретиться и объединиться. Поскольку ток делится, каждому компоненту гарантирован заряд. И если один путь сломается, другие пути все равно будут работать, потому что они не зависят друг от друга. (Итак, если вы ищете новые рождественские гирлянды, убедитесь, что они подключены к параллельной схеме, чтобы избежать хлопот.) Дома всегда строятся с параллельными цепями, так что если перегорит один свет, весь дом не потеряет электричество.

Напряжение

В параллельной цепи напряжение одинаково для всех элементов.

Текущий

Ток в каждом отдельном резисторе находится по закону Ома. Вычитание напряжения дает.

Единицы сопротивления

Чтобы найти общее сопротивление всех компонентов, сложите обратные величины сопротивлений Ri каждого компонента и возьмите обратное значение суммы.Общее сопротивление всегда будет меньше значения наименьшего сопротивления.

Катушки индуктивности

Катушки индуктивности следуют тому же закону, в котором общая индуктивность не связанных параллельно катушек индуктивности равна обратной сумме обратных величин их индивидуальных индуктивностей.

Конденсаторы

Суммарная емкость параллельно включенных конденсаторов равна сумме их индивидуальных емкостей.

Рабочее напряжение параллельной комбинации конденсаторов всегда ограничивается наименьшим рабочим напряжением отдельного конденсатора.

Элементы и батареи

Если элементы батареи соединены параллельно, напряжение батареи будет таким же, как и напряжение элемента, но ток, подаваемый каждым элементом, будет частью общего тока. Например, если батарея состоит из четырех одинаковых элементов, соединенных параллельно, и выдает ток в 1 ампер, ток, выдаваемый каждым элементом, будет равен 0,25 ампера. Если элементы не идентичны, элементы с более высоким напряжением будут пытаться заряжать элементы с более низким напряжением, потенциально повреждая их.

Батареи, соединенные параллельно, широко использовались для питания нитей накала ламп в портативных радиоприемниках. Литий-ионные аккумуляторы (особенно аккумуляторы для ноутбуков) часто подключают параллельно, чтобы увеличить номинал в ампер-часах. Некоторые солнечные электрические системы имеют параллельные батареи для увеличения емкости аккумулятора; близкое приближение к общему количеству ампер-часов — это сумма всех ампер-часов параллельно включенных батарей.

Параллельная цепь серии

Используется для защиты цепи при использовании в большинстве бытовых

Подключение плавких предохранителей и автоматических выключателей к электропроводке

Последовательно с подключенными приборами

Чем полезны последовательные цепи?

В последовательной цепи, если лампа разбивается или отсоединяется компонент, цепь размыкается и все компоненты перестают работать.Последовательные цепи полезны, если вы хотите получить предупреждение о том, что один из компонентов в цепи вышел из строя. Они также используют меньше проводки, чем параллельные цепи. Есть несколько применений, но некоторые из распространенных: если мы хотим увеличить уровень напряжения, мы подключаем батареи последовательно.

Чем полезны параллельные цепи?

Две лампочки в простой параллельной цепи питаются от полного напряжения батареи. Вот почему лампы в параллельной цепи будут ярче, чем в последовательной.Еще одним преимуществом параллельной схемы является то, что если один контур отключается, другой остается под напряжением.

Приложения:

Функция цепи варьируется в зависимости от того, что мы хотим, чтобы цепь выполняла: Электрическая цепь может использоваться для передачи электроэнергии для обеспечения электрического освещения, для запуска электродвигателей, для перезарядки аккумуляторных батарей, для обеспечения тепла для отопления, для приготовления пищи , для плавления металлов, для мониторинга условий, например, в системах сигнализации, для хранения данных для запуска диагностического медицинского оборудования, для запуска электромобилей, тележек и машин, включения реле, включения двигателя, включения лампочки, включения iPhone, сварить кусок металла и т.д.Существуют буквально тысячи задач, для решения которых предназначены электрические цепи. Использование электрических цепей безгранично.

Схемы электрических цепей: приложения и примеры

Общие символы, используемые в схемах электрических цепей
Пример электрической схемы с резисторами и батареей. Стрелки представляют ток в разных ветвях цепи.

Закон Ома

Представьте, что у вас есть простая электрическая цепь, в которой одна батарея подключена к одной лампочке.Что произойдет, если вы удвоите напряжение, добавив вторую батарею? Свет, вероятно, будет примерно в два раза ярче, верно? Свет будет выглядеть ярче, потому что ток, проходящий через него, будет увеличиваться при увеличении напряжения.

Существует простая зависимость, известная как закон Ома, между током, напряжением и сопротивлением для многих типов резисторов. Используя закон Ома вместе с принципиальной схемой, вы можете определить ток через любой резистор в цепи.

Закон Ома:

Объединение резисторов в серии

Довольно легко понять, как использовать закон Ома для расчета тока в цепи, когда у вас есть только один резистор, но что произойдет, если у вас в цепи будет более одного резистора? Если у вас есть несколько резисторов, вы должны упростить схему, заменив все резисторы одним единственным резистором, который имеет тот же эффект, что и все остальные резисторы вместе взятые.Сопротивление этого одного резистора известно как эквивалентное сопротивление ( Req ) цепи.

Если между резисторами нет соединений и все они находятся в одной ветви цепи, то говорят, что резисторы находятся в ряду друг с другом. Для резисторов, соединенных последовательно, найдите эквивалентное сопротивление, просто сложив сопротивление каждого резистора.

Например, схема на приведенной ниже схеме содержит три последовательно соединенных резистора.Вы можете найти эквивалентное сопротивление, просто сложив сопротивления каждого из них.

Получив эквивалентное сопротивление, вы можете использовать закон Ома, чтобы найти полный ток в цепи.

Поскольку в такой цепи ток течет только по одному пути, через все три резистора должен протекать одинаковый ток.

Параллельное соединение резисторов

На приведенной ниже схеме три резистора теперь соединены параллельно друг с другом.Ток в проводе, идущем от батареи, должен разделиться на три пути, чтобы пройти через каждый параллельный резистор. В отличие от резисторов, соединенных последовательно, резисторы, соединенные параллельно, НЕ пропускают через себя одинаковый ток. Однако сумма токов, проходящих через каждый резистор, должна равняться общему току, проходящему через батарею.

Чтобы найти общий ток, вы можете еще раз вычислить эквивалентное сопротивление для всей цепи. Когда резисторы соединены параллельно, общее сопротивление цепи будет меньше, чем сопротивление любого одного резистора.

Вы заметили, что нам пришлось перевернуть дробь на последнем шаге, чтобы найти эквивалентное сопротивление? Это необходимо, потому что Req находится в знаменателе, поэтому вам нужно перевернуть его, чтобы поместить в числитель.

Получив эквивалентное сопротивление, вы можете использовать закон Ома, чтобы найти общий ток, как вы это делали, когда резисторы были соединены последовательно.

Чтобы найти ток в каждом резисторе, вы также можете использовать закон Ома! Поскольку эти резисторы включены параллельно, напряжение на каждом резисторе равно напряжению на аккумуляторе (в данном случае 3 В).Вы можете использовать это напряжение и сопротивление каждого резистора, чтобы найти ток через каждый из них.

Давайте проверим и убедимся, что эти токи действительно составляют общий ток.

Да! Всегда полезно проверить, равны ли эти токи, чтобы убедиться, что вы не ошиблись.

Резюме урока

Электрические принципиальные схемы используют символы для представления частей электрической цепи.Они показывают, как подключить цепь и заставить ее работать, а также могут использоваться для определения тока в различных частях цепи. На принципиальной схеме могут быть показаны резисторы, которые соединены либо последовательно , либо параллельно . Когда резисторы соединены последовательно, ток через каждый резистор будет одинаковым. Когда резисторы соединены параллельно, ток через каждый резистор будет разным, но напряжение на каждом будет одинаковым.

Чтобы найти полный ток в цепи, сначала определите эквивалентное сопротивление , а затем используйте закон Ома, чтобы найти полный ток.

Электрические и электронные устройства, схемы и материалы: проектирование и

Содержание

Глава 1. Конструкция полевого МОП-транзистора и его оптимизация для маломощных приложений

П. Вимала, М. Картигай Пандиан и Т. С. Арун Самуэль

Глава 2 Оценка ВЧ/аналоговых характеристик и линейности полевого транзистора Step-FinFET при изменении температуры

Раджеш Саха, Бринда Бхоумик и Шриманта Байшья

Глава 3 Проектирование памяти с низким энергопотреблением для систем с поддержкой IOT: часть 1

Адиба Шариф, Сайид Ахмад и Наушад Алам

Глава 4 Проектирование памяти с низким энергопотреблением для систем с поддержкой IoT: часть 2

Шилпи Бирла, Неха Сингх и Н.К. Шукла

Глава 5. Оценка производительности нового беспереходного полевого МОП-транзистора с двойным затвором, предназначенного для датчиков излучения и маломощных цепей

Дипанджан Сен, Биджой Госвами, Ануп Дей и Субир Кумар Саракар

Глава 6 Технологические проблемы и решения для усовершенствованных полевых МОП-транзисторов

С. Бхаттачерджи

Глава 7 Основы и технология устройства накопления энергии

Химаншу Приядарши, Ашиш Шривастава и Кулвант Сингх

Глава 8 Аккумуляторы энергии

М.Картигай Пандиан, К. Сараванакумар, Дж. Дханасельвам и Т. Чиннадурай

Глава 9 Эвристический подход к моделированию и управлению автоматическим регулятором напряжения (АРН)

Ришаб Сингхал, Абхиманью Кумар и Сувик Гангули

Глава 10 Моделирование пониженного порядка и управление одномашинной системой с бесконечными шинами с помощью оптимизатора Gray Wolf (GWO)

Ришаб Сингхал, Саумьядип Хазра, Саухард Сетхи и Сувик Гангули

Глава 11 Интернет вещей (IoT) с проблемами и развитием энергетического сектора

Арун Кумар и Шарад Шарма

Глава 12 Автоматические и эффективные электромобили на основе IoT и их система управления батареями: краткий обзор и направления на будущее

Параг Ниджхаван, Маниш Кумар Сингла и Сувик Гангули

Глава 13 Гибридный подход к уменьшению порядка моделей и проектированию контроллеров крупномасштабных энергетических систем

Ришаб Сингхал, Яшонидхи Шривастава, Шини Агарвал, Абхиманью Кумар и Сувик Гангули

Глава 14 Прогнозирование цен на электроэнергию на сутки вперед для эффективной работы коммунальных предприятий с использованием подхода с использованием глубоких нейронных сетей

К.Арья и К.Р.М. Виджая Чандракала

Глава 15 МЭМС-устройства и сенсоры на основе тонкой пленки ……. 245

Ашиш Тивари и Шасанка Сехар Раут

Глава 16 Структурные, оптические и диэлектрические свойства модифицированного ба SrSnO3 для применения в электрических устройствах

Адитья Кумар, Бушра Хан, Манодж К. Сингх и Упендра Кумар

Глава 17 Изготовление и определение характеристик тонких пленок нанокристаллического сульфида свинца (PbS) на ткани для применения в гибких фотодетекторах

Кинджал Патель, Джеймин Рэй и Свити Панчал

Глава 18 Влияние жесткости на повышение чувствительности МЭМС-датчика силы с использованием прямоугольного лопаточного кантилевера для микроманипуляций

Моника Ламба, Химаншу Чаудхари и Кулвант Сингх

Глава 19 Последовательная адсорбция ионного слоя и реакция осаждения тонкой пленки ZnS-ZnO Характеристика

Сампат Г.Дешмукх, Рохан С. Дешмукх, Ашиш К. Панчал и Випул Кхерай

Глава 20 Современное состояние технологии виртуального изготовления пьезорезистивного датчика давления МЭМС

Самридхи и Парвей Ахмад Алви

Глава 21 Роль водных электролитов в работе электрохимических суперконденсаторов

Пракаш Чанд

Глава 22 Графен для гибких электронных устройств

С.Двиведи

Глава 23 Технология гибкого микрофлюидного биосенсора

Суприя Ядав, Махеш Кумар, Кулвант Сингх, Нити Нипун Шарма и Джамиль Ахтар

Полимеры и композиты | Электрические и электронные устройства

Декабрь 2018 г.

Возникновение электротехнической и электронной промышленности и появление полимеров как нового класса материалов — явления современности. Электрическое реле, дистанционный переключатель, управляемый электричеством, который был изобретен в 1835 году, было первым электронным устройством.Бакелит, термореактивная фенолформальдегидная смола, разработанная в 1907 году, был первым полностью синтетическим полимером. Таким образом, электрическая и электронная промышленность, а также производство пластмасс развивались одновременно чуть более века.

Термопластичные и термореактивные полимеры и их композиты сегодня все чаще используются в широком спектре электрических и электронных устройств для выполнения самых разных функций.

Основной причиной этой тенденции является поразительная универсальность полимеров, которая позволяет разрабатывать и производить широкий спектр продуктов для удовлетворения самых разных требований применения по приемлемой цене.

Возможность приготовления смесей полимеров, включения многих типов добавок, повышающих эффективность, и получения композитов с полимерной матрицей путем включения армирующих агентов (таких как волокна, пластинчатые наполнители и наполнители в виде частиц) — все это повышает универсальность полимеров далеко за пределами универсальность, обеспечиваемая отдельными полимерами самостоятельно.

Опыт компании Bicerano & Associates в области полимеров и композитов помогает нашим клиентам разрабатывать полимеры и композиты для любого применения, которое им может понадобиться.

Свойства материалов

Существует три очень широких области применения полимеров и композитных материалов в электротехнике и электронике. Различные наборы свойств имеют наибольшее значение в каждой из этих трех областей использования. Некоторые свойства считаются важными во всех областях использования. Поэтому свойства будут обсуждаться в следующих четырех подзаголовках:

  • Электроизоляционные полимеры
  • Полимеры с внутренней проводимостью
  • Клеи, покрытия, герметики и герметики
  • Все полимеры

Электроизоляционные полимеры:

Электропроводность:  

  • Низкая электропроводность является первым требованием при использовании любого материала для обеспечения электрической изоляции.Большинство полимеров по своей природе обладают очень низкой электропроводностью, поэтому полимеры обычно используются в качестве электроизоляционных материалов. Оптимальный выбор полимера для данного применения электроизоляции зависит от деталей этого применения. Например, гибкие полимеры предпочтительны в качестве изоляционных материалов для проводов и кабелей, в то время как жесткие полимеры предпочтительны в качестве корпусов, оболочек и крышек, обеспечивающих как механическую защиту, так и электрическую изоляцию для многих других электрических и электронных компонентов.
  • С другой стороны, в некоторых случаях предпочтительнее начинать с электроизоляционного базового полимера, обладающего хорошими механическими свойствами и долговечностью, а затем придавать этому полимеру некоторую электропроводность путем включения небольшого количества выбранных нанонаполнителей или путем его «легирования». .

Механические и термомеханические свойства: Следующие свойства важны при выборе оптимальных изоляционных материалов, корпусов, оболочек и крышек:

  • Гибкие материалы изоляции и корпуса должны обладать достаточной гибкостью, что означает, что они должны иметь достаточно низкий модуль упругости.Они также должны быть устойчивы к проколам и разрывам и способны выдерживать без повреждений максимальную температуру, которой они могут подвергаться во время использования.
  • Жесткие изоляционные и корпусные материалы должны иметь приемлемые свойства при растяжении, ударопрочность и размерную стабильность, а также способность проявлять приемлемые свойства во всем диапазоне температур, которые могут встречаться при эксплуатации.
    • Модуль упругости, предел текучести (для материалов с пределом текучести) и предел прочности обычно являются наиболее важными свойствами при растяжении.
    • Процентное удлинение при пределе текучести (для материалов с пределом текучести) и предельное удлинение (деформация, при которой материал разрывается) также важны в некоторых случаях применения.
    • Полимеры становятся более хрупкими, поэтому их ударопрочность снижается при понижении температуры. Поэтому очень важно убедиться, что ударопрочность при низких температурах является приемлемой, если во время использования будут встречаться очень низкие температуры.
    • Стабильность размеров обычно описывается с точки зрения температуры тепловой деформации, которая должна превышать максимальную температуру, которая может возникнуть во время использования.
    • На практике иногда проводится различие между максимально приемлемой постоянной рабочей температурой и самой высокой температурой, которой полимер может подвергаться кратковременному воздействию без необратимого повреждения.

Долговечность:   Электрические и электронные устройства широко распространены. Они используются в самых разных местах: от наземной среды мобильного телефона до подводной и космической среды. Они используются в очень жарких и очень холодных местах, в пустынях и тропических лесах, а также в самых загрязненных местах на нашей планете.Поэтому в зависимости от среды использования оценка долговечности может включать определение того, проявит ли продукт достаточную устойчивость к атмосферным воздействиям и старению под влиянием таких факторов, как химическое воздействие (моющие растворы, кислотные дожди, другие загрязняющие вещества и т. д.). .), постоянно высокие уровни относительной влажности, экстремальные температуры, тепловой удар, воздействие УФ-излучения и воздействие высокоэнергетического излучения. Ниже приведены некоторые примеры:

  • Корпуса, кожухи и крышки электрических систем должны выдерживать любое воздействие окружающей среды, с которым они могут столкнуться во время использования.
  • Эластомеры
  • , обладающие превосходной устойчивостью к воздействию окружающей среды, могут использоваться для обеспечения герметичности корпусов, корпусов и крышек электрических систем.
  • В дополнение к материалам корпуса и любым эластомерным экологическим уплотнениям, которые сами по себе устойчивы к факторам окружающей среды, эти материалы также должны быть достаточно непроницаемыми для любых молекул, присутствующих в окружающей среде, которые могут повредить электрические системы, находящиеся в корпусе, если они смогут проникнуть через них.
  • Материалы корпуса сами по себе не должны создавать неблагоприятную среду для электрических систем, в которых они размещены, например, путем выделения летучих молекул, таких как соединения серы или амина, которые могут вызвать коррозию.
  • Композиты с полимерной матрицей
  • используются во многих жестких изоляционных и жилищных конструкциях с высокими требованиями для получения адекватных механических и термомеханических свойств наряду с выдающейся долговечностью. Стеклянные волокна являются наиболее распространенными армирующими агентами в таких композитах.Нанокомпозиты с полимерной матрицей также используются в качестве конструкционных материалов многих корпусов и крышек; таких как корпуса электроинструментов, кожухи газонокосилок и чехлы для портативного электронного оборудования, такого как мобильные телефоны и пейджеры.

Теплопроводность:   Присущая полимерам низкая теплопроводность и вытекающая из них способность обеспечивать теплоизоляцию повышают безопасность многих электроприборов (например, тостеров), в которых полимеры используются для обеспечения охлаждения поверхностей (например, пластиковых или резиновых). ручки) для пользователя, чтобы коснуться.

Огнестойкость: Огнестойкость важна для применения полимеров в электротехнике и электронике. Известным примером использования огнестойкости в качестве критерия выбора материала является широкое использование ПВХ в изоляции проводов и кабелей, где его часто выбирают среди других недорогих гибких полимеров из-за его изначально более высокой огнестойкости, обусловленной атомом хлора в его составе. повторить единицу. Огнезащитные добавки входят в состав многих полимеров, используемых в таких устройствах, как компьютеры, мобильные телефоны, пейджеры, телевизоры, электрические разъемы, печатные платы и кабели.Продолжающиеся исследования и разработки негалогенированных антипиренов обусловлены соображениями экологической устойчивости.

Антистатические характеристики:  Антистатические характеристики также важны для многих применений полимеров в электротехнике и электронике. Очевидным примером является то, что потребитель не хочет получить удар током от мобильного телефона или другого портативного устройства из-за накопления статического электричества на его корпусе. Антистатические добавки часто вводят в полимеры для улучшения их антистатических характеристик.

Полимеры с внутренней проводимостью:

Диапазон электропроводности полимеров с собственной проводимостью (ICP) перекрывается с широким диапазоном неорганических полупроводников и металлических проводников. ICP используются в качестве альтернативы таким традиционным материалам во все большем числе приложений.

Структура повторяющихся звеньев является основным фактором, определяющим электропроводность ВЧД. Цепи ICP обладают делокализованными электронами в ароматических кольцах, в двойных связях или как в ароматических кольцах, так и в двойных связях, сопряженных по всей их длине.

«Легирование» ICP с помощью таких реакций, как окисление или восстановление, может увеличить его проводимость на несколько порядков и сделать его пригодным для применения, для которого исходный нелегированный ICP не имел бы достаточной проводимости. Следовательно, прекурсор ICP является легированным, а не используется в немодифицированной форме во многих приложениях.

Плохая технологичность и высокие производственные затраты являются основными факторами, ограничивавшими использование ИСП во многих крупномасштабных приложениях в прошлом.ICP нельзя обрабатывать непосредственно в расплавленном состоянии. Плохая растворимость также затрудняет обработку растворителями. Наноструктурированные версии ICP, которые образуют дисперсии, которые затем используются при изготовлении устройств, помогают преодолеть такие проблемы обработки. Изготовление с помощью дисперсии (а не с помощью расплава или раствора) должно привести к значительному расширению крупномасштабных применений ИСП.

Токсичность также является ограничивающим фактором для некоторых применений ИСП.

Клеи, покрытия, герметики и герметики:

Клеи: Клеи широко используются в электрическом и электронном оборудовании для соединения компонентов друг с другом.

  • Наиболее важным требованием для любого клея является способность соединять компоненты друг с другом достаточно хорошо, чтобы они оставались связанными друг с другом. Это требование подразумевает, что прочность клея должна быть достаточно высокой для нужд применения, и что клеевое соединение должно выдерживать полный диапазон рабочих температур устройства, а также любые факторы окружающей среды, которым оно может подвергаться во время использования. до тех пор, пока устройство будет использоваться.
  • Полимерные клеи, как правило, имеют низкую электрическую и тепловую проводимость. Эти атрибуты выгодны для большинства электрических и электронных приложений.
  • Однако в некоторых областях электроники требуется использование электро- и/или теплопроводного клея. Такие клеи получают введением электро- и/или теплопроводящих добавок в клей-основу.

Покрытия:  Покрытия используются для защиты электрического и электронного оборудования от повреждений в результате воздействия факторов окружающей среды; таких как влага, пыль, химические вещества, экстремальные температуры, УФ-излучение и высокоэнергетическое излучение.

  • Защитные покрытия должны обладать высокой устойчивостью к факторам окружающей среды, от которых они защищают, и достаточной непроницаемостью, чтобы защитить подложку от воздействия.
  • Конформные покрытия, определяемые как тонкие полимерные пленки, повторяющие контуры подложки, часто предпочтительны для защиты чувствительных компонентов, таких как печатные платы. Конформное покрытие лишь незначительно увеличивает вес детали с покрытием, потому что оно очень тонкое.Некоторые химические вещества, используемые для получения конформных покрытий, аналогичны химическим веществам, используемым для получения клеев.
  • Нанотехнологии ведут к разработке новых покрытий с особенно привлекательными характеристиками. Применение нанокомпозитов с полимерной матрицей включает покрытия, которые обеспечивают как защиту, так и повышенную эстетическую привлекательность. Например, введение оптимальных количеств наноглины повышает прозрачность (оптическую прозрачность) и уменьшает мутность многих полимерных пленок, а также повышает прочность, ударную вязкость, твердость и сопротивление истиранию.Также было показано, что нанокомпозиты с полимерной матрицей можно использовать в тонкопленочных конденсаторах для компьютерных микросхем.

Заливочные составы: Заливочные составы также используются для защиты электрического и электронного оборудования от повреждений. Критерии эффективности, изложенные выше для защитных покрытий, также применимы к герметикам. Основное отличие заключается в том, что если конформные покрытия представляют собой тонкие полимерные пленки, повторяющие контуры подложки, то при использовании заливочного компаунда вся электронная сборка заполняется твердым или гелеобразным компаундом для обеспечения устойчивости к ударам и вибрации, а также для исключения влаги и агрессивных веществ.Следовательно, герметизация приводит к более глубокому защитному слою, но увеличивает вес, поскольку при этом используется больше материала, а также глубина защитного слоя может варьироваться в зависимости от детали, а не быть одинаковой везде. Некоторые химические вещества, используемые в клеях и конформных покрытиях, также предпочтительны для использования в заливочных смесях.

Герметики: Герметики также используются для защиты электрического и электронного оборудования от повреждений. Герметики используются как в промышленных условиях, так и в домашних условиях.Некоторые химические вещества, используемые в клеях, конформных покрытиях и заливочных смесях, также предпочтительны для использования в герметиках.

Все полимеры:

Экологическая устойчивость становится все более важным фактором при выборе материалов. Поэтому важно сравнить ожидаемое воздействие на окружающую среду различных материалов, отвечающих требованиям приложения.

Стоимость и размер прибыли обычно также являются одними из важных факторов при выборе материала среди материалов-кандидатов, которые все соответствуют требованиям к производительности.

Примеры применения

Следующие основные моменты представляют широкий спектр применения полимеров и композитов в электротехнике и электронике. Существует три очень широких области применения полимеров и композитных материалов в электротехнике и электронике. Таким образом, материалы и приложения будут сведены в таблицы под следующими тремя подзаголовками:

  • Электроизоляционные полимеры
  • Полимеры с внутренней проводимостью
  • Клеи, покрытия, герметики и герметики

Электроизоляционные полимеры:

Материалы

Приложения

Гомополимер ацеталя

См. полиоксиметилен

Сополимеры акрилонитрила, бутадиена и стирола (АБС), их смеси ПК/АБС с поликарбонатом и марки, армированные стекловолокном

Корпуса, кожухи и крышки для электрических и электронных устройств, крышки для электрических аккумуляторов, электрические выключатели, распределительные щиты, блоки питания, электронные платы, телефоны, пейджеры, разъемы, ящики для электроинструментов, вентиляторы кондиционеров, детали приборной панели

Целлюлоза

Углеродные нанотрубки могут быть включены в бумагу, которая не является электропроводящей, для получения проводящей бумаги, которую можно пропитать электролитом для получения гибких батарей.Поскольку целлюлоза является основным компонентом бумаги, проводящая бумага представляет собой нанокомпозит с полимерной матрицей. Хотя по состоянию на 2018 год эта технология еще не является коммерческой, она выделена здесь, поскольку она является значительным шагом вперед в новой области гибкой (гибкой) электроники.

Фторполимеры

См. перфторэластомеры (FFKM) и политетрафторэтилен (PTFE)

Органические полимеры нераскрытого патентованного состава

Запатентованная серия расходуемых наполнителей ACCUFLO T-27 от Honeywell представляет собой семейство органических полимеров, приготовленных в экологически чистой системе растворителей, предназначенных для заполнения и выравнивания широкого спектра агрессивных топографий при производстве интегральных схем.

Перфторэластомеры (ФФКМ)

FFKM представляет собой термореактивный (сшитый) эластомер. Детали и уплотнения из FFKM устойчивы к более чем 1800 различным химическим веществам, обеспечивая температурную стабильность до 327 °C. Эти исключительные свойства помогают поддерживать целостность уплотнения, снижают затраты на техническое обслуживание и эксплуатацию, а также повышают безопасность. Основное применение FFKM в электротехнике и электронике заключается в уплотнениях для контроля загрязнения (твердые частицы, выделение газов и экстрагируемые вещества) в процессе производства полупроводниковых микросхем.

Фенольные смолы

Крышки электрических выключателей и розеток

Поли(бутилентерефталат) (ПБТ), включая марки, армированные стекловолокном

PBT легко перерабатывается в расплаве. Он обладает хорошей жесткостью, ударной вязкостью, термостойкостью, стабильностью размеров, влагостойкостью и электроизоляцией. Эти свойства делают PBT отличным выбором для использования в осветительных панелях, разъемах, электрических компонентах, автоматических выключателях, распределительных коробках и оболочках оптоволоконных кабелей.Также доступны негалогенированные марки продуктов, содержащие альтернативные антипирены, чтобы облегчить соблюдение программ утилизации выброшенных электронных продуктов.

Поли(этилентерефталат) (ПЭТФ), включая марки, армированные стекловолокном

ПЭТ представляет собой термопластичный полимер. Его высокая скорость течения расплава позволяет изготавливать тонкостенные и/или миниатюрные детали. ПЭТ, армированный стекловолокном, используется в приложениях, требующих надежных электрических и электронных характеристик; такие как формы катушек, электрическая герметизация, электрические устройства, соленоиды, интеллектуальные счетчики, фотоэлектрические панели, солнечные распределительные коробки, электрические переключатели и другие важные энергетические компоненты.Он легкий, жесткий, устойчивый к ультрафиолетовому излучению и стабильный по размерам, поэтому он является отличным кандидатом на замену как литым под давлением металлам, так и термореактивным полимерам. Также доступны негалогенированные марки продуктов, содержащие альтернативные антипирены, чтобы облегчить соблюдение программ утилизации выброшенных электронных продуктов.

Поли(полифосфонат- со-карбонат) сополимеры

Используется в качестве антипирена в поликарбонате и его смесях (таких как смеси ПК/АБС).Обладают высокой ударной вязкостью и температурой стеклования при сохранении высокой скорости течения расплава и высокого предельного кислородного индекса.

Поли(полифосфонат- со -карбонат) реакционноспособные олигомеры

Используется в качестве антипирена в ненасыщенных полиэфирах, эпоксидных смолах, полиуретанах и полимочевинах. Фенольные концевые группы позволяют олигомерам реагировать с другими реакционноспособными предшественниками и включаются в сеть термореактивного полимера.Прозрачный и хорошо растворимый в типичных растворителях, используемых при переработке термореактивных смол.

Поли( p -фениленсульфид)

Электроизоляционные материалы с высокой устойчивостью к теплу и химическим веществам; Прекурсор ICP, который можно превратить в полупроводниковый ICP путем легирования

.

Поли(винилхлорид) (ПВХ)

Гибкий (пластифицированный) ПВХ используется в изоляции проводов и кабелей.

Его часто выбирают среди других недорогих гибких полимеров для таких целей из-за его изначально более высокой огнестойкости, обусловленной атомом хлора в его повторяющемся звене. С другой стороны, фталаты, используемые в качестве пластификаторов во многих составах гибкого ПВХ, и выделение соляной кислоты (HCl) во время пожара представляют опасность для окружающей среды.

Поливинилиденфторид (ПВДФ)

PDVF имеет множество применений в электротехнике и электронике:

  • Изоляция электрических проводов благодаря своей гибкости, малому весу, низкой теплопроводности, высокой коррозионной стойкости и термостойкости.
  • Массивы тактильных датчиков
  • , недорогие тензодатчики и легкие аудиопреобразователи используют преимущества пьезоэлектрических и/или пироэлектрических свойств ПВДФ.
  • Связующий материал в композитных электродах для литий-ионных аккумуляторов, поскольку ПВДФ не вступает в реакцию ни с электролитом, ни с литием в диапазоне рабочих условий таких аккумуляторов.

Полиамиды (нейлоны), включая как алифатические, так и полуароматические молекулярные структуры, а также армированные стекловолокном марки всех молекулярных структур

Полиамиды

просты в обработке, прочны, легки и долговечны в жарких, химически агрессивных и влажных средах.Они используются в таких приложениях, как корпуса и крышки электрических выключателей и розеток. Версии с высокими рабочими характеристиками обеспечивают превосходную стабильность потока и размеров, а также способны выдерживать высокотемпературные методы сборки схем (в том числе с использованием бессвинцового припоя), что позволяет экономично изготавливать более тонкие и легкие компоненты (такие как электронные разъемы, реле и т. д.). , светодиодные компоненты, микродинамики, микроприемники, микропереключатели и модули камер) в передовых электрических и электронных устройствах, включая портативные устройства.Они подходят для замены металлов во многих областях применения. Также доступны негалогенированные марки продуктов, содержащие альтернативные антипирены, чтобы облегчить соблюдение программ утилизации выброшенных электронных продуктов.

Поликарбонат (ПК) и родственные сополимеры и смеси

PC, родственные сополимеры и смеси PC с полимерами, такими как ABS и ASA (сополимер акрилонитрила, стирола и акрилата), обеспечивают превосходную перерабатываемость в расплаве.Изготовленные изделия обладают низкой электропроводностью и теплопроводностью, высокой термостойкостью, отличными механическими свойствами, высокой размерной стабильностью и высокой долговечностью. Их электрические и электронные приложения включают в себя автоматические выключатели, соединители, кабельные каналы, корпуса для электрических инструментов и осветительных приборов, корпуса, блоки питания, электрические выключатели, розетки и распределительные щиты. ПК также используется в качестве подложки в оптических носителях данных, таких как CD, DVD и Blu-Ray диски, где он обычно защищен влагозащитным слоем и лаковым покрытием.

Смесь поликарбоната/АБС

Электрические выключатели, распределительные щиты, блоки питания

Полиэстер

См. поли(бутилентерефталат) (ПБТ), поли(этилентерефталат) (ПЭТ) и термопластичные полиэфирные эластомеры

Полиэтилен (ПЭ)

Электрические кабелепроводы и другие применения (недорогой вариант для многих электрических и электронных применений, аналогичных тефлоновым, но только если не требуются высокие характеристики)

Полиимиды

Высокоэффективные полимеры, сочетающие термостойкость, смазывающую способность, стабильность размеров, химическую стойкость и сопротивление ползучести, которые можно использовать в неблагоприятных и экстремальных условиях окружающей среды.Применение в электротехнике и электронике включает изоляторы, требующие диэлектрических свойств, а также высокой термостойкости и химической совместимости.

Полиоксиметилен (ПОМ)

POM представляет собой высококристаллический термопластичный гомополимер. Обладает отличной несущей способностью. Он сочетает в себе низкое трение и высокую износостойкость с жесткостью и прочностью, необходимыми для замены металлов. Он может конкурировать с полиамидами во многих областях электротехники и электроники; включая корпуса, корпуса, крышки, розетки и выключатели.

Полистирол (ПС)

Упаковочные материалы из вспененного полистирола

PS широко используются в качестве чрезвычайно легких амортизирующих материалов при транспортировке электрических и электронных компонентов и устройств.

Политетрафторэтилен (ПТФЭ)

ПТФЭ представляет собой термопластичный перфторполимер. Он используется в электропроводке в аэрокосмической и компьютерной технике, например, в соединительных проводах и коаксиальных кабелях.Это отличный изолятор в соединительных узлах и кабелях, а также в печатных платах, используемых на микроволновых частотах. Его высокая термостойкость и другие выдающиеся свойства делают ПТФЭ более дорогим заменителем полиэтилена с высокими эксплуатационными характеристиками, который обычно предпочтительнее в недорогих приложениях.

Силикаты и бор-азотные полимеры

Силикаты имеют основную цепь –Si-O-. В производстве интегральных схем используются несколько типов силикатов:

  • Фосфосиликатные полимеры, легированные 2.Фосфор (P) в количестве от 0% до 4,0% по весу используется для выравнивания металла и поликремния, пассивации верхнего покрытия и непротравливаемого межслойного диэлектрика при производстве интегральных схем. Они также обеспечивают геттерную способность Na + , аналогичную оксидам химического осаждения из паровой фазы (CVD), легированным фосфором, где «геттеризация»   определяется как процесс удаления примесей, разрушающих устройство, из областей активной схемы пластины.
  • Метилсилоксановые полимеры используются для пассивации, планаризации и заполнения зазоров при производстве интегральных схем.
  • Органосилоксановые (R x CH 3y SiO z ) полимеры (R = органический хромофор) используются для усовершенствованных приложений для создания рисунка.
  • Боросиликатные и бор-азотные полимеры используются для диффузии типа p ; в то время как силиконы, легированные мышьяком, легированные сурьмой и фосфором, используются для диффузии типа n . Обратите внимание, что, хотя нелегированные силикатные полимеры являются электроизоляционными, их легированные версии (позволяющие диффузию типа p или n ) не являются электроизоляционными.

Термопластичные полиэфирные эластомеры

Эти материалы сочетают в себе гибкость высокоэффективных эластомеров с прочностью и технологичностью термопластов. Они обеспечивают упругость, термостойкость, химическую стойкость и долговечность. Они превосходят обычные гибкие соединения ПВХ по прочности на растяжение, относительному удлинению и ударной вязкости при низких температурах, а также обладают тем преимуществом, что имеют молекулярную структуру, не содержащую галогенов.Использование негалогенированных антипиренов приводит к тому, что продукты полностью не содержат галогенов. Область применения включает герметизацию рамы B-крышки ноутбука, кронштейны для жестких дисков и ножки компьютеров.

 

Полимеры с внутренней проводимостью:

Материалы

Приложения

Примеры включают полиацетилены, поли( p -фениленвинилен), полипирролы, полииндолы, полианилины (PANI), политиофены, поли(3,4-этилендиокситиофен) (PEDOT) и поли( p -фениленсульфид)

Текущие и потенциальные приложения ICP на конец 2018 года:

  • PEDOT и PANI — единственные ИСП, используемые в больших масштабах.
    • PEDOT используется, когда требуется антистатическая защита или прозрачный электропроводящий материал. Его приложения включают антистатические и электростатические покрытия, конденсаторы, сенсорные панели, органические светоизлучающие диоды, органические солнечные элементы и печатную электронику.
    • PANI используется в производстве печатных плат, в антистатических и электростатических покрытиях, а также для защиты от коррозии.
  • Полииндолы могут стать следующим семейством ИСП, которые будут использоваться в крупномасштабных приложениях в будущем.
  • ICP
  • также могут найти применение в приводах, электрохромных устройствах, оптических устройствах для хранения и обработки данных, суперконденсаторах, химических датчиках, биосенсорах, гибких прозрачных дисплеях, электромагнитном экранировании, покрытиях, поглощающих микроволновое излучение, и замене прозрачного электрического проводника из сплава оксида индия и олова. .

 

Клеи, покрытия, герметики и герметики:

Материалы

Приложения

Клеи: Эпоксидные, акрилатные, эпоксидно-акрилатные, уретановые, уретанакрилатные, цианоакрилатные, силиконовые, УФ-отверждаемые составы различного химического состава

Наиболее важным применением клея является сборка печатной платы (PCB), которая является основным строительным блоком электронной промышленности.Типичная печатная плата состоит из многослойной армированной полимерной платы (чаще всего это эпоксидная термореактивная матрица, армированная стекловолокном) с защитным пластиковым покрытием (постоянная паяльная маска). При сборке печатных плат также используются клейкие материалы для склеивания компонентов поверхностного монтажа (SMC), прихватки проводов, конформных покрытий, а также герметизации и герметизации компонентов. Эпоксидная смола является приемлемым материалом с наименьшей стоимостью, который можно использовать для паяльной маски. Для склеивания SMC используются акрилатные, эпоксидные и уретанакрилатные клеи.Цианоакрилатные, эпоксидные и УФ-отверждаемые акрилатные клеи используются для прихватки проводов. Для герметизации и заливки используются эпоксидные, уретановые, силиконовые и акрилатные клеи. Материалы конформного покрытия см. ниже.

Клеи: Полиимид

Полиимидные клеи

используются в высокотехнологичной электронике, требующей, чтобы клей выдерживал температуры до 300 o C.Примеры включают покрытия проводов и гибкие схемы, используемые в аэрокосмических приложениях.

Клеи: Электропроводящие

Перечисленные выше клеи не обладают электропроводностью. Для некоторых приложений, таких как интегральные схемы и устройства для поверхностного монтажа, требуются электропроводящие клеи. Электропроводящий клей обычно получают путем добавления проводящего наполнителя (например, серебра, никеля или углерода) к основному материалу (чаще всего к эпоксидной смоле).

Клеи: Теплопроводящие

Миниатюрная электронная схема может нагреваться и выходить из строя, если превышена ее максимальная рабочая температура. Теплопроводящие клеи используются для предотвращения такого накопления тепла. Теплопроводный клей получают путем смешивания металлического (электропроводящего) или неметаллического (электроизолирующего) порошка с основным материалом (чаще всего эпоксидной смолой, силиконом или акрилатом).

Конформные покрытия:   Акрилатные, эпоксидные, уретановые, силиконовые, фторированные или нефторированные поли( p -ксилилен) (парилен), аморфные фторполимеры

Наиболее важным применением является защита печатной платы и ее компонентов от всех возможных опасностей окружающей среды путем нанесения тонкой (как правило, толщиной в диапазоне от 25 до 250 микрон) и легкой полимерной пленки, которая повторяет контуры печатной платы. печатная плата.Электроизоляционная природа конформного покрытия также помогает миниатюризировать электронику, позволяя размещать проводящие компоненты печатной платы ближе друг к другу.

Заливочные массы: Эпоксидная смола, силикон, уретан

Полный электронный блок заполняется твердым или студенистым компаундом для обеспечения устойчивости к ударам и вибрации, а также для защиты от влаги и коррозионных агентов.Заливка выполняется путем (1) помещения электронного блока в форму, (2) заполнения формы изолирующим жидким компаундом и (3) обеспечения затвердевания изолирующего жидкого компаунда. Во многих случаях заливки форма становится частью готового изделия и обеспечивает дополнительную защиту изделия. В некоторых других случаях заливки используется съемная форма, которую снимают после затвердевания изоляционной жидкости.

Герметики: Силиконы, эпоксидные смолы, эпоксидные смолы, модифицированные уретаном, эпоксидные смолы, модифицированные полисульфидами, УФ-отверждаемые составы

Герметики

также используются для защиты электрического и электронного оборудования и/или компонентов такого оборудования от повреждений.Герметики используются как в промышленных условиях, так и в домашних условиях.

Что такое цепь? — Learn.sparkfun.com

Обзор

Добро пожаловать на схему 101! Одна из первых вещей, с которыми вы столкнетесь, изучая электронику, — это концепция схемы . В этом руководстве объясняется, что такое схема, а также более подробно обсуждается напряжение и напряжение .

Простая схема, состоящая из кнопки, светодиода и резистора, построенная двумя разными способами.

Предлагаемая литература

Есть несколько концепций, которые вы должны хорошо понимать, чтобы получить максимальную отдачу от этого руководства.

Основы схем

Напряжение и принцип его работы

Вы, наверное, слышали, что батарея или розетка имеют определенное количество вольт . Это измерение электрического потенциала , создаваемого аккумулятором или электросетью, подключенной к настенной розетке.

Все эти вольты ждут, пока вы их используете, но есть одна загвоздка: чтобы электричество выполняло какую-либо работу, оно должно иметь возможность двигаться .Это похоже на надутый воздушный шар; если вы его отщипнете, там будет воздух, и может что-то сделать с , если его выпустить, но на самом деле он ничего не сделает, пока вы его не выпустите.

В отличие от воздуха, выходящего из воздушного шара, электричество может течь только через материалы, которые могут проводить электричество, такие как медная проволока. Если вы подсоедините провод к батарее или настенной розетке ( ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ: напряжение в настенной розетке опасно, не делайте этого!), вы укажете путь электричеству.Но если провод не подключен ни к чему другому, то электричеству некуда будет деться, и оно все равно не будет двигаться.

Что заставляет электричество двигаться? Электричество хочет течь от более высокого напряжения к более низкому напряжению. Это точно так же, как воздушный шар: сжатый воздух в воздушном шаре хочет течь изнутри воздушного шара (более высокое давление) наружу воздушного шара (более низкое давление). Если вы создадите токопроводящий путь между более высоким напряжением и более низким напряжением, электричество будет течь по этому пути.И если вы вставите что-то полезное в этот путь, например, светодиод, протекающее электричество сделает за вас некоторую работу, например, зажжет этот светодиод. Ура!

Итак, где вы найдете более высокое напряжение и более низкое напряжение? Вот что действительно полезно знать: у каждого источника электричества есть две стороны . Вы можете увидеть это на батареях с металлическими крышками на обоих концах или на розетке с двумя (или более) отверстиями. В батареях и других источниках напряжения постоянного тока эти стороны (часто называемые клеммами ) называются положительными (или «+») и отрицательными (или «-»).

Почему у каждого источника электричества две стороны? Это восходит к идее «потенциала» и к тому, что вам нужна разница напряжений, чтобы электричество текло. Звучит глупо, но у вас не может быть разницы без двух разных вещей. В любом блоке питания положительная сторона будет иметь более высокое напряжение, чем отрицательная сторона, а это именно то, что нам нужно. На самом деле, когда мы измеряем напряжение, мы обычно говорим, что отрицательная сторона равна 0 вольт, а положительная сторона равна тому количеству вольт, которое может обеспечить источник питания.

Электрические источники похожи на насосы. У насосов всегда есть две стороны: выход, который что-то выдувает, и вход, который что-то всасывает. Аккумуляторы, генераторы и солнечные панели работают одинаково. Что-то внутри них усердно работает, перемещая электричество к выходу (положительная сторона), но все это электричество, выходящее из устройства, создает пустоту, а это означает, что отрицательная сторона должна втягивать электричество, чтобы заменить его.*

Что мы уже узнали?

  • Напряжение есть потенциал, но электричество должно течь, чтобы делать что-то полезное.
  • Электричество нуждается в пути для протекания, которым должен быть электрический проводник, такой как медная проволока.
  • Электричество будет течь от более высокого напряжения к более низкому.
  • Источники постоянного напряжения
  • всегда имеют две стороны, называемые положительной и отрицательной, причем на положительной стороне напряжение выше, чем на отрицательной.

Простейшая схема

Наконец-то мы готовы заставить электричество работать на нас! Если мы подключим положительную сторону источника напряжения через что-то, что выполняет некоторую работу, например, светоизлучающий диод (LED), и обратно к отрицательной стороне источника напряжения; электричество, или ток , будет течь.И мы можем поместить на пути вещи, которые при прохождении через них тока делают полезные вещи, например, светодиоды, которые загораются.

Этот круговой путь, который всегда необходим для того, чтобы электричество текло и делало что-то полезное, называется цепью. Цепь — это путь, который начинается и заканчивается в одном и том же месте, что мы и делаем.

Щелкните эту ссылку, чтобы увидеть моделирование тока, протекающего через простую цепь. Эта симуляция требует запуска Java.


* Бенджамин Франклин изначально писал, что электричество течет от положительной стороны источника напряжения к отрицательной стороне.Однако у Франклина не было возможности узнать, что электроны на самом деле текут в противоположном направлении — на атомном уровне они выходят из отрицательной стороны и возвращаются обратно к положительной стороне. Поскольку инженеры следовали примеру Франклина в течение сотен лет, прежде чем истина была открыта, мы до сих пор используем «неправильное» соглашение. На практике эта деталь не имеет значения, и пока все используют одно и то же соглашение, мы все можем создавать схемы, которые отлично работают.

Короткие и открытые цепи

Что такое «Нагрузка»?

Причина, по которой мы хотим строить цепи, состоит в том, чтобы заставить электричество делать для нас полезные вещи.Мы делаем это, помещая в цепь элементы, которые используют ток для освещения, создания шума, запуска программ и т. д.

Эти вещи называются нагрузками , потому что они «нагружают» источник питания, точно так же, как вы «нагружаетесь», когда что-то несете. Точно так же, как вы можете быть нагружены слишком большим весом, можно слишком сильно нагрузить источник питания, что замедлит ток. Но, в отличие от вас, также возможно слишком мало нагрузить цепь — это может привести к протеканию слишком большого тока (представьте, что вы бежите слишком быстро, если вы не несете никакого веса), что может привести к перегоранию ваших деталей или даже источника питания.

В следующем уроке вы узнаете все о напряжении, токе и нагрузках: напряжение, ток, сопротивление и закон Ома. А пока давайте узнаем о двух особых случаях замыкания: короткое замыкание и разомкнутое замыкание . Знание этого очень поможет вам при поиске и устранении неполадок в собственных схемах.

Короткое замыкание

НЕ ДЕЛАЙТЕ ЭТОГО, но если вы подключите провод напрямую от плюса к минусу источника питания, вы создадите так называемое короткое замыкание .Это очень плохая идея.

Кажется, это наилучшая схема, так почему же это плохая идея? Помните, что электрический ток хочет течь от более высокого напряжения к более низкому, и если вы подключите нагрузку к току, вы можете сделать что-то полезное, например, зажечь светодиод.

Если у вас ДЕЙСТВИТЕЛЬНО есть нагрузка по току, ток, протекающий через вашу цепь, будет ограничен тем, что потребляет ваше устройство, что обычно очень мало. Однако, если вы ничего не вставите, чтобы ограничить ток, не будет ничего, что замедлит ток, и он будет стремиться к бесконечности!

Ваш источник питания не может обеспечить бесконечный ток, но он будет обеспечивать столько, сколько может, а это может быть много.Это может привести к перегоранию провода, повреждению блока питания, разрядке аккумулятора и другим интересным вещам. Большую часть времени ваш блок питания будет иметь встроенный механизм безопасности для ограничения максимального тока в случае короткого замыкания, но не всегда. По этой причине во всех домах и зданиях есть автоматические выключатели, чтобы предотвратить возгорание в случае короткого замыкания где-то в проводке.

Тесно связанная проблема — случайное пропускание слишком большого тока через часть вашей цепи, что приводит к перегоранию части.Это не совсем короткое замыкание, но близко. Чаще всего это происходит, когда вы используете неправильное значение резистора , которое пропускает слишком большой ток через другой компонент, например светодиод.

Итог: если вы заметили, что вещи вдруг сильно нагреваются или деталь вдруг перегорает, немедленно отключите питание и ищите возможные короткие замыкания.

Обрыв цепи

Противоположностью короткого замыкания является обрыв цепи .Это схема, в которой петля не полностью подключена (и, следовательно, это вообще не схема).

В отличие от описанного выше короткого замыкания, от этого «замыкания» ничего не пострадает, но и ваша схема не сработает. Если вы новичок в схемах, часто может быть трудно найти место обрыва, особенно если вы используете макеты, где все проводники скрыты.

Если ваша цепь не работает, наиболее вероятной причиной является обрыв цепи. Обычно это происходит из-за обрыва соединения или ослабленного провода.(Короткие замыкания могут отнять всю энергию у остальной части вашей цепи, поэтому обязательно ищите и их.)

СОВЕТ: Если вы не можете легко найти, где ваша цепь разомкнута, мультиметр может быть очень полезным инструментом. Если вы настроите его на измерение вольт, вы можете использовать его для проверки напряжения в различных точках вашей цепи питания и, в конечном итоге, найти точку, в которой напряжение не проходит.

Ресурсы и дальнейшее продвижение

Вы только что узнали в самой базовой форме, что такое цепь.Продолжая учиться, вы столкнетесь с более сложными схемами, которые имеют несколько контуров и множество других электронных компонентов. Но ВСЕ схемы, какими бы сложными они ни были, будут следовать тем же правилам, что и базовая схема с одним контуром, о которой вы только что узнали.

Ваше путешествие в электронику только начинается, вот несколько предлагаемых тем для изучения:

  • Макетные платы — полезные инструменты, позволяющие быстро создавать временные схемы с помощью перемычек.Мы используем их все время. Вы также можете освоить работу с проводом, чтобы помочь вам построить свои схемы.
  • Мультиметр позволяет измерять напряжение, ток и сопротивление и очень помогает при поиске и устранении неисправностей в неисправных цепях.
  • Схемы бывают разных размеров, форм и конфигураций. Ознакомьтесь с учебным пособием по последовательным и параллельным схемам, чтобы увидеть схемы, выведенные на новый уровень.

Вот несколько руководств по наиболее распространенным компонентам, которые вы будете использовать при построении схем.

  • Отличный способ узнать о схемах — начать их делать. Наш учебник по светодиодам покажет, как зажечь один или несколько светодиодов.
  • Резисторы являются одним из наиболее широко используемых компонентов в цепях.
  • Конденсаторы
  • также встречаются в большинстве схем. Как и диоды.

Типы электрических цепей: Полное руководство в 2021 году

Типы электрических цепей. Замкнутые цепи, разомкнутые цепи, короткие замыкания, последовательные цепи и параллельные цепи — это пять основных типов электрических цепей.Давайте учиться и понимать, используя определения, примеры и символы в глубину. Термин «электрическая сеть» относится к набору отдельных электрических элементов или компонентов, которые каким-то образом связаны между собой. Сложная сеть представляет собой цепь, которая включает в себя несколько электрических элементов, таких как резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, источники тока и источники напряжения (как переменного, так и постоянного). Простого закона Ома или законов Кирхгофа недостаточно для работы с такими типами сетей. Другими словами, мы решаем эти схемы, используя специальные методы, такие как теорема Нортона, теорема Тевенина, теорема о суперпозиции и т. д.

Что такое электрическая цепь?

Электрическая цепь представляет собой сеть компонентов, используемых для хранения, передачи и преобразования энергии. Один или несколько источников подают энергию в цепь, а один или несколько приемников отводят ее. Энергия преобразуется из тепловой, химической, электромагнитной или механической формы в электрическую в источниках; в раковинах процесс обратный. Энергия переносится по электрической цепи за счет использования электрического заряда и среды магнитных и электрических полей.Цепи бывают разных форм.

Путь для передачи электрического тока известен как электрическая цепь. Электрическая цепь состоит из устройства, такого как аккумулятор или генератор, который обеспечивает энергией заряженные частицы, составляющие ток; оборудование, использующее ток, такое как лампы, электродвигатели или компьютеры; и соединительные провода или линии передачи. Закон Ома и правила Кирхгофа — два основных закона, количественно определяющих поведение электрических цепей.

Электрические цепи можно разделить на несколько категорий. В цепи постоянного тока протекает ток только одного направления. В большинстве бытовых цепей цепь переменного тока передает ток, который пульсирует туда-сюда несколько раз в секунду. Последовательная цепь — это цепь, в которой весь ток проходит через все компоненты. Параллельная цепь имеет ответвления, разделяющие ток таким образом, что только его часть проходит через каждое ответвление. В параллельной цепи напряжение или разность потенциалов между каждой ветвью одинаково, но токи могут различаться.

Каждый светильник или прибор в бытовой электрической цепи, например, получает одинаковое напряжение, но потребляет различное количество тока в зависимости от своих требований к мощности. Ряд сопоставимых батарей, соединенных параллельно, генерирует больший ток, чем одна батарея, при сохранении того же напряжения.

Электрическая цепь представляет собой комбинацию транзисторов, трансформаторов, конденсаторов, соединительных проводов и других электрических компонентов, содержащихся в одном устройстве, таком как радиоприемник.Одна или несколько ветвей в сочетании последовательной и последовательно-параллельной компоновки могут составлять такие сложные схемы.

Что такое электрическая цепь? (Ссылка: electrictechnology.org )

Цепь, часто называемая электрической цепью, представляет собой канал с замкнутым контуром, обеспечивающий обратный путь тока. Это узкий проводящий канал, по которому может течь ток.

Виды электрических цепей

Есть много типов электрических цепей, включая:

  • Схема серии
  • Параллельная схема
  • серии-параллельный схема
  • звезда-дельта-схема
  • Резистивная цепь
  • индуктивный схема 7 7 емкостная схема
  • 110022
  • резистивный, индуктивный (RC схема)
  • резистивный, емкостный (цепь RC)
  • емкостный, индуктивный (LC Chirits)
  • резистивный, индуктивный, емкостный (цепь RLC)
  • линейная схема
  • нелинейная схема
  • односторонние схемы
  • Bi-боковые цепи
  • активная схема
  • пассивный Цепь
  • Обрыв цепи
  • Короткое замыкание
  • Замкнутая цепь

Ниже мы кратко рассмотрим каждый из них.

Последовательная цепь

Все электрические части (источники напряжения или тока, катушки индуктивности, конденсаторы, резисторы и т. д.) соединены в этой цепи последовательно, что означает, что электричество проходит только по одному пути, а не по дополнительные ветки. Последовательная цепь состоит из нескольких сопротивлений, соединенных одно за другим. Сквозное или каскадное соединение — другое название этого типа соединения. Течение тока идет по одному пути.

Свойства последовательной цепи

Через каждое сопротивление проходит один и тот же ток. Сумма различных падений напряжения на сопротивлениях равна напряжению питания В.

 

В = {V}_{1} + {V}_{2} + {V}_{3} + …..+ {V}_{n}

 

Сумма различных сопротивлений равна сравнимому электрическому сопротивлению. Индивидуальные сопротивления подавляются эквивалентным сопротивлением (R > R 1 , R > R 2 , …., R > R n ).

Параллельная цепь

Все электрические элементы в этой цепи (источники напряжения или тока, катушки индуктивности, конденсаторы, резисторы и т. д.) соединены параллельно, т. е. существует множество каналов для прохождения электричества вниз, и минимальные ветви схемы — две. Параллельная цепь — это цепь, в которой множество сопротивлений соединены друг с другом таким образом, что один вывод каждого сопротивления соединен с точкой соединения, а оставшийся конец также соединен с другой точкой.

Свойства параллельных цепей

Одинаковая разность потенциалов присуща всем сопротивлениям одновременно. Общий ток делится на количество параллельных трасс, равное количеству сопротивлений. Сумма всех отдельных токов всегда является совокупным током.

 

I = {I}_{1} + {I}_{2} + {I}_{3} + …..+ {I}_{n}

 

Обратная параллель эквивалентное сопротивление цепи равно сумме обратных величин отдельных сопротивлений.Наименьшим из всех сопротивлений является эквивалентное сопротивление (R 1 , R 2 , R н ).

Эквивалентная проводимость является результатом математического сложения отдельных проводимостей. Эквивалентное сопротивление меньше наименьшего из всех параллельных сопротивлений.

Последовательно-параллельная цепь

Последовательно-параллельная цепь — это цепь, в которой одни элементы цепи соединены последовательно, а другие — параллельно. Другими словами, это схема, которая сочетает в себе последовательную и параллельную цепи.

Цепь звезда-треугольник

Это не параллельная, последовательная или последовательно-параллельная цепь. Электрические элементы соединены в этой цепи таким образом, что конфигурация не определена с точки зрения последовательной, параллельной или последовательно-параллельной. Преобразование звезда-треугольник или преобразование треугольник-звезда могут использоваться для решения этих типов схем.

Звезда-Треугольник (Ссылка: electronics-tutorials.ws )

Другие производные схемы последовательных, параллельных и последовательно-параллельных цепей перечислены ниже:

  • Чисто резистивная цепь
  • Чисто индуктивная цепь
  • Чисто емкостная цепь
  • Резистивная, индуктивная цепь i.е. Цепь RL
  • Резистивная, емкостная цепь, т. е. RC-цепь
  • Емкостная, индуктивная цепь, т. е. LC-цепь
  • Резистивная, индуктивная, емкостная цепь RLC-цепь

Все вышеупомянутые компоненты или элементы могут быть соединены последовательно, параллельно, или последовательно-параллельные конфигурации в схемах выше. Посетите здесь, чтобы полностью увидеть все различные типы электрических цепей.

Давайте рассмотрим еще несколько электрических цепей, с которыми вам следует ознакомиться, прежде чем приступить к изучению электрической цепи или сети.

Линейные и нелинейные цепи

Линейная цепь

Линейная цепь — это электрическая цепь с постоянными параметрами цепи, такими как сопротивление, индуктивность, емкость, форма волны и частота. Другими словами, линейная цепь — это цепь, параметры которой не меняются в зависимости от тока и напряжения.

Нелинейная цепь

Нелинейная цепь — это цепь, в которой параметры изменяются в зависимости от тока и напряжения.Другими словами, нелинейная цепь — это цепь, в которой параметры цепи (сопротивление, индуктивность, емкость, форма волны, частота и т. д.) непостоянны.

Односторонние и двусторонние цепи

Односторонние цепи

В односторонних цепях функция цепи изменяется при изменении направления напряжения питания или тока. Другими словами, односторонняя цепь позволяет току проходить только в одном направлении. Поскольку он не выполняет выпрямление в обоих направлениях питания, диодный выпрямитель является лучшим примером односторонней схемы.

Двусторонние схемы

Свойство схемы в двусторонней форме не меняется при изменении направления напряжения питания или тока. Двусторонние цепи, другими словами, позволяют току течь в обоих направлениях. Лучшим описанием двусторонней цепи является линия передачи, потому что параметры цепи остаются постоянными независимо от направления источника питания.

Параметры цепи, константы и родственные термины

Параметры цепи или константы относятся к различным компонентам или элементам, используемым в электрических цепях, таким как сопротивление, емкость, индуктивность, частота и т. д.Эти переменные могут быть сгруппированы или рассредоточены. Эти параметры могут определять характеристики каждой цепи, которые приведены ниже:

Активная цепь

Активная цепь — это цепь, содержащая один или несколько источников ЭДС (электродвижущей силы).

Пассивная цепь

Термин «пассивная цепь» относится к цепи, не имеющей источников ЭМП.

Разомкнутая цепь

Разомкнутая цепь — это цепь, в которой нет обратного канала для протекания тока (т.е. тот, который не завершен). Другими словами, разомкнутая цепь — это цепь, в которой напряжение стремится к нулю, а ток приближается к бесконечности.

Размыкание цепи происходит, когда цепь содержит поврежденный электрический провод или электронный компонент или когда переключатель выключен. На приведенной ниже диаграмме лампочка не горит, потому что либо выключатель выключен, либо электрическая линия неисправна.

Разомкнутая цепь (Ссылка: electronicsandyou.com )

Цепь с разомкнутым выключателем и лампочкой, прикрепленной к батарее, является примером разомкнутой цепи.В результате обрыва цепи лампочка не загорится.

Короткое замыкание

Короткое замыкание — это цепь, имеющая обратный канал для протекания тока (т. е. замкнутая цепь). Короткое замыкание – это цепь, в которой напряжение стремится к бесконечности, а ток стремится к нулю.

Короткое замыкание возникает, когда обе точки (+ и –) источника напряжения в цепи по какой-либо причине замыкаются. В этом случае начинает течь максимальный ток.Короткие замыкания возникают при соединении проводящих электрических линий или даже из-за короткого замыкания в нагрузке.

Короткое замыкание (Ссылка: electronicsandyou.com )

Цепь с замыкающим выключателем и лампочкой, прикрепленной к батарее, является примером короткого замыкания. В результате замыкания цепи загорается лампочка.

Замкнутая цепь

Замкнутая цепь — это термин, используемый, когда нагрузка в цепи функционирует сама по себе. Величина протекающего тока в этом случае определяется нагрузкой.

Замкнутая цепь (Ссылка: electronicsandyou.com )

Части электрических цепей и сетей и другие родственные термины

Узел

, индуктор и т.д.) подключить.

Ответвление

Ответвление относится к сегменту или секции цепи, которая проходит между двумя соединениями. Одна или несколько частей могут быть объединены в ветвь, имеющую две конечные точки.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.