Применение электрических цепей – 2) Классификация электрических цепей и их элементов. Виды схем, используемых в электротехнике

Содержание

Электрическая цепь и ее составные части. Видеоурок. Физика 8 Класс

На данном уроке мы повторим условия существования электрического тока и рассмотрим такое понятие, как электрическая цепь и ее основные элементы. В конце урока приведем конкретный пример сборки электрической цепи карманного фонарика.

Тема: Электромагнитные явления

Урок: Электрическая цепь и ее составные части

Вспомним, что на прошлом уроке мы оговаривали три условия наличия электрического тока:

1. наличие зарядов;

2. наличие источника тока (гальванического элемента и др.). Источник тока создает электрическое поле внутри проводника, что является причиной движения зарядов;

3. наличие электрической цепи. О последнем понятии мы будет говорить сегодня.

Электрическая цепь должна содержать источник тока (рис. 1–3), т. е. элемент, который создает в цепи электрическое поле и обеспечивает движение заряженных частиц, и потребитель тока, т. е. например, любой бытовой прибор (рис. 4): лампочку, фонарик, компьютер, телевизор, стиральную машину, холодильник и т. п. Источник тока и потребители всегда соединяются проводами (проводниками), т. е. такими элементами, которые способны проводить электрический ток и обладают большим количеством свободных заряженных частиц.

Рис. 1. Гальванический элемент (Источник)

Рис. 2. Аккумулятор (Источник)

Рис. 3. Электростанция (Источник)

Рис. 4. Потребители тока (Источник) (Источник) (Источник) (Источник) (Источник) (Источник)

Таким образом, электрическая цепь имеет следующие основные составные элементы: источник тока, потребители тока, соединительные провода

.

Конечно же, потребители тока сами по себе состоят из более мелких элементов, каждый из которых имеет свое название, функцию и особенности. Электрические цепи бывают сложными и простыми, мы начнем их изучение с простейших вариантов, например, с устройства карманного фонарика. В его составные части входят: источник питания, лампочка, соединительные провода и выключатель. В конце урока мы соберем электрическую цепь, аналогичную цепи внутри фонарика и обсудим ее принцип работы.

Для удобства электрические цепи принято изображать в виде схем, в которых приняты определенные обозначения различных элементов. Условные обозначения элементов электрических цепей известны и классифицированы определенным образом, их достаточно много, но мы познакомимся с основными из них.

Определение. Электрическая цепь, изображенная на рисунке, называется электрической схемой

.

 

 

Гальванический элемент (источник тока)

Как видно из рисунка, длинной полоской обозначают положительный полюс источника, а короткой – отрицательный

 

 

Гальваническая батарея (аккумулятор)

Таким образом обозначается соединение нескольких гальванических элементов

 

Соединяющиеся провода

Место соединения проводов обозначается жирной точкой, которую еще зачастую именуют узлом

 

 

Несоединяющиеся провода

Провода, которые не соединяются, в точке пересечения никак особо не выделяются

 

Лампа накаливания (лампочка)

 

Зажимы для подключения электроприборов

К подобному элементу на схеме можно подключать какой-либо электроприбор

 

Ключ (выключатель)

Элемент цепи для ее замыкания и размыкания

 

Электрический звонок

Для запоминания этого обозначения можно заметить, что оно похоже на грибочек

 

Резистор

Этот элемент цепи имеет большое сопротивление

 

Нагревательный элемент

                 

Плавкий предохранитель

Прибор, который обеспечивает безопасность работы электрической цепи

 

Указанные в таблице элементы являются составными частями простейших электрических цепей.

Рассмотрим простейшую электрическую цепь на примере устройства карманного фонарика. В нее входят источник питания, лампочка накаливания, соединительные провода и выключатель (ключ).

Собирать цепь удобно в следующей последовательности: сначала подключим лампочку к одному из полюсов источника тока (батарейки), затем второй контакт на лампочке подключаем к разомкнутому предварительно ключу (выключателю) и, чтобы замкнуть цепь, второй контакт ключа соединяем со свободным полюсом источника тока.

После сбора цепи видно, что лампочка не горит, т. к. она все еще разомкнута с помощью ключа, и электрический ток не идет (не выполнено условие замкнутости электрической цепи). Теперь замыкаем ключ, и лампочка загорается (рис. 5), т. к. цепь становится замкнутой и все условия существования электрического тока выполнены.

Рис. 5.

Изобразим схему собранной нами электрической цепи с использованием приведенных в таблице условных обозначений (рис. 6).

 

 

 

 

 

Рис. 6.

Конечно же, бессмысленно рассматривать с практической точки зрения те электрические цепи, в которых не выполняется работа электрического тока. О действии электрического тока и о выполнении им работы мы поговорим позже.

На следующем уроке нашей темой будет «Электрический ток в металлах».

 

Список литературы

  1. Генденштейн Л. Э, Кайдалов А. Б., Кожевников В. Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В. А., Ройзена И. И. – М.: Мнемозина.
  2. Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
  3. Фадеева А. А., Засов А. В., Киселев Д. Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

  1. Академик (Источник).
  2. Интернет-портал Mukhin.ru (Источник).
  3. YouTube (Источник).

 

Домашнее задание

  1. Стр. 78: вопросы № 1–4, стр. 79: упражнение № 13. Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
  2. В вашем распоряжении есть гальванический элемент, лампочка, два ключа и соединительные провода. Нарисуйте принципиальную схему электрической цепи, в которой лампочка загорается только тогда, когда включены оба ключа.
  3. Железный гвоздь и отрезок медного провода воткнули в лимон. Потечет ли ток  через провод, которым соединяют гвоздь и медный провод?
  4. С потолка в месте крепления люстры свисают три провода, по которым после подключения люстры идет ток. Если люстру подключить правильно, два выключателя работают таким образом, что один из них включает и выключает одну лампу, а другой – остальные три. Нарисуйте схему соединения ламп в люстре, выключателей и источника тока.

Электрическая цепь: состав и элементы

Электрическая цепь – набор разнородных элементов, соединенных проводниками, предназначенный для протекания тока. Ассортимент составляющих широкий. Элементы выпускают линейные, нелинейные, активные, пассивные. Классификация бессильна охватить возможные случаи.

Состав электрической цепи

Электрическая цепь включает (в общем случае): источник питания, рубильник (выключатель), соединительные провода, потребителей. Обязательно сформируйте замкнутый контур. В противном случае по цепи не сможет течь ток. Электрическими не принято называть контуры заземления, зануления. Однако по сути считаются таковыми, иногда здесь течет ток. Замыкание контура при заземлении, занулении обеспечивается посредством грунта.

Источники питания. Внутренняя, внешняя электрическая цепь

Для образования упорядоченного движения носителей заряда, формирующего ток, потрудитесь создать разность потенциалов на концах участка. Достигается подключением источника питания, который в физике принято называть внутренней электрической цепью. В противовес прочим элементам, составляющим внешнюю. В источнике питания заряды движутся против направления поля. Достигается приложением сторонних сил:

  1. Обмотка генератора.
  2. Гальванический источник питания (батарейка).
  3. Выход трансформатора.

Напряжение, формируемое на концах участка электрической цепи, бывает переменным, постоянным. Сообразно в технике принято контуры делить соответствующим образом. Электрическая цепь предназначена для протекания постоянного, переменного тока. Упрощенное понимание, закон изменения упорядоченного движения носителей заряда воспринимается сложным. С трудом понимаем, переменный в цепи ток или постоянный.

Помимо упорядоченного движения носители характеризуются хаотичным тепловым движением. Скорость (интенсивность) определена температурой, родом материала, некоторыми другими факторами. В образовании электрического тока вид движения участия фактически не принимает.

Род тока определен источником, характером внешней электрической цепи. Гальванический элемент дает постоянное напряжение, обмотки (трансформаторы, генераторы) – переменное. Связано с протекающими в источнике питания процессами.

Сторонние силы, обеспечивающие движения зарядов, называют электродвижущими. Численно ЭДС характеризуется работой, совершаемой генератором для перемещения единичного заряда. Измеряется вольтами. На практике для расчета цепей удобно делить источники питания двумя классами:

  1. Источники напряжения (ЭДС).
  2. Источники тока.

В действительности неизвестны, имитацию пытаются создать практики. В розетке ожидаем увидеть 230 вольт (220 вольт по старым нормативам). Причем ГОСТ 13109 однозначно устанавливает пределы отклонения параметров от нормы. В быту пользуемся источником напряжения. Параметр нормируется. Величина тока не играет значения. Напряжение подстанции круглые сутки стремятся сделать постоянным вне зависимости от текущего запроса потребителей.

В противовес источник тока поддерживает заданный закон упорядоченного движения носителей заряда. Значение напряжения роли не играет. Ярким примером подобного рода устройств выступает сварочный аппарат на базе инвертора. Каждый знает: диаметр электрода прочно связан с толщиной металла, прочими факторами. Чтобы процесс сварки шел правильно, приходится с высокой степенью постоянства поддерживать ток. Задачу решает электронный блок на основе инвертора.

Ток, напряжение бывают постоянными, переменными. Закон изменения параметра роли не играет. Неважно, подключать ли электрическую цепь к источнику постоянного, переменного напряжения. Однако важно выдержать правильный размер параметра. К примеру, действующее значение ЭДС.

Элементы цепи

Элементы цепи

Выключатель

Рубильник позволит присоединить источник питания к проводам, потребителю. Каждый (за редким исключением) пользовался настенным выключателем. При замыкании-размыкании электрической цепи возникает искра. Объясняется наличием сопротивления емкостного типа. Для предотвращения искрения цепь дополняется дросселем, рубильник сформирован контакторами специального типа. Придуманы прочие технические решения, к примеру, катушка Тесла.

Провода

В технике провода изготавливают медные, алюминиевые. Связано с низким удельным сопротивлением металлов. Цена невысока. Выделяющееся на проводниках тепло определяется двумя параметрами:

  • Сопротивление участка цепи.
  • Электрический ток.

Понятно, второй параметр определяется нуждами потребителей. Поставщик стремится влиять на первый. Удельное сопротивление проводника предвидится по возможности низким. Ученых давно интересует явление сверхпроводимости. Металлы при понижении температуры теряют сопротивление. Уменьшаются потери. Среди полупроводников встречаются образцы с положительным и отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. Абсолютное значение параметра металлов на порядки ниже.

Проблема с алюминием, медью проста: при протекании электрического тока в цепи температура растет. Повышается сопротивление участка, дополнительно усугубляя ситуацию. Получается замкнутый круг. Ученые считают: затруднение допустимо исправить, заручившись помощью явления сверхпроводимости.

Металл при некоторой низкой температуре резко, рывком снижает сопротивление, достигая нуля (выше рубежа график понижается плавно со скоростью 1/273 1/град). Проблема практического применения в том, что значения, провоцирующие скачок, низкие. Например, для свинца рубеж составляет 7,2 К. Экстремально низкая отрицательная температура по шкале Цельсия.

Ученые видят решение проблемы в открытии материалов, демонстрирующих явление сверхпроводимости при комнатных температурах. Тогда большие токи удастся передавать потребителям, избежав потерь. В электрической цепи, сформированной сверхпроводниками, заряды способны циркулировать бесконечно длительное время без внешней подпитки источником.

Новое явление обнаружил Хейке Камерлинг-Оннес в 1911 году, исследуя образцы ртути, охлаждаемой до весьма низких температур. На четырех градусах Кельвина сопротивление проволоки стало нулевым, до скачка снижалось, плавно следуя прямой. Стало ясно: обнаружено новое состояние материала. Позже явление сверхпроводимости продемонстрировано на образцах других металлов. Показано: эффект разрушается помещением подопытного вещества в сильное магнитное поле. Самой высокой пороговой температурой среди металлов похвастается технеций (11,3 К).

Явление сверхпроводимости при комнатных температурах

Явление сверхпроводимости при комнатных температурах

У искусственных материалов показатели намного выше. С 1986 года ученые исследуют разнообразные керамики. Последним подтвержденным фактом считаем сведения о наличии композитных материалов на основе окислов ртути с температурой перехода в новое состояние на границе 140 К. Дальнейшие работы по очевидным соображениям засекречены.

Потребители

Под потребителем электрической цепи понимается не относящееся к элементам, перечисленным выше. Полезной нагрузкой служат обыкновенная лампочка накала, спираль нагревательного прибора, электрический двигатель. Параметры цепи очень сильно зависят именно от потребителей. Например, обмотки трансформаторов наделены сильно выраженным индуктивным сопротивлением. Негативно сказывается на передаче энергии от источника.

Не только ток меняет направление. Иногда утверждение касается мощности. Энергия начинает циркулировать туда-сюда, направляясь к источнику питания, обратно во внешнюю цепь. Реактивная мощность бессильна выполнить полезную работу, разогревает проводники цепи, искажает форму полезного сигнала. Промышленникам, ведущим учет полного потребления, рекомендуется параллельно двигателям включать компенсирующие конденсаторы. Индуктивное сопротивление компенсируется емкостным, реактивная мощность замыкается внутри потребительского сегмента, избегая выходить наружу, не выделяя лишнее тепло на кабелях сети.

Нужно отметить важное свойство индуктивных потребителей: потребляют энергию. Электрический ток становится магнитным полем, передается далее. В двигателях колебания вектора напряженности, создаваемые обмоткой, позволят совершать валу полезную работу. Чтобы показать происходящие траты энергии, схемы дополняют источниками ЭДС (тока), направление действия которых противоположно имеющему место быть во внутренней электрической цепи.

Передачи мощности через емкостную связь сегодня не изобретено. Однако приближенно считаем подобным случаем излучение радиоволны в эфир. Простейший вибратор Герца часто представляют колебательным контуром, в котором обкладки конденсатора разведены в стороны. Шаг позволит образовываться электромагнитной волне, уносимой эфиром. Что касается передачи больших мощностей, соответствующие планы строил Никола Тесла, каждый видел на фото, стилистическом изображении башню Ворденклиф, напоминающую формой подберезовик с прямой ножкой. При помощи сети сооружений предполагалось снабжать энергией путем беспроводной связи промышленность, заводы, фабрики.

В курсе электроники преимущественно рассматриваются приемные устройства. Между клеммами антенны передача волны через эфир обозначается схематично источником переменного напряжения малой мощности. Уловленная ЭДС усиливается каскадами, включающими резонансные контуры. Электроника, как никакая другая область техники, включает неимоверное разнообразие потребителей. Упрощенно делится на два класса:

  1. Активные потребители требуют для корректной работы снабжения электрической энергией. Как правило, не могут питаться непосредственно основной сетью. Микросхемы, дискретные активные элементы: транзисторы, тиристоры. Иными словами, электронные ключи. Электродвигатели принципиально отличаются, снабжаясь питанием входной сети.
  2. Пассивные потребители не требуют внешнего питания. Однако пропускать ток могут причудливым образом. Некоторые тиристоры открываются при достижении напряжением определенного значения. Следовательно, считаются пассивными приборами, обладают нелинейной характеристикой. К этому семейству относятся диоды, пропускающие ток в одном направлении (демонстрируют вентильные свойства).

Пассивными потребителями являются всевозможные сопротивления, конденсаторы, дроссели (катушки индуктивности). При помощи элементов электрическая цепь приобретает необычные качества. Резонансные контуры конденсаторов, индуктивностей используют фильтрами волн различной частоты.

Элементы электрической цепи

Содержание:
  1. Схемы электрических цепей
  2. Активные и пассивные элементы электрической цепи
  3. Условные обозначения элементов электрической цепи
  4. Трехфазные электрические цепи

Каждая электрическая цепь включает в себя различные устройства и объекты, создающие пути для прохождения электрического тока. Для описания электромагнитных процессов, происходящих в каждом из них, применяются такие понятия, как электродвижущая сила, ток и напряжение.

Условно все элементы электрической цепи разделяются на три составные части:

  • Первая представлена источниками питания, вырабатывающими электроэнергию.
  • Вторая – элементами, преобразующими электричество в другие виды энергии. Они больше известны, как приемники.
  • Третья часть состоит из передающих устройств – проводов и других установок, обеспечивающих уровень и качество напряжения.

Схемы электрических цепей

Элементы электрических цепей могут соединяться в схемах различными способами. Для каждого из них существуют определенные закономерности, установленные и сформулированные учеными Омом и Кирхгофом. Соединение потребителей в электрических цепях может быть последовательным, параллельным и комбинированным.

Последовательное соединение. В этом случае с увеличением количества потребителей, происходит рост общего сопротивления цепи. Отсюда следует, что значение общего сопротивления будет состоять из суммы сопротивлений каждой подключенной нагрузки. Поскольку на всех участках цепи проходит одинаковый ток, в связи с этим на каждый элемент распределяется только часть общего напряжения. Если какой-либо прибор или устройство перестает работать, наступает разрыв цепи. То есть, при выходе из строя хотя бы одной лампочки, остальные тоже не будут работать, как это случается, например, в елочных гирляндах. Однако в последовательную цепь можно включить большое количество элементов, каждый из которых рассчитан на значительно меньшее сетевое напряжение.

Параллельное соединение. В этом случае к двум точкам электрической цепи подключается сразу несколько потребителей. Напряжение на каждом участке будет равно напряжению, приложенному к каждой узловой точке.

На представленной схеме хорошо просматривается возможность протекания тока различными путями. Ток, притекающий к месту разветвления, далее проходит к двум нагрузкам, имеющим определенное сопротивление. В результате, он оказывается равным сумме токов, расходящихся от данной точки. Происходит снижение общего сопротивления цепи с увеличением ее общей проводимости, состоящей из проводимостей обеих ветвей. Соединение обеспечивает независимую работу потребителей. То есть, при выходе из строя одного из них, остальные будут нормально работать, поскольку цепь остается не разорванной.

Комбинированное соединение. На практике большинство приборов могут включаться в цепь сразу обоими способами – последовательно и параллельно. Поэтому такие соединения получили название комбинированных. Например, выключатели и вся автоматическая защитная аппаратура соединяется последовательно, обеспечивая тем самым разрыв цепи. Розетки или лампочки, наоборот, всегда включаются параллельно, чтобы исключить их взаимодействие между собой.

Применение такого подключения вызвано еще и различным энергопотреблением бытовых электроприборов. При постоянном напряжении их сопротивления также будут различаться между собой. Таким образом, за счет комбинированного подключения удается равномерно распределить нагрузку на линиях и не допустить перегрузок на отдельных участках цепи.


Активные и пассивные элементы электрической цепи

Элементы, входящие в состав электрических цепей, могут быть активными и пассивными. Основным признаком активных составляющих, считается их способность отдавать электроэнергию. Типичными представителями являются генераторы и другие источники электроэнергии, усилители электрических сигналов и другие. Пассивными элементами считаются различные виды потребителей и накопителей электрической энергии. К ним относятся конденсаторы, резисторы, катушки индуктивности и другие двухполюсные устройства. Существует многополюсная аппаратура, функционирующая на базе двухполюсных элементов.

Все активные элементы электрической цепи могут быть независимыми и зависимыми. В первую категорию входят источники напряжения и тока. В свою очередь, источник напряжения считается идеализированным элементом цепи, у которого напряжение на зажимах не зависит от протекающего через него электрического тока, а внутреннее сопротивление имеет нулевое значение. Источник тока также является безупречным элементом, у которого ток не зависит от напряжения на зажимах, а значение внутреннего сопротивления стремится к бесконечности.

Зависимые источники напряжения и тока именуются таковыми, когда эти величины зависят от параметров напряжения и тока на другом участке цепи. Типичными представителями являются электролампы, транзисторы, усилители, функционирующие в линейном режиме. Основные пассивные элементы электрической цепи представлены резисторами, индуктивными катушками и конденсаторами, с помощью которых регулируются параметры тока и напряжения на отдельных участках.

Резистивное сопротивление относится к идеализированным элементам цепи. Его основным свойством является необратимое рассеивание энергии. Зависимость напряжения и тока резистивного сопротивления выражается формулами: u = iR, i = Gu, в которых R является сопротивлением, измеряемым в Омах, а G – проводимостью, измеряемой в сименсах. Соотношение этих величин между собой выражено формулой R = 1/G.

Идеализированные индуктивные элементы цепи способны накапливать энергию магнитного поля. Основным параметром считается линейная индуктивность, находящаяся в линейной зависимости между магнитным потоком и током, графически представляющая собой вебер-амперную черту. Индуктивность является также и коэффициентом пропорциональности, измеряемом в Генри.

Ёмкостные элементы – конденсаторы обладают свойством накапливать энергию электрического поля. Показатель линейной емкости представляет собой линейную зависимость между зарядом и напряжением, выраженной формулой q = Cu.


Условные обозначения элементов электрической цепи

Для удобства анализа и расчетов электрических цепей, все их составляющие отображаются в виде специальных схем. Данные схемы состоят из условных обозначений используемых элементов и способов их соединения. Условные обозначения в странах СНГ могут отличаться от символики, принятой в других государствах, соответственно, будут различаться и сами схемы, поскольку использовались различные системы графических маркировок.

Все элементы на схемах условно разделяются на три группы:

  1. К первой относятся источники питания, преобразующие другие виды энергии в электрическую. В этом случае они считаются первичными. Ко вторичным источникам относятся, например, выпрямительные устройства, у которых электроэнергия имеется на входе и на выходе.
  2. Вторая группа представлена потребителями энергии, преобразующими электрический ток в тепло, освещение, движение и т.д.
  3. В третью группу входят управляющие элементы, без которых невозможна работа любой цепи. Сюда входят соединительные провода, коммутационная аппаратура, измерительные приборы и другие устройства аналогичного назначения.

Все эти составляющие охвачены единым электромагнитным процессом, поэтому они включаются в общую схему с использованием специальных условных знаков. Следует учитывать, что вспомогательные элементы могут не указываться на схемах. Не указываются и соединительные провода, если их сопротивление значительно ниже, чем у составных элементов. Источники питания обозначаются в виде электродвижущей силы. При необходимости проставляются пояснительные надписи.


Трехфазные электрические цепи

Любая трехфазная система состоит из трех отдельных электрических цепей, в каждой из которых действует синусоидальная электродвижущая сила с одинаковой частотой, создаваемая одним и тем же источником энергии. Необходимая энергия обычно создается трехфазным генератором. Между цепями образуется сдвиг на 120 градусов.

Основным преимуществом трехфазной цепи считается ее уравновешенность. Она заключается в суммарной мгновенной мощности, принимающей постоянную величину на все время действия ЭДС. В самом трехфазном генераторе существует три самостоятельные обмотки, сдвинутые относительно друг друга на 120 градусов, так же как и начальные фазы электродвижущей силы.

Если для соединения каждой фазы использовать отдельный провод, то в конечном итоге это привело бы к созданию несвязной системы из шести проводников. Прежде всего, это невыгодно с точки зрения экономии, поскольку получается значительный перерасход материалов. Поэтому были разработаны наиболее оптимальные связанные системы соединения трехфазных электрических цепей.

Одним из таких способов является соединение звездой, когда все три фазы обмоток соединяются в общей нулевой точке. Таким образом, получается трех- или четырехпроводная система. В последнем варианте предполагается использование нулевого провода. Он может не применяться при наличии симметричной системы, с одинаковыми токами фаз. Однако в случае несимметричной нагрузки с разницей фазных токов, в нулевом проводе создается ток, равный сумме векторов этих фазных токов. При выходе из строя одной из фаз, нулевой провод может заменить ее и предотвратить аварийную ситуацию в трехфазной цепи. Однако в этом качестве его можно использовать лишь кратковременно, поскольку данный провод рассчитан на более низкие нагрузки, по сравнению с фазами.

Другой способ – соединение треугольником, когда конец одной обмотки соединяется с началом другой, образуя, таким образом, замкнутый контур. Каждая фаза находится под линейным напряжением, равным фазному напряжению. Однако фазный ток будет отличаться от линейного в меньшую сторону в 1,72 раза.

Цепь постоянного тока

Постоянный ток – такой ток, который с течением времени не меняется ни по величине ни по направлению. (Аналогично постоянное напряжение и эдс).220

Электрическая цепь – совокупность источника энергии, приемника энергии и соединительных проводов.

В источниках электрической энергии происходит преобразование различных видов энергии в электрическую.

В приемниках электрической энергии наоборот, электрическая энергия преобразуется в другие виды. Например, в механическую или тепловую.

Соединительные провода в некоторых электрических цепях играют очень важную роль (их диаметр). Правильный выбор проводов обеспечивает надежное и долговременное функционирование схем.

I==110/220=0,5A

I=2200/220=10A

Обязательное условие для протекания электрического тока в цепях это наличие замкнутого контура.

I – ток (сила тока) [A] Ампер

U – напряжение [B] Вольт

R – сопротивление [Oм]

G=– проводимость [См] Сименс

E – электро движущая сила ЭДС источника [B] Вольт

P – мощность активная [Вт] Ватт

Ток, напряжение и сопротивление связаны между собой законом Ома

I=– закон Ома

Сила тока, протекающего через сопротивление R прямо пропорционально падению напряжения на нем и обратно пропорционально величине этого сопротивления.

В электрических схемах принято изображать ток протекающем от «+» источника к «-».

В источнике стрелка показывает направление увеличения потенциала и ток течет от + к – по внешней цепи.

U=I*R

U=E=I*R

В изображенной схеме источник является идеальным, т.е. его внутреннее сопротивление равно 0. Реальные источники всегда имеют внутреннее сопротивление.

Rв – внутреннее сопротивление источника. Оно точно так же ограничивает ток как и сопротивление нагрузки R.

Uрв=I*Rв => UE в реальных источниках.

Если в задачах указана величина Rв учитывать ее обязательно и U≠E тем больше, чем больше это Rв.

Замечание. В изображенных примерах ток и напряжение совпадают по направлению и равно I=

Если ток и напряжение не совпадают, то в формуле появляется знак минус. I= -U/R

Закон Ома для участка цепи с ЭДС

I=

На участке содержащий несколько сопротивлений и источников ток равен дроби в числителе которой находится разность потенциалов взятое по направлению тока и алгебраическая сумма всех ЭДС источников, а в знаменателе общее сопротивление всей ветви.

— потенциалы зажимов ветви “a” и ‘b’

E “+” если I и E совпадает по направлению, и “-“ , если не совпадают.

∑ E=E2-E1

Общее сопротивление этой ветви определяется тремя сопротивлениями соединёнными последовательно, а значит их общее сопротивление является суммой этих сопротивлений

Rобщ=R1+R2+R3

I=

Чаще всего могут быть заданы не потенциалы этих узлов, а напряжения на ветви. Например Uab совпадающая с направлением тока или Uba встречное ему, тогда ток будет равен I=I=

Применение законов Кирхгофа для расчета электрических цепей постоянного тока

6 ветвей 4 узла

Ветвь электрической цепи — это часть схемы, в которой все элементы соединены последовательно или есть один элемент. По всем элементам ветви протекает один и тот же ток. Направления этих токов проставляются произвольно, если изначально они не заданы.

Узел электрической цепи — это точка, в которой соединяется не менее 3 ветвей.

Замкнутым контуром называется контур схемы, ограниченный несколькими ветвями

Электрическая цепь — это… Что такое Электрическая цепь?

Рисунок 1 — Условное обозначение электрической цепи

Электри́ческая цепь  — совокупность устройств, элементов, предназначенных для протекания электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий сила тока и напряжение.

Изображение электрической цепи с помощью условных знаков называют электрической схемой (рисунок 1).

Классификация электрических цепей

Неразветвленные и разветвленные электрические цепи

Рисунок 2 — Разветвленная цепь

Электрические цепи подразделяют на неразветвленные и разветвленные. На рисунке 1 представлена схема простейшей неразветвленной цепи. Во всех элементах ее течет один и тот же ток. Простейшая разветвленная цепь изображена на рисунке 2. В ней имеются три ветви и два узла. В каждой ветви течет свой ток. Ветвь можно определить как участок цепи, образованный последовательно соединенными элементами (через которые течет одинаковый ток) и заключенный между двумя узлами. В свою очередь узел есть точка цепи, в которой сходятся не менее трех ветвей. Если в месте пересечения двух линий на электрической схеме поставлена точка (рисунок 2), то в этом месте есть электрическое соединение двух линий, в противном случае его нет. Узел, в котором сходятся две ветви, одна из которых является продолжением другой, называют устранимым или вырожденным узлом

Линейные и нелинейные электрические цепи

Линейной электрической цепью называют такую цепь, все компоненты которой линейны. К линейным компонентам относятся зависимые и независимые идеализированные источники токов и напряжений, резисторы (подчиняющиеся закону Ома), и любые другие компоненты, описываемые линейными дифференциальными уравнениями, наиболее известны электрические конденсаторы и индуктивности. Если цепь содержит отличные от перечисленных компоненты, то она называется нелинейной.

Изображение электрической цепи с помощью условных обозначений называют электрической схемой. Функция зависимости тока, протекающего по двухполюсному компоненту от напряжения на этом компоненте называют вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Часто ВАХ изображают графически в декартовых координатах. При этом по оси абсцисс на графике обычно откладывают напряжение, а по оси ординат — ток.

В частности, омические резисторы, ВАХ которых описывается линейной функцией и на графике ВАХ являются прямыми линиями, называют линейными.

Примерами линейных (как правило, в очень хорошем приближении) цепей являются цепи, содержащие только резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности без ферромагнитных сердечников.

Некоторые нелинейные цепи можно приближенно описывать как линейные, если изменение приращений токов или напряжений на компоненте мало, при этом нелинейная ВАХ такого компонента заменяется линейной (касательной к ВАХ в рабочей точке). Этот подход называют «линеаризацией». При этом к цепи может быть прменён мощный математический аппарат анализа линейных цепей. Примерами таких нелинейных цепей, анализируемых как линейные относятся практически любые электронные устройства, работающие в линейном режиме и содержащие нелинейные активные и пассивные компоненты (усилители, генераторы и др.).

Законы, действующие в электрических цепях

См. также

Литература

  • Электротехника: Учеб. для вузов/А. С. Касаткин, М. В. Немцов.— 7-е изд., стер.— М.: Высш. шк., 2003.— 542 с.: ил. ISBN 5-06-003595-6
  • Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. — М.: Гардарики, 2002. — 638 с. — ISBN 5-8297-0026-3

Ссылки

1.2. Простейшая электрическая цепь, ее параметры

Электрической цепью называют совокупность соединенных друг с другом источников и приемников электрической энергии, по которым может протекать электрический ток.

Простейшая электрическая цепь состоит из источника, одного или нескольких последовательно соединенных приемников электрической энергии (нагрузок, потребителей) и соединительных проводов(рис. 1.2). Рис. 1.2

Источник питания образует внутреннюю часть цепи, а потребитель – совместно с соединительными проводами, измерительными приборами и коммутирующими аппаратами – внешнюю часть цепи.

Когда внешняя и внутренняя части цепи образуют замкнутый контур, в цепи возникает электрический ток.

Величина, или сила тока определяется количеством электричества (зарядом), проходящим через поперечное сечение проводника в единицу времени:

I=,А — для постоянного тока; ί=,А — для переменного тока.

Прохождение электрического тока в цепи связанно с процессами непрерывного преобразования энергии в каждом из ее элементов.

В процессе преобразования других видов энергии в электрическую в источнике питания возбуждается ЭДС Е,В.

Внешняя цепь и сам источник энергии обладают сопротивлением для прохождения электрического тока.

Физическая природа омического сопротивления R – тепловое движение атомов и молекул тела (сверхпроводимость). Величина сопротивления зависит от материала, формы и размеров проводника:

R = , Ом. (1.8)

Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью:

=, См. (1.9)

ЭДС Е напряжение U, ток I, сопротивление R в простейшей цепи связаны законом Ома:

I=. (1.10)

Для цепи на рис. 1.2:

I= . (1.11)

Из (1.11) следует уравнение электрического состояния цепи (рис.1.2):

Е=I R0+I R= I R0+U; (1.12)

Е=U+I·R0. (1.13)

Из (1.13) следует, что Е >U на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении:I R0.(1.14)

На основании определения напряжения, как работы по перемещению заряда +1 можно записать:

А=Uq=UIt; (1.15)

P==UI, (1.16)

где А– работа тока,Дж;Р– мощность тока, Вт.

Если в участке цепи электрическая энергия превращается только в тепло, то формулы (1.15) и (1.16) можно записать иначе (заменой U=I R):

А=I2RtиP=I2R.

Это закон Джоуля – Ленца (коэффициент 0,24 принимается для перевода АизДжвкал).

Для расчета цепей выбирается условно положительное направление Е, U, Iи оно обозначается стрелкой (рис. 1.3).

Рис. 1.3 Е направлено внутри источника от (-) к (+) [1].

Ток в простейшей цепи совпадает по направлению с ЭДС. В сложной цепи направление тока в какой-то ветви всегда неочевидно до расчета, поэтому оно выбирается произвольно. Стрелка напряжения Uнаправляется от точек более высокого потенциала к точкам более низкого.

1.3. Режимы работы электрической цепи постоянного тока

Наиболее характерными является 4 режима: номинальный, холостого хода, короткого замыкания и согласованный.

  1. Номинальный режим источников и приемников в электрической цепи характеризуется тем, что напряжения, токи и мощности их соответствуют тем значениям, на которые они рассчитаны заводами изготовителями.

  2. Режим холостого хода. Ток источников и приемников равен нулю (I=0).

  3. Режим короткого замыкания. Напряжение на участке равно нулю (Uкз=0), приемник шунтован очень малым сопротивлениемR→0.

  4. Согласованный режим – когда пассивный элемент внешней цепи работает с максимальной мощностью при данном источнике.

Легко получить условия согласованного режима. Запишем уравнение электрического состояния простейшей цепи (рис. 1.1):

Е=U+R0I , где U=I·R. (1.17)

R– сопротивление внешней цепи,

R0– сопротивление источника.

Умножим (1.17) на I:

EI = UI + R0I2,

или

P1=P2+P0,

где

Р1– мощность источника,

Р2мощность передаваемая во внешнюю цепь,

Р0– мощность потерь внутреннего источника.

Р2=UI= RI2=R– имеет максимум,

когда величина:– максимальна т.е.:

,

или

(R0+R)2–2R(R0+R)=0, R0+R–2R=0, R=R0 .

Следовательно, внешняя цепь и источник работают в согласованном режиме при R=R0.

Кпд в согласованном режиме равен:

η====0,5.

С цепями согласованного режима приходится иметь дело тогда, когда низкий кпд не имеет решающего значения из-за малой мощности цепи и когда вопрос максимальной мощности в нагрузке преобладает над соображениями экономического порядка.

Основные законы электрических цепей.

При анализе простых и сложных цепей широко используются законы Ома, Кирхгофа, Джоуля Ленца, Фарадея, Ампера.

Существует 2 законы Ома:

  1. Для участка цепи

  2. Для полной цепи

Ток в участке цепи прямопропорционален напряжению на данном участке и обратно пропорционален сопротивлению на данном участке:

илиU=I*R

Произведение тока участка цепи на величину сопротивления называют падением на данном участке. Ток в электрической цепи прямопропорционален ЭДС источника и обратно пропорционален сумме сопротивлений, которые состоят из внутреннего сопротивления источника питания и внешнего.

Существует 2 закона Кирхгофа:

Первый закон Кирхгофаприменяется для узла электрической цепи (точки, где сходятся три и более ветви). Формулируется он следующим образом: алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна 0.

Второй закон Кирхгофасправедлив для контура электрической цепи (любого замкнутого пути, образованного одной или более ветвями) и формулируется следующим образом:в любом замкнутом контуре электрической цепи алгебраическая сумма падений напряжений на участках цепи, входящих в этот контур, равна алгебраической сумме ЭДС в нем:

Закон Джоуля-Ленцапозволяет определить количество тепловой энергии, которая выделяется на сопротивлениеrпри протекании по нему электрического токаI. Математическая запись этого закона имеет вид:

W=

Для характеристики скорости превращения электрической энергии в тепловую используют мощность, выражение для которой можно получить из закона Джоуля-Ленца:

P=W/t=r=/r=UI

Закон электромагнитной индукции Фарадеяустанавливает связь между индуктированием ЭДС в электрических цепях и изменением магнитного потока, пронизывающего поверхность, ограниченную контуром цепи, или индуктированием ЭДС в проводнике при пересечении им магнитного поля. В соответствии с этим законом ЭДС, индуктируемая в цепи при изменении магнитного потока Ф, проходящего через поверхность, ограниченную контуром, равна скорости изменения магнитного потока, взятой с отрицательным знаком:

E=-dФ/dt

  1. Эквивалентные преобразования в электрических цепях.

Под эквивалентными преобразованиями подразумевается замену участков электрической цепи, содержащей последовательно и параллельно соединенных несколько элементов одним элементом. При чем в результате замены общий ток и общее напряжение цепи не изменяется. Главной особенностью последовательного соединения является наличие общего тока одинакового по значению для всех элементов, включая последовательные.

Одинаковое значение тока на всех элементах включенных последовательно приводит к тому, что напряжение на каждом из элементов, включенных последовательно прямопропорционально сопротивлению участка цепи.

Общее напряжение в цепи:

U=++= I(++)=I

При параллельном соединении элементов условное начало объединяется в одну точку, а условные концы в другую. В результате на всех будет находиться одинаковое напряжение.

Токи в элементах, включенные параллельно обратно пропорциональны сопротивлению ветвей, включенных параллельно.

===

Данную цепь, состоящую из трех элементов, можно заменить одним эквивалентным потребителем. При этом напряжение и ток I не изменяться.

Здесь:

Для двух включенных параллельно:

Преобразование треугольника в звезду:

======

======

Тогда получим:

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *