Что такое цепь постоянного тока. Какие основные элементы входят в состав электрической цепи. Как определяется направление тока в цепи. Что такое источники и потребители электроэнергии. Какие бывают виды электрических схем. Чем отличаются линейные и нелинейные цепи.
Основные элементы и понятия электрической цепи постоянного тока
Электрическая цепь постоянного тока представляет собой совокупность устройств и объектов, образующих замкнутый путь для протекания электрического тока. Рассмотрим основные элементы, входящие в состав такой цепи:
- Источники электроэнергии (первичные и вторичные)
- Потребители электроэнергии
- Вспомогательные элементы
- Соединительные провода
Источники электроэнергии преобразуют различные виды энергии в электрическую. К первичным источникам относятся гальванические элементы, аккумуляторы, электрогенераторы, фотоэлементы. Вторичные источники преобразуют один вид электрической энергии в другой (например, выпрямители, трансформаторы).
Потребители осуществляют обратное преобразование электрической энергии в другие виды. Это могут быть нагревательные элементы, электродвигатели, осветительные приборы.
К вспомогательным элементам относятся коммутационные устройства, измерительные приборы, элементы защиты.
Основные характеристики электрической цепи постоянного тока
Важнейшими характеристиками цепи постоянного тока являются:
- Электрический ток
- Напряжение
- Сопротивление
- Электродвижущая сила (ЭДС)
Электрический ток представляет собой направленное движение заряженных частиц. В металлических проводниках это поток свободных электронов. Единица измерения тока — ампер (А).
Напряжение — это разность электрических потенциалов между двумя точками цепи. Оно является причиной возникновения электрического тока. Измеряется в вольтах (В).
Сопротивление характеризует способность проводника препятствовать прохождению электрического тока. Единица измерения — Ом.
ЭДС — это характеристика источника энергии, показывающая работу сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда. Измеряется также в вольтах.
Направление электрического тока в цепи
При рассмотрении направления тока в цепи важно различать:
- Направление движения электронов
- Условное направление тока
Реальное движение электронов происходит от отрицательного полюса источника к положительному. Однако исторически сложилось, что за направление тока принимают направление движения положительных зарядов — от «+» к «-«. Это условное направление тока используется при анализе электрических цепей.
Виды электрических схем постоянного тока
Для анализа и расчета реальных электрических цепей используются упрощенные схемы замещения. Различают следующие виды схем:
- Принципиальные
- Структурные
- Функциональные
Принципиальная схема отображает все элементы цепи и связи между ними с помощью условных графических обозначений. Она дает полное представление о работе устройства.
Монтажная схема показывает реальное расположение компонентов и соединений между ними. Используется при сборке и наладке оборудования.
Структурная схема отображает основные функциональные части устройства и связи между ними. Дает общее представление о принципе работы.
Функциональная схема раскрывает процессы, протекающие в отдельных функциональных узлах и в изделии в целом.
Основные элементы электрических схем постоянного тока
На электрических схемах элементы цепи обозначаются специальными символами. Рассмотрим основные из них:
- Источник ЭДС — в виде круга с обозначением полярности
- Резистор — в виде прямоугольника или зигзагообразной линии
- Конденсатор — в виде двух параллельных пластин
- Катушка индуктивности — в виде нескольких витков
- Ключ или переключатель — в виде разрыва линии
- Измерительные приборы — в виде окружности с обозначением внутри
Соединения между элементами показываются линиями. Места соединения проводников обозначаются точками.
Законы электрических цепей постоянного тока
Основными законами, описывающими процессы в цепях постоянного тока, являются:
- Закон Ома
- Законы Кирхгофа
- Закон Джоуля-Ленца
Закон Ома устанавливает связь между током, напряжением и сопротивлением участка цепи: I = U / R.
Первый закон Кирхгофа гласит, что алгебраическая сумма токов в узле равна нулю. Второй закон Кирхгофа: сумма падений напряжений в замкнутом контуре равна сумме ЭДС.
Закон Джоуля-Ленца определяет количество теплоты, выделяемое на участке цепи: Q = I^2 * R * t.
Линейные и нелинейные электрические цепи
По характеру вольт-амперных характеристик элементов различают:
- Линейные цепи
- Нелинейные цепи
В линейных цепях параметры элементов (сопротивление, индуктивность, емкость) не зависят от тока и напряжения. Для них справедлив принцип суперпозиции.
В нелинейных цепях хотя бы один элемент имеет нелинейную вольт-амперную характеристику. Например, лампа накаливания, у которой сопротивление зависит от температуры нити.
Методы расчета электрических цепей постоянного тока
Для анализа сложных электрических цепей применяются различные методы расчета:
- Метод контурных токов
- Метод узловых потенциалов
- Метод наложения
- Метод эквивалентного генератора
Выбор конкретного метода зависит от структуры цепи и поставленной задачи. Например, метод контурных токов удобен для цепей с несколькими замкнутыми контурами. Метод узловых потенциалов эффективен при большом количестве узлов в схеме.
Особенности метода контурных токов
Метод контурных токов позволяет уменьшить число уравнений при расчете сложных цепей. Суть метода:
- Выбираются независимые контуры
- Вводятся контурные токи
- Составляются уравнения по второму закону Кирхгофа
- Решается система уравнений
Этот метод особенно эффективен для цепей с большим количеством параллельных ветвей.
Применение метода узловых потенциалов
Метод узловых потенциалов основан на составлении уравнений по первому закону Кирхгофа. Алгоритм расчета:
- Выбирается узел с нулевым потенциалом
- Составляются уравнения для остальных узлов
- Определяются узловые потенциалы
- Рассчитываются токи в ветвях
Этот метод удобен при анализе цепей со сложной топологией и большим числом узлов.
Энергетические соотношения в цепях постоянного тока
В электрических цепях постоянного тока важную роль играют энергетические процессы. Рассмотрим основные соотношения:
- Мощность источника: P = E * I
- Мощность, выделяемая на нагрузке: P = U * I = I^2 * R
- КПД цепи: η = Pнагр / Pист
Баланс мощностей в цепи: сумма мощностей, выделяемых на всех элементах, равна мощности источников. Это следствие закона сохранения энергии.
Согласование источника и нагрузки
Для получения максимальной мощности в нагрузке необходимо согласование параметров источника и потребителя. Условие согласования:
Rн = Rвн
где Rн — сопротивление нагрузки, Rвн — внутреннее сопротивление источника.
При этом КПД составляет 50%, а напряжение на нагрузке равно половине ЭДС источника.
Переходные процессы в цепях постоянного тока
Переходные процессы возникают при коммутации в цепях с реактивными элементами (индуктивностями и емкостями). Основные характеристики переходных процессов:
- Постоянная времени цепи
- Длительность переходного процесса
- Энергия, запасенная в реактивных элементах
Для цепи RC постоянная времени τ = R * C. Для цепи RL: τ = L / R.
Длительность переходного процесса принимается равной (3-5)τ.
Энергия, запасенная в конденсаторе: W = C * U^2 / 2.
Энергия магнитного поля катушки: W = L * I^2 / 2.
Законы коммутации
При анализе переходных процессов используются законы коммутации:
- Ток в индуктивности не может изменяться скачком
- Напряжение на емкости не может изменяться скачком
Эти законы позволяют определить начальные условия переходного процесса.
Применение цепей постоянного тока
Цепи постоянного тока находят широкое применение в различных областях техники:
- Системы электропитания
- Электротранспорт
- Электрохимические производства
- Системы автоматики и управления
- Измерительная техника
В системах электропитания постоянный ток используется для питания электронной аппаратуры, зарядки аккумуляторов. В электротранспорте — для питания тяговых электродвигателей.
Электрохимические производства (гальваника, электролиз) основаны на прохождении постоянного тока через электролиты. В системах автоматики постоянный ток применяется для питания датчиков, исполнительных механизмов.
В измерительной технике на постоянном токе работают многие электроизмерительные приборы.
Цепи постоянного тока. Элементы цепи, определение
- admin
- 03.05.2022
- 0 comments
Цепи постоянного тока это совокупность объектов и устройств, которые создают путь для движения электрического тока. При этом все происходящие электромагнитные процессы описываются с применение понятий об электродвижущей силе электрическом напряжении и токе.
Все объекты и устройства, которые входят в цепь постоянного тока подразделяются на категории. Первая из них это источники тока. Те источники, в которых идет преобразование не электрической энергии в электрическую называются первичными. К ним относятся гальванические элементы аккумуляторы электрогенераторы фотоэлементы. Если же источник преобразует электрическую энергию, то он называется вторичным. К таким источникам можно отнести выпрямители трансформаторы стабилизаторы и преобразователи.
Кроме источников тока существуют потребители. В них идет обратный процесс преобразования энергии.
То есть электрическая переходит в другие виды. В частности в тепловую в нагревательных элементах или в электромагнитную в виде излучения.
И все что осталось относиться к вспомогательным элементам цепи постоянного тока. То есть, то, что не является ни источником, ни потребителем энергии. Сюда можно отнести соединительные провода коммутационные разъёмы переключатели измерительные приборы.
Реальные электрические цепи для упрощения их анализа и расчета изображаются в виде электрических схем. В которых реальные объекты и устройства заменяются на графические условные обозначения. Реальные источники тока в таких электрических схемах представляются в виде источника эдс с внутренним сопротивлением. Нагревательные элементы и им подобные изображаются в виде эквивалентного электрического сопротивления.
Рисунок 1 — пример электрической схемы
В случае проведения расчетов с использованием электрических схем выделяют некоторые понятия. Например, ветвь электрической цепи это такой участок схемы на котором значение тока неизменно.
В такую ветвь может входить от одного до нескольких элементов включённых последовательно.
Рисунок 2 — ветвь электрической цепи
Узлом электрической цепи называется та часть цепи, где происходит соединение минимум трех ветвей. На практике их может быть значительно больше. А соединение двух ветвей это будет также одна ветвь без разветвлений, но разбитая на части. И ток в них будет протекать все равно один и тот же. Если две различные ветви соединяют два разных узла, то они называются параллельными.
Рисунок 3 — узел электрической цепи
Ток в цепи постоянного тока не может протекать, если она не замкнута. И та часть цепи, которая состоит из нескольких ветвей и при этом она замкнута, называется контуром.
Рисунок 4 — контур электрической цепи
Любая цепь электрического постоянного тока, состоящая из выше перечисленных элементов, может быть отнесена к одному из двух видов цепей. Первая это линейная электрическая цепь.
В такой цепи присутствуют только такие элементы параметры, которых не изменяются с изменением тока проходящего через них. В роли такого параметра может выступать сопротивление.
В нелинейных электрических цепях также могут присутствовать линейные элементы. Но отличаются такие цепи наличием одно или более нелинейного элемента. То есть в таком элементе изменяется один из параметров при протекании тока через него. Простейшим нелинейным элементом является лампа накаливания. В холодном состоянии спираль имеет более низкое сопротивление, а при прохождении тока через нее сопротивление увеличивается.
Цепи постоянного и переменного тока
Электрическая цепь представляет собой средства и объекты, образующие, в совокупности, путь для прохождения электрического тока. Электромагнитные процессы, происходящие в них, могут получить свое определение при помощи таких понятий, как сила тока, напряжение, сопротивление и электродвижущая сила.
Цепи постоянного тока
В состав входят отдельные устройства, которые выполняют свои определенные функции.
Они называются элементами электрической цепи. Основными элементами считаются источники электроэнергии и устройства, принимающие эту энергию. Во всех источниках, с не электрическими материалами происходит преобразование в электрическую энергию. Наиболее распространенными источниками являются аккумуляторы, гальванические элементы, электромагнитные генераторы, солнечные батареи и другие.
С помощью приемников электроэнергия может преобразовываться в иные виды энергии. К основным видам таких приемников можно отнести нагревательные элементы и приборы, электродвигатели, гальванические ванны, приборы освещения и прочие.
Кроме того, в электрической цепи содержатся элементы вспомогательного назначения. Например, с помощью реостатов, регулируется величина, напряжение регулируется при помощи потенциометров и делителей. От перегрузок цепь защищают предохранители, коммутацию обеспечивают выключатели. Контроль над режимом работы осуществляется контрольно измерительными приборами.
Цепи переменного тока
Переменным называют электрический ток, способный менять направление своего движения периодически, за определенные промежутки времени.
Поскольку у него происходит изменение во времени, здесь невозможно применять расчеты, подходящие для цепей постоянного тока. При наличии высокой частоты, заряды совершают колебательное движение. Они переходят в цепи из одних мест в другие и в обратном направлении. При переменном в отличие от постоянного, последовательно соединенные проводники могут иметь неодинаковые значения. Этот эффект усиливается наличием емкостей в цепи. Здесь же наблюдается эффект самоиндукции, возникающий при использовании катушек с большой индуктивностью даже при низкой частоте.
Рассмотрим свойства цепи, подключаемой к генератору с переменным синусоидальным током. Роль конденсатора при подключении его в цепи постоянного и переменного тока совершенно различная. При постоянном, конденсатор заряжается до тех пор, пока его напряжение не сравняется с ЭДС источника тока. В этом случае зарядка прекращается и он падает до нуля. Если такую же цепь подключить к генератору переменного тока, то электроны будут перемещаться из одной части конденсатора в другую.
Эти электроны и есть переменный ток с одинаковой силой с обеих сторон конденсатора.
Введение. Цепи постоянного тока. Основы электроники
Цепи постоянного тока
Электрические цепи
Электрическая цепь – это совокупность отдельных компонентов (элементов), имеющих были соединены токопроводящими проводами. Например, лампочка, соединенная проводниками через батарею образует простую электрическую цепь. В этой цепи электрический ток будет поток от аккумулятора к лампочке.
Электрический ток и напряжение
Электрический ток в проводе представляет собой направленный дрейф зарядов (электронов)
от одного атома к другому по всей длине провода. Единица тока
— ампер, А.
Для протекания тока необходимы два условия:
Один представляет собой проволоку из материала, допускающего легкий дрейф электронов от атома к атому;
другой — разница зарядов вдоль провода от одного конца до другого.
Эта разница заряда называется напряжением . Единицей напряжения является вольт, В. Напряжение можно описать как электрическое давление, вызывающее протекание тока. Напряжение также упоминается многими другие выражения: давление, потенциал, разность потенциалов, падение напряжения, или электродвижущая сила (ЭДС).
Доказано, что электроны (отрицательные заряды) движутся по проводнику в ответ на электрическое поле (напряжение). Электронный поток тока есть определяется как направленный поток электронов. Направление движения электрона находится от области с отрицательным потенциалом (например, «-» полюс батареи) к область положительного потенциала (например, «+» полюс батареи).
условное направление тока противоположно направлению
что электроны действительно текут (см.
схему фонарика ниже). Этот
конвенция была создана в то время, когда течение считалось
поток положительного заряда.
Существует три основных типа тока, отличающихся тем, как они изменяются по направлению и величине.
- Чистый постоянный ток (DC) течет только в одном направлении и незначительно изменяется (если вообще меняется) по величине.
- Пульсирующий постоянный ток представляет собой ток, направление которого постоянно, но величина которого значительно изменяется при коротком замыкании. интервал времени.
- Переменный ток (AC) различается как по величине, так и по направлению. То есть направление ток периодически меняется на противоположный.
Источники напряжения
Источник напряжения представляет собой устройство, способное
подача и поддержание напряжения при некоторых типах электрических
устройство подключено к его клеммам. Внутреннее действие источника
таким образом, что электроны непрерывно удаляются с одного терминала,
сохраняя его положительным, и одновременно подается на второй вывод, который
сохраняет отрицательный заряд.
Наиболее распространенными устройствами для подачи напряжения являются аккумуляторы и генераторы. Аккумуляторы широко используются в качестве источников электрической энергии постоянного тока. Генератор – это машина, преобразующая механическую энергию в электрическая энергия (переменного или постоянного тока) с использованием принципа магнитной индукции.
Принципиальная схема
Принципиальная схема представляет собой «изображение» схемы, в которой используются символы представлять различные компоненты схемы; физически большой или сложный схемы можно изобразить на относительно небольшой схеме. Прежде чем изучать базовую схему, посмотрите на рисунок ниже. Эта фигура показывает символы, которые обычно используются. Эти и подобные им упоминается и используется при изучении электричества и электроника.
Символы, обычно используемые в электричестве.
Основная электрическая цепь
Фонарик является примером базовой электрической цепи.
Он содержит
источник электроэнергии (батарея), нагрузка (лампочка), которая изменяет
электрическую энергию в более полезную форму энергии (свет),
и переключатель для управления энергией, подаваемой на нагрузку.
Перед тем, как изучить схематическое изображение фонарика, необходимо для определения определенных терминов. нагрузка — любое устройство, через которое течет электрический ток, который превращает эту электрическую энергию в более полезная форма. Некоторыми распространенными примерами нагрузок являются лампочка, которая меняет электрическая энергия в световую энергию; электродвигатель, который изменяет электрические энергия в механическую энергию; и динамик в радио, который меняет электрическая энергия в звук. Переключатель , позволяющий управлять электрическое устройство, прерывает ток, подаваемый на нагрузку.
Схема на рисунке ниже представляет фонарик. Вид А на рисунке
показывает фонарь в выключенном или обесточенном состоянии. Выключатель
открыт.
Не существует полного пути для тока ( I ) через
цепи, а лампочка (лампа) не горит. На виде B переключитесь
закрыто. Ток течет в направлении стрелок от положительного
клемма аккумулятора, через выключатель, через
лампы, и обратно к минусовой клемме аккумулятора. С
переключатель закрыл путь для тока завершен. Текущий будет продолжать
течь до тех пор, пока переключатель не будет переведен в открытое положение или
батарея полностью разряжена.
Базовая схема фонарика.
Цепи постоянного тока — Codrey Electronics
Цепи постоянного тока являются основными строительными блоками электронных проектов. Цепи постоянного тока могут быть цепями питания. Они также включают электронные компоненты, такие как резистор, конденсатор, диод, транзистор и т. д. В этом разделе вы изучите основы цепей постоянного тока и электрические цепи постоянного тока, используемые в электронике.
Написано статей 21
Цепи постоянного тока Электротехника
Что такое электрический предохранитель? Чтобы определить предохранитель, это электрическое защитное устройство, которое используется для защиты компонентов, цепей и от риска возгорания и повреждения из-за условий перегрузки по току. […]
Подробнее
Схема делителя напряженияЦепи постоянного тока
Делитель напряжения и делитель тока — наиболее распространенные правила, применяемые в практической электронике. Как известно, в цепи есть два типа комбинаций, это последовательное и параллельное соединения. Параллельные цепи […]
Подробнее
Цепи постоянного тока Основы электричества
Проводимость, Температурный коэффициент, удельное сопротивление и удельное сопротивление — это свойства электрического проводника или любого другого материала. Все они могут быть поняты сопротивлением. Сопротивление – это степень препятствия потоку […]
Подробнее
Наглядная принципиальная схемаЦепи постоянного тока Основы электроэнергетики
Электрическая цепь представляет собой взаимосвязь электрических компонентов. Электрическая цепь состоит из батарей, резисторов, катушек индуктивности, конденсаторов, переключателей или транзисторов. Электрическая сеть состоит из замкнутого контура. Цепь — это замкнутый путь, где […]
Подробнее
Цепи постоянного тока Резистор
Резисторы можно увидеть практически во всех электронных схемах. Существует много типов резисторов, и их можно разделить на две группы, а именно постоянный резистор и регулируемый резистор (переменный резистор). Основная функция […]
Подробнее
Цепи постоянного тока Основы электроэнергетики
Источник – это устройство, которое преобразует механическую, химическую, тепловую или какую-либо другую энергию в электрическую. Типы источников, имеющихся в электрической сети, это источник напряжения и источник тока […]
Подробнее
Электрическое сопротивление электрического проводника – это мера сложности прохождения электрического тока через этот проводник. Внутри проводника беспорядочно движутся свободные электроны. Когда к нему прикладывается электрический потенциал, электроны сталкиваются […]
Подробнее
Цепи постоянного тока Основы электричества
Ток является мерой скорости потока электрических зарядов по проводнику. Измеряется в единицах Ампер. Это измерение тока в цепи в основном выполняется амперметром. Амперметр […]
Подробнее
Направление теченияЦепи постоянного тока Основы электричества
