Определение электрической цепи. Расчет простых электрических цепей постоянного тока: основные понятия, методы и примеры

Что такое простая электрическая цепь постоянного тока. Как рассчитать токи и напряжения в простых цепях. Какие законы и методы используются для расчета простых электрических цепей. Какие виды соединений элементов бывают в простых цепях. Как решать типовые задачи на расчет простых цепей постоянного тока.

Что такое простая электрическая цепь постоянного тока

Простой электрической цепью постоянного тока называется цепь, которая может быть сведена к схеме с одним источником и одним эквивалентным сопротивлением. Такие цепи содержат только последовательные, параллельные или смешанные соединения элементов. К простым цепям не относятся схемы со сложными соединениями типа «звезда» и «треугольник».

Основные элементы простой электрической цепи постоянного тока:

• Источник ЭДС (батарея, генератор постоянного тока)
• Приемники электроэнергии (резисторы, лампы, нагреватели и т.д.)
• Соединительные провода
• Коммутационные устройства (выключатели, переключатели)

Законы, используемые для расчета простых цепей

Основные законы, применяемые при расчете простых электрических цепей постоянного тока:

• Закон Ома для участка цепи: I = U / R
• Закон Ома для полной цепи: I = E / (R + r)
• Первый закон Кирхгофа: Σ I = 0
• Второй закон Кирхгофа: Σ E = Σ I * R

Где:

• I — сила тока
• U — напряжение
• R — сопротивление участка цепи
• E — ЭДС источника
• r — внутреннее сопротивление источника

Виды соединений элементов в простых цепях

В простых электрических цепях постоянного тока встречаются следующие виды соединений элементов:

Последовательное соединение

При последовательном соединении элементы цепи соединяются друг за другом, образуя неразветвленную цепь. Через все элементы протекает одинаковый ток. Общее сопротивление цепи равно сумме сопротивлений отдельных элементов:

R = R1 + R2 + R3 + …

Параллельное соединение

При параллельном соединении все элементы подключаются к одним и тем же узлам цепи. Напряжение на всех элементах одинаково. Общая проводимость цепи равна сумме проводимостей отдельных ветвей:

1/R = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + …

Смешанное соединение

Смешанное соединение представляет собой комбинацию последовательных и параллельных участков. Расчет таких цепей выполняется поэтапным преобразованием схемы.

Методы расчета простых электрических цепей

Основные методы, применяемые для расчета простых цепей постоянного тока:

• Метод эквивалентных преобразований
• Метод узловых потенциалов
• Метод контурных токов
• Метод наложения
• Метод эквивалентного генератора

Выбор конкретного метода зависит от сложности схемы и поставленной задачи. Для наиболее простых цепей часто достаточно применения закона Ома и правил последовательного и параллельного соединения.

Порядок расчета простой электрической цепи

Типовой алгоритм расчета простой электрической цепи постоянного тока:

1. Анализ схемы, определение типа соединений
2. Преобразование сложных участков к эквивалентным сопротивлениям
3. Расчет общего сопротивления цепи
4. Определение общего тока цепи по закону Ома
5. Расчет напряжений на отдельных участках
6. Определение токов в ветвях
7. Проверка баланса мощностей

Пример расчета простой цепи постоянного тока

Рассмотрим пример расчета простой электрической цепи постоянного тока:

Дано: Источник ЭДС E = 12 В с внутренним сопротивлением r = 0.5 Ом. К источнику подключены последовательно два резистора R1 = 2 Ом и R2 = 3.5 Ом.

Требуется определить:

1. Общий ток в цепи
2. Напряжения на резисторах
3. Мощность, выделяемую на резисторах

Решение:

1. Рассчитаем общее сопротивление цепи: R = r + R1 + R2 = 0.5 + 2 + 3.5 = 6 Ом
2. Определим общий ток по закону Ома для полной цепи: I = E / R = 12 / 6 = 2 А
3. Рассчитаем напряжения на резисторах: U1 = I * R1 = 2 * 2 = 4 В U2 = I * R2 = 2 * 3.5 = 7 В
4. Определим мощность, выделяемую на резисторах: P1 = I^2 * R1 = 2^2 * 2 = 8 Вт P2 = I^2 * R2 = 2^2 * 3.5 = 14 Вт

Проверка: Общая мощность источника должна равняться сумме мощностей на резисторах: P = E * I = 12 * 2 = 24 Вт P1 + P2 = 8 + 14 = 22 Вт Разница в 2 Вт выделяется на внутреннем сопротивлении источника.

Особенности расчета цепей со смешанным соединением

При расчете цепей со смешанным соединением элементов следует придерживаться следующего алгоритма:

1. Разбить схему на участки с последовательным и параллельным соединением
2. Рассчитать эквивалентные сопротивления для параллельных участков
3. Заменить параллельные участки эквивалентными сопротивлениями
4. Рассчитать общее сопротивление преобразованной цепи
5. Определить общий ток
6. Рассчитать напряжения на преобразованных участках
7. Определить токи в параллельных ветвях

Применение метода эквивалентного генератора

Метод эквивалентного генератора позволяет упростить расчет сложных цепей, когда нужно определить ток только в одной ветви. Суть метода заключается в замене всей цепи, кроме исследуемой ветви, эквивалентным генератором с ЭДС Eэкв и внутренним сопротивлением Rэкв.

Порядок расчета методом эквивалентного генератора:

1. Разомкнуть исследуемую ветвь
2. Определить напряжение холостого хода Uхх на зажимах разомкнутой ветви
3. Закоротить все источники ЭДС
4. Рассчитать входное сопротивление Rвх со стороны разомкнутой ветви
5. Составить эквивалентную схему: Eэкв = Uхх, Rэкв = Rвх
6. Определить ток в исследуемой ветви по закону Ома

Проверка правильности расчетов электрических цепей

Для проверки правильности расчетов электрических цепей постоянного тока используются следующие методы:

• Проверка выполнения первого закона Кирхгофа для узлов схемы
• Проверка выполнения второго закона Кирхгофа для контуров схемы
• Составление баланса мощностей
• Сравнение результатов, полученных разными методами расчета

Баланс мощностей предполагает равенство мощности, вырабатываемой источниками, сумме мощностей, потребляемых приемниками:

Σ(E * I) = Σ(I^2 * R)

Где E — ЭДС источников, I — токи в соответствующих ветвях, R — сопротивления приемников.

контур, схема, расчет, разветвленные и линейные цепи

На чтение 9 мин Просмотров 844 Опубликовано 02.09.2019 Обновлено 29.08.2019

При обустройстве новой квартиры или дома, обновлении или ремонте жилья приходится сталкиваться с элементами, предназначенными для протекания электрического тока. Важно знать, что представляет собой электрическая цепь, из чего она состоит, зачем нужна схема, и какие расчеты необходимо выполнить.

Что такое электрические цепи

Электрической цепью называют совокупность устройств, необходимых для прохождения по ним электрического тока

Электрическая цепь – это комплекс различных элементов, соединенных между собой. Она предназначена для протекания электрического тока, где происходят переходные процессы. Движение электронов обеспечивается наличием разности потенциалов и может быть описано при помощи таких терминов, как напряжение и сила тока.

Внутренняя цепь обеспечивается подключением напряжения, как источника питания. Остальные элементы образуют внешнюю сеть. Для движения зарядов в источнике питания поля потребуется приложение сторонней силы. Это может быть обмотка генератора, трансформатора или гальванический источник.

Чтобы такая система правильно функционировала, ее контур должен быть замкнутый, иначе ток протекать не будет. Это обязательное условие для согласованной работы всех устройств. Не всякий контур может быть электрической цепью. Например, линии заземления или защиты не являются таковыми, поскольку в обычном режиме по ним не проходит ток. Назвать их электрическими можно по принципу действия. В аварийной ситуации по ним проходит ток, а контур замыкается, уходя в грунт.

В зависимости от источника питания напряжение в цепи может быть постоянным или переменным. Батарея элементов дает постоянное напряжение, а обмотки генераторов или трансформаторов – переменное.

Основные компоненты

Инвентор электрического тока

Все составные части в цепи участвуют в одном электромагнитном процессе. Условно их разделяют на три группы.

• Первичные источники электрической энергии и сигналов могут преобразовывать энергию неэлектромагнитной природы в электрическую. Например, гальванический элемент, аккумулятор, электромеханический генератор.
• Вторичный тип, как на входе, так и на выходе имеет электрическую энергию. Изменяются только ее параметры – напряжение и ток, их форма, величина и частота. Примером могут быть выпрямители, инверторы, трансформаторы.
• Потребители активной энергии преобразовывают электрический ток в освещение или тепло. Это электротермические устройства, лампы, резисторы, электродвигатели.
• К вспомогательным компонентам относят коммутационные устройства, измерительные приборы, соединительные элементы и провод.

Основой электрической сети является схема. Это графический рисунок, который содержит условные изображения и обозначения элементов и их соединение. Они выполняются согласно ГОСТу 2.721-74 – 2.758-81

Схема простейшей линии включает в себя гальванический элемент. С помощью проводов к нему через выключатель подсоединена лампа накаливания. Для измерения силы тока и напряжения в нее включен вольтметр и амперметр.

Классификация цепей

Электроцепи классифицируют по типу сложности: простые (неразветвленные) и сложные (разветвленные). Есть разделение на цепи постоянного тока и переменного, а также синусоидального и несинусоидального. Исходя из характера элементов, они бывают линейные и нелинейные. Линии переменного тока могут быть однофазными и трехфазными.

Разветвленные и неразветвленные

Во всех элементах неразветвленной цепи течет один и тот же ток. Простейшая разветвленная линия включает в себя три ветви и два узла. В каждой ветви течет свой ток. Ветвь определяют как участок цепи, который образован последовательно соединенными элементами, заключенными между двух узлов. Узел – это точка, в которой сходятся три ветви.

Если на схеме при пересечении двух прямых поставлена точка, в этом месте есть электрическое соединение двух линий. Если узел не обозначен – цепь неразветвленная.

Линейные и нелинейные

Электрическая цепь, в которой потребители не зависят от значения напряжения и направления токов, а все компоненты линейные, называется линейной. К элементам такой цепи относятся зависимые и независимые источники токов и напряжений. В линейной сопротивление элемента не зависит от тока, например, электропечь.

В нелинейной, пассивные элементы зависят от значений направления токов и напряжения, имеют хотя бы один нелинейный элемент. Например, сопротивление лампы накаливания зависит от скачков напряжения и силы тока.

Обозначения элементов на схеме

Прежде чем приступить к монтажу оборудования необходимо изучить нормативные сопровождающие документы. Схема позволяет донести до пользователя полную характеристику изделия с помощью буквенных и графических обозначений, занесенных в единый реестр конструкторской документации.

К чертежу прилагаются дополнительные документы. Их перечень может быть указан в алфавитном порядке с цифровой сортировкой на самом чертеже, либо отдельным листом. Классифицируют десять видов схем, в электротехнике обычно используют три основные схемы.

• Функциональная имеет минимальную детализацию. Основные функции узлов изображают прямоугольником с буквенными обозначениями.
• Принципиальная схема подробно отображает конструкцию использованных элементов, а также их связи и контакты. Необходимые параметры могут быть отображены непосредственно на схеме или в отдельном документе. Если указана только часть установки, это однолинейная схема, когда указаны все элементы – полная.
• В монтажной электрической схеме используют позиционные обозначения элементов, их месторасположение, способ монтажа и очередность.

Для чтения электросхем нужно знать условные графические обозначения. Провода, которые соединяют элементы, изображаются линиями. Сплошная линия – это общее обозначение проводки. Над ней могут быть указаны данные о способе прокладки, материале, напряжении, токе. Для однолинейной схемы группа проводников изображается пунктирной линией. В начале и в конце указывают маркировку провода и место его подключения.

Вертикальные засечки на линии проводки говорят о количестве проводников. Если их более трех, выполняют цифровое обозначение. Прерывистой линией обозначают управляющие цепи, сеть охранного, эвакуационного, аварийного освещения.

Выключатель на схеме выглядит как кружок с наклоненной вправо чертой. По виду и количеству черточек определяют параметры устройства.

Кроме основных чертежей есть схемы замещения.

Трехфазные электрические цепи

Трехфазная цепь в рабочем режиме

Среди электрических цепей распространены как однофазные, так и многофазные системы. Каждая часть многофазной цепи характеризуется одинаковым значением тока и называется фазой. Электротехника различает два понятия этого термина. Первое – непосредственная составляющая трехфазной системы. Второе – величина, изменяющаяся синусоидально.

Трехфазная цепь – это одна из многофазных систем переменного тока, где действуют синусоидальные ЭДС (электродвижущая сила) одинаковой частоты, которые сдвинуты во времени относительно друг друга на определенный фазовый угол. Она образована обмотками трехфазного генератора, тремя приемниками электроэнергии и соединительными проводами.

Такие цепи служат для обеспечения генерации электрической энергии, для ее передачи, распределения, и имеет следующие преимущества:

• экономичность выработки и транспортировки электроэнергии в сравнении с однофазной системой;
• простое генерирование магнитного поля, которое необходимо для работы трехфазного асинхронного электродвигателя;
• одна и та же генераторная установка выдает два эксплуатационных напряжения – линейное и фазное.

Трехфазная система выгодна при передаче электроэнергии на большие расстояния. К тому же материалоемкость значительно ниже, чем однофазных. Основные потребители – трансформаторы, асинхронные электродвигатели, преобразователи, индукционные печи, мощные нагревательные и силовые установки. Среди однофазных маломощных устройств можно отметить электроинструменты, лампы накаливания, бытовые приборы, блоки питания.

Трехфазная схема отличается значительной уравновешенностью системы. Способы соединения фаз получили структуру «звезда» и «треугольник». Обычно «звездой» соединяются фазы генерирующих электромашин, а фазы потребителей «звездой» и «треугольником».

Законы, действующие в электрических цепях

На схемах направление токов указывают стрелками. Для расчета нужно принять направления для напряжений, токов, ЭДС. При расчетах в электротехнике используют следующие основные законы:

1. Закон Ома для прямолинейного участка цепи, который определяет связь между электродвижущей силой, напряжением источника с протекающей в проводнике силой тока и сопротивлением самого проводника.
2. Чтобы найти все токи и напряжения, используют правила Кирхгофа, которые действуют между токами и напряжениями любого участка электрической цепи.
3. Закон Джоуля–Ленца дает количественную оценку теплового действия электрического тока.

В цепях постоянного тока направление действия электродвижущей силы указывают от отрицательного потенциала к положительному. За направление принимают движение положительных зарядов. При этом стрелка направлена от большего потенциала к меньшему. Напряжение всегда направлено в ту сторону, что и ток.

В синусоидальных цепях ЭДС, напряжение и ток обозначают, используя полупериод тока, при этом он не изменяет свое направление. Чтобы подчеркнуть разницу потенциалов, их обозначают знаками «+» и «–».

Как производится расчет электрических цепей

Путь вычисления делится на множество способов, которые используются на практике:

• метод, основанный на законе Ома и правилах Кирхгофа;
• способ определения контурных токов;
• прием эквивалентных преобразований;
• методика измерений сопротивлений защитных проводников;
• расчет узловых потенциалов;
• метод идентичного генератора, и другие.

Основа расчета простой электрической цепи по закону Ома – это определение силы тока в отдельном участке при известном сопротивлении проводников и заданном напряжении.

По условию задачи известны сопротивления подсоединенных к цепи резисторов R1, R2, R3, R4, R5, R6 (без учета сопротивления амперметра). Необходимо вычислить силу токов J1, J2…J6.

На схеме есть три последовательных участка. Причем второй и третий имеют разветвления. Сопротивления этих участков обозначим, как R1, R’, R”. Тогда общее сопротивление равно сумме сопротивлений:

R = R1 + R’ + R”, где

R’ – общее сопротивление параллельно подключенных резисторов R2, R3, R4.

R” – общее сопротивление резисторов R5 и R6.

Используя закон параллельного соединения, вычисляем сопротивления R’ и R”.

1/R’ = 1/R2 + 1/R3 + 1/R4

1/R” = 1/R5 + 1/R6

Определить силу тока в неразветвленной цепи, зная общее сопротивление при заданном напряжении, можно по следующей формуле:

I = U/R, тогда I = I1

Для вычисления силы тока в отдельно взятых ветвях, нужно определить напряжение на участках последовательных цепей по закону Ома:

U1 = IR1; U2 = IR’; U3 = IR”;

Зная напряжение конкретных участков, можно вычислить силу тока на отдельных ветвях:

I2 = U2/R2; I3 = U2/R3; I4 = U2/R4; I5 = U3/R5; I6 = U3/R6

Иногда необходимо узнать сопротивление участков по известным параметрам напряжения, силы токов, сопротивления других участков или сделать расчет напряжения по имеющимся данным сопротивления и силе тока.

Основная часть методик направлена на упрощение расчетов. Это достигается адаптацией систем уравнений, либо самой схемы. Расчет электрических цепей производится различными способами, в зависимости от класса их сложности.

Ветвь и узел электрической цепи

Введение

Подавляющее большинство задач по электротехнике сводится к расчету режимов электрических цепей. В условии задается схема электрической цепи и параметры её элементов (напряжения источников питания, сопротивления резисторов и т. п.). Как правило, требуется определить токи и напряжения на различных элементах цепи.

Электрические цепи, в которых получение электрической энергии в источниках, ее передача и преобразование в приемниках происходят при неизменных по величине во времени токах и напряжениях, принято называть цепями постоянного тока.

Следует заметить что методы решения задач для цепей постоянного тока применимы и для цепей синусоидального тока. Различие только в применяемом математическом аппарате.

Непосредственно перед решением задачи необходимо проанализировать схему электрической цепи и выяснить к какому виду (простая или сложная) относится данная электрическая цепь. Для каждого вида существуют свои варианты и способы решения. Далее выбирают наиболее оптимальный вариант расчета и переходят непосредственно к решению задачи.

Для рассмотрения основных приемов решения подобных задач сначала необходимо определится с ключевыми понятиями, без которых дальнейшее рассмотрение будет просто невозможным.

Элементы электрической цепи

Электрической цепью называют совокупность электрических элементов, соединенных проводниками. Состояние электрической цепи можно описать с помощью понятийнапряжения и тока. Все элементы электрической цепи можно условно разбить на две группы: пассивные элементы (резисторы) и активные элементы (источники электромагнитной энергии).

Резистор — пассивный электрический элемент, характеризуемый величиной, называемой электрическим сопротивлением R. Иногда при расчете цепей удобнее использовать другой величиной, обратной сопротивлению: проводимостью G (1.1).

Электрическое сопротивление резистора R, напряжение на его зажимах U_R и ток через резистор I_R связаны между собой законом Ома (1.2).

Под активными элементами электрической цепи следует понимать любые источники электрической энергии. Различают два вида источников электрической энергии: источники напряжения и источники тока.

Источник напряжения характеризуется двумя параметрами: величиной электродвижущей силы (ЭДС) Е и внутренним сопротивлением R. На схемах отображается в виде последовательного соединения источника ЭДС Е и сопротивления R.

Напряжение на зажимах источника напряжения U отличается от величины ЭДС E на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника R. Для случая, когда I = 0 справедливо U = E.

Источник тока также характеризуется двумя параметрами: величиной тока I и внутренним сопротивлением R. На схемах отображается в виде параллельного соединения источника тока со значением I и внутреннего сопротивления R.

Любой реальный источник электрической энергии можно представить в виде, как источника напряжения, так и источника тока. Иногда при решении задач возникает необходимость трансформировать источник тока в источник напряжения (или наоборот). Эти преобразования легко можно выполнить с помощью формул, приведенных ниже.

Цепи постоянного тока. Элементы цепи, определение.

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.

Ветвь и узел электрической цепи

Электрическая цепь характеризуется совокупностью элементов, из которых она состоит, и способом их соединения. Соединение элементов электрической цепи наглядно отображается ее схемой. В зависимости от особенностей схемы следует применять тот или иной способ расчета электрической цепи. В данном разделе рассмотрим ключевые понятия, которые в дальнейшем будут необходимы для выбора наиболее оптимального и правильного приема решения задач.

Ветвью называется участок электрической цепи, обтекаемый одним и тем же током. Ветвь образуется одним или несколькими последовательно соединенными элементами цепи.

Узел — место соединения трех и более ветвей.

В качестве примера на рисунке изображены схемы двух электрических цепей. Первая из них содержит 6 ветвей и 4 узла. Вторая состоит из 5 ветвей и 3 узлов. В этой схеме обратите внимание на нижний узел. Очень часто допускают ошибку, считая что там 2 узла электрической цепи, мотивируя это наличием на схеме цепи в нижней части 2-х точек соединения проводников. Однако на практике следует считать две и более точки, соединенных между собой проводником, как один узел электрической цепи.

При обходе по соединенным в ветвях цепям можно получить замкнутый контурэлектрической цепи. Каждый контур представляет собой замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям, при этом каждый узел встречается в данном контуре не более одного раза. Ниже приведена электрическая схема, на которой отмечено несколько произвольно выбранных контуров.

Всего для данной цепи можно выделить 6 замкнутых контуров.

 

---

Простейшая электрическая цепь | Электрикам

Что такое электрическая цепь?

Под электрической цепью понимают совокупность взаимосвязанных элементов, образующих путь для протекания электрического тока. Все процессы в электрической цепи подчинятся законам электротехники. Входящие в состав электрической цепи элементы можно условно разделить на 3 группы: генерирующие устройства, приемные устройства и вспомогательные элементы.

Простейшая электрическая цепь включает в себя следующие основные компоненты (рисунок 1):

1. Источник электрической энергии (Источник тока).
2. Приемник электрической энергии.
3. Соединительные провода.

Также в состав простейшей электрической цепи может входить вспомогательное оборудование, например, замыкающее устройство, измерительные приборы (амперметр, вольтметр и пр.), защитные аппараты (предохранители и пр.).

Рис.1 Простейшая электрическая цепь

Источник электрической энергии, потребители, соединительные провода.

Источник электрической энергии — это устройство преобразующее различные виды энергии в электрическую энергию.

Источником электрической энергии может быть гальванический элемент, аккумулятор, электромеханический или термоэлектрический генератор, фотоэлемент и пр. Все источники электрического тока имеют внутренне сопротивление, но как правило оно мало по сравнению с сопротивлением других элементов цепи. Протекающий в цепи ток может быть как переменным, так и постоянным; его род определяется источником (например, гальванический элемент дает постоянное напряжение, обмотки трансформаторов и генераторов – переменное).

В зависимости от рода тока электрической цепи подразделяют:

• цепи постоянного тока;
• цепи переменного тока.

Потребителями в электрической цепи являются элементы, преобразующие электрическую энергию в механическую энергию, тепло, световое излучение и пр.

Примерами потребителей электроэнергии являются лампы накаливания, электронагревательные приборы, электродвигатели и другие элементы, требующие для работы потребление электрического тока.

Соединяющие элементы провода как правило выполняются из алюминия или меди. Это связано с низким удельным сопротивлением этих металлов – это значит, что потери напряжения в них будут незначительным. К недостаткам медных и алюминиевых проводов относят их существенное нагревание при превышении установленных предельных (максимально допустимых) значений тока и напряжения.

В состав любого электротехнического устройства (телефона, компьютера, телевизора и пр.) входят электрические цепи по которым, при наличии источника, может протекать электрический ток. В зависимости от  элементов используемых в электрической цепи, можно подразделить на:

• линейные или нелинейные цепи;
• пассивные или активные цепи.

Для удобства расчетов и наглядного представления электрических цепей используют электрические схемы. На них все элементы электрической цепи отображены при помощи условных знаков (графических обозначений). Каждый электрический элемент имеет графическое представление, регламентированное ГОСТом, поэтому составленная одним человеком схема, может быть понятна и корректно интерпретирована другим. Иногда представление на электрической схеме одного реального элемента, может быть выполнено совокупностью нескольких стандартных элементов.  Схема электрической цепи, представленной на рисунке 1, приведена на рисунке 2.

Рис.2 Схема простейшей электрической цепи

Протекание электрического тока возможно только в замкнутой электрической цепи.

Основными параметрами работы любого элемента, а также всей электроцепи в целом, являются значения тока, мощности и напряжения. Они определяют так называемый режим работы устройства. Для большинства электрических цепей значения тока и напряжения могут непрерывно меняться в широком диапазоне, следовательно режимов работы может быть бесконечное множество.

#1. Что представлено на изображении?

#2. В чем измеряется удельное сопротивление?

#3. Как называется устройство преобразующее различные виды энергии в электрическую энергию?

Результат

Отлично!

Попытайтесь снова(

Расчет простых цепей постоянного тока

В электротехнике принято считать, что простая цепь – это цепь, которая сводится к цепи с одним источником и одним эквивалентным сопротивлением. Свернуть цепь можно с помощью эквивалентных преобразований последовательного, параллельного и смешанного соединений. Исключением служат цепи, содержащие более сложные соединения звездой и треугольником. Расчет цепей постоянного тока производится с помощью закона Ома и Кирхгофа.  

Пример 1

  Два резистора подключены к источнику постоянного напряжения 50 В, с внутренним сопротивлением r= 0,5 Ом. Сопротивления резисторов  R₁ = 20 и R₂ = 32 Ом. Определить ток в цепи и напряжения на резисторах.

 

Так как резисторы подключены последовательно, эквивалентное сопротивление будет равно их сумме. Зная его, воспользуемся законом Ома для полной цепи, чтобы найти ток в цепи. 

Теперь зная ток в цепи, можно определить падения напряжений на каждом из резисторов. 

Проверить правильность решения можно несколькими способами. Например, с помощью закона Кирхгофа, который гласит, что сумма ЭДС в контуре равна сумме напряжений в нем. 

Но с помощью закона Кирхгофа удобно проверять простые цепи, имеющие один контур. Более удобным способом проверки является баланс мощностей.

В цепи должен соблюдаться баланс мощностей, то есть энергия отданная источниками должна быть равна энергии полученной приемниками. 

Мощность источника определяется как произведение ЭДС на ток, а мощность полученная приемником как произведение падения напряжения на ток.

Преимущество проверки балансом мощностей в том, что не нужно составлять сложных громоздких уравнений на основании законов Кирхгофа, достаточно знать ЭДС, напряжения и токи в цепи.

Пример 2

  Общий ток цепи, содержащей два соединенных параллельно резистора R₁=70 Ом и R₂=90 Ом, равен 500 мА. Определить токи в каждом из резисторов.

Два последовательно соединенных резистора ничто иное, как делитель тока. Определить токи, протекающие через каждый резистор можно с помощью формулы делителя, при этом напряжение в цепи нам не нужно знать, потребуется лишь общий ток и сопротивления резисторов. 

Токи в резисторах 

В данном случае удобно проверить задачу с помощью первого закона Кирхгофа, согласно которому сумма токов сходящихся, в узле равна нулю.

Если у вас возникли затруднения, прочтите статью законы Кирхгофа.

Если вы не помните формулу делителя тока, то можно решить задачу другим способом. Для этого необходимо найти напряжение в цепи, которое будет общим для обоих резисторов, так как соединение параллельное. Для того чтобы его найти, нужно сначала рассчитать сопротивление цепи 

А затем напряжение 

Зная напряжения, найдем токи, протекающие через резисторы 

Как видите, токи получились теми же.

Пример 3

  В электрической цепи, изображенной на схеме R₁=50 Ом, R₂=180 Ом, R₃=220 Ом. Найти мощность, выделяемую на резисторе R₁, ток через резистор R₂, напряжение на резисторе R₃, если известно, что напряжение на зажимах цепи 100 В.

 

Чтобы рассчитать мощность постоянного тока, выделяемую на резисторе R₁, необходимо определить ток I₁, который является общим для всей цепи. Зная напряжение на зажимах и эквивалентное сопротивление цепи, можно его найти.

Эквивалентное сопротивление и ток в цепи 

Отсюда мощность, выделяемая на R₁ 

Ток I₂ определим с помощью формулы делителя тока, учитывая, что ток I₁ для этого делителя является общим 

Так как, напряжение при параллельном соединении резисторов одинаковое, найдем U₃, как напряжение на резисторе R₂ 

Таким образом производится расчет простых цепей постоянного тока.

Просмотров: 75762

Что такое схема цепи. Электрическая цепь постоянного тока и ее характеристики

Электрическая цепь это совокупность устройств, предназначенных для генерирования, передачи, преобразования и использования электрической энергии, процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий об электрическом токе, напряжении и ЭДС

В состав электрических цепей (2.2)входит также коммутационная и защитная аппаратура. В состав электрических цепей могут включаться электрические приборы для измерения силы тока, напряжения и мощности.

При описании электрических цепей используют следующие понятия:ветвь электрической цепи, узел электрической цепи, контур, двухполюсник, четырехполюсник.

Ветвь электрической цепи — это участок, элементы которого соединены последовательно. Ток во всех элементах один и тот же.

Узел электрической цепи — это точка соединения трех и болееветвей электрической цепи (2.3).

Контур — это любой путь вдоль ветвей электрической цепи, начинающийся и заканчивающийся в одной и той же точке.

Двухполюсник — это часть электрической цепи с двумя выделенными выводами.

Четырехполюсник — часть электрической цепи с двумя парами выводов.

Режимы работы электрических цепей

Электрическая цепь в зависимости от значения сопротивления нагрузки R может работать в различных характерных режимах:

номинальном;

согласованном;

холостого хода;

короткого замыкания.

Номинальный режим — это расчетный режим, при котором элементы цепи (источники, приемники, линия электропередачи) работают в условиях, соответствующих проектным данным и параметрам.

Изоляция источника, линии электропередачи, приемников рассчитана на определенное напряжение, называемое номинальным. Превышение этого напряжения приводит к пробою изоляции, увеличению токов в цепи и другим аварийным последствиям.

Тепловой режим источников или приемников энергии рассчитан на выделение в них определенного количества тепла, то есть на определенную мощность, а последняя зависит от квадрата тока RI 2 , rI 2 .

Расчетный по тепловому режиму ток называется номинальным.

Номинальное значение мощности для источника электрической энергии — это наибольшая мощность, которую источник при нормальных условиях работы может отдать во внешнюю цепь без опасности пробоя изоляции и превышения допустимой температуры нагрева.

Для приемников электрической энергии типа двигателей — это мощность, которую могут развивать на валу при нормальных условиях работы. Для остальных приемников электрической энергии (нагревательные и осветительные приборы) — это их мощность при номинальном режиме. Номинальные значения напряжений, токов и мощностей указывают в паспортах изделий.

Согласованный режим работы — это режим, в котором работает электрическая цепь (источник и приемник), когда сопротивление нагрузки R равна внутреннему сопротивлению источника r. Этот режим характеризуется передачей от данного источника к приемнику максимально возможной мощности. Однако в согласованном режиме К.П.Д.= 0,5 — низкий и для мощных цепей работа в согласованном режиме экономически невыгодна. Согласованный режим применяется, главным образом, в маломощных цепях, если К.П.Д. не имеет существенного значения, а требуется получить в приемнике возможно большую мощность.

Режим холостого хода и короткого замыкания. Эти режимы являются предельными режимами работы электрической цепи.

В режиме холостого хода внешняя цепь разомкнута и ток равен нулю. Так как ток равен нулю, то падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника так же равно нулю (rI = 0) и напряжение на выводах источника равно ЭДС (= U). Из этих соотношений вытекает метод измеренияЭДС (2.7)источника: при разомкнутой внешней цепи вольтметром, сопротивление которого можно считать бесконечно большим, измеряют напряжение на его выводах.

В режиме короткого замыкания выводы источника соединены между собой, например, сопротивление нагрузки замкнуто проводником с нулевым сопротивлением. Напряжение на приемнике при этом равно нулю.

Сопротивление всей цепи равно внутреннему сопротивлению источника, и ток короткого замыкания в цепи равен:

I к.з. =  / r.

Он достигает максимально возможного значения для данного источника и может вызывать перегрев источника и даже его повреждение. Для защиты источников электрической энергии и питающих цепей от токов короткого замыкания в маломощных цепях устанавливают плавкие предохранители, в более мощных цепях — отключающие автоматические выключатели, а высоковольтных цепях — специальные высоковольтные выключатели.

Реальная электрическая цепь — совокупность устройств , предназначенных для передачи, распределения и преобразования энергии. Содержит источники электрической энергии, приемники электрической энергии, измерительные приборы, коммутационную аппаратуру, соединительные линии и провода. Электрическая цепь представляет собой совокупность связанных определенным образом , потребителей (или соответственно активных и пассивных элементов) и преобразователей электрической энергии. Цепь называют пассивной , если она состоит только из пассивных элементов, и активной , если в ней также содержатся активные элементы.

Источником электрической энергии называют элемент электрической цепи, осуществляющий преобразование энергии неэлектрического вида в электрическую. Потребителем электрической энергии называют элемент электрической цепи, преобразующий электрическую энергию в неэлектрическую. Преобразователем электрической энергии называют устройство, изменяющее величину и форму электрической энергии.

Для того чтобы выполнить расчет, необходимо каждое электротехническое устройство представить его схемой замещения . Схема замещения электрической цепи состоит из совокупности идеализированных элементов(резистор, конденсатор, катушка индуктивности).

Напряжение:

Зависимость между током и напряжением на элементе цепи называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ) элемента, которая обычно изображается графически.

В качестве потребителя в теории электрических цепей постоянного тока выступает резистор, характеризующийся сопротивлением (R), для которого справедлив закон Ома:

Идеализированный источник тока – это элемент цепи, ток которого не зависит от напряжения и является заданной постоянной величиной.

У реального источника тока с ростом напряжения вырабатываемый ток уменьшается. Любой реальный источник тока может быть приведен к идеализированному следующим образом:

Объединив эти две формулы, получаем:

Для противодействующего источника тока

Объединенная форма обобщенного закона Ома для ветвей, содержащих источник тока:

Где верхний знак соответствуют схеме, на которой U J и J сонаправлены.

1. 
   Структура электрической цепи.

К структурным или топологическим свойствам цепи относятся такие ее особенности, которые не связаны с характеристиками входящих в нее активных и пассивных элементов. К ним относятся следующие понятия: ветвь, узел, контур.

Ветвью электрической цепи называют участок, элементы которого включены последовательно друг за другом и обтекаются одним и тем же током.

Узлом электрической цепи называют место соединения нескольких ветвей. Узел связывает не менее трех ветвей и является точкой разветвления.

Ветви считаются соединенными последовательно, если они обтекаются одним и тем же током. Ветви считаются соединенными параллельно, если они присоединены к одной и той же паре узлов.

Контуром электрической цепи называется совокупность следующих друг за другом ветвей. Узлы, в которых эти ветви соединяются, являются точками разветвления. При обходе замкнутого контура начальная и конечная точки совпадают.
Цепь, в которой отсутствуют разветвления, называют одноконтурной, при наличии разветвлений – многоконтурной. Многоконтурная цепь характеризуется числом независимых контуров. Совокупность независимых контуров определяется тем, что каждый из последующих контуров, начиная от элементарного, отличается по меньшей мере одной новой ветвью. Число независимых контуров может быть определено по формуле Эйлера:

При параллельном соединении роль эквивалентной проводимости (или проводимости эквивалентного потребителя) играет сумма проводимостей всех потребителей (рис. 1.12.).

9-10) Эквивалентное преобразование «Звезда – треугольник»

В узлах a , b , c и треугольник, и звезда на рис. 1.14. соединяются с остальной частью схемы. Преобразование треугольника в звезду должно быть таковым, чтобы при одинаковых значениях потенциалов одноименных точек треугольника и звезды притекающие к этим точкам токи были одинаковы, тогда вся внешняя схема «не заметит» произведенной замены.

Выразим U ab треугольника через параметры потребителей и притекающие к этим узлам токи. Запишем уравнения Кирхгофа для контура и узлов a и b.

Заменим в первом уравнении токи I 3 и I 2 на соответствующие выражения:

Теперь получим выражение для этого же напряжения при соединении потребителей звездой:

Таким образом , сопротивление луча звезды равно произведению сопротивлений прилегающих сторон треугольника, деленному на сумму сопротивлений трех сторон треугольника.

Формулы обратного преобразования можно вывести независимо, либо как следствие соотношений через проводимости:

Или через сопротивления:

11) Баланс мощности.

Согласно закону Джоуля-Ленца, вся электрическая энергия, сообщаемая проводнику в результате работы сил электрического поля, превращается в тепловую энергию:

По обобщенному закону Ома.

Отсюда следует закон сохранения энергии, согласно которому алгебраическая сумма мощностей, подводимых ко всем ветвям разветвленной электрической цепи, равна нулю:

Существует еще одна форма записи баланса мощности:

В левой части суммируются мощности источников энергии, а в правой – мощности, преобразованные в потребителях в тепло. Мощности , отдающих энергию, берутся со знаком «+», а работающих в режиме потребителей – со знаком «–».

12) Расчет неразветвленных электрических цепей

Основой расчета одноконтурных (неразветвленных) электрических цепей, содержащих источники обоих видов и потребители, служат рассмотренные ранее законы Ома и Кирхгофа.

Если в цепи нет источников тока, а параметры потребителей ( R) и источников напряжения (Е ) заданы, то задача обычно состоит в определении тока контура. Положительное направление искомого тока выбирается произвольно и составляется уравнение:

Если в цепи, кроме потребителе ( R ) и источников ЭДС (E ), имеется источник тока (J ), то задача обычно сводится к определению напряжения на источнике тока U J , т.к. ток контура I совпадает с заданным током источника J. Положительная полярность U J выбирается произвольно, но предпочтительно у острия стрелки ставить знак «+» (такой полярности соответствует формула: ). Истинная полярность U J совпадает с выбранной, если при расчете U J выражается положительным числом, и противоположна выбранной, если U J . Искомое падение напряжения на источнике тока U J при отсутствии источников ЭДС определяется по формуле .

13) Метод пропорциональных величин.

В ветви наиболее удаленной от источника (R 6) задаются некоторым значением тока или напряжения. Для удобства расчетов обычно это 1А или 1В. Затем перемещаясь к началу цепи определяют поочередно токи и напряжения всех ветвей вплоть до ветви , содержащей источник. Тем самым определяют какие напряжение U вх и ток I в х . должен иметь источник для того, чтобы вызвать во всех ветвях токи и напряжения вычисленных значений. Если ЭДС (Е ) или задающий ток (J ) с этими значениями не совпадают, то необходимо пропорционально изменить вычисленные значения токов и напряжений ветвей путем умножениях их на отношение или .

I 3 можно определить по I закону Кирхгофа:

U 24 определяем по II закону Кирхгофа:

14) Метод эквивалентных преобразований. Формула токов в параллельных ветвях.

Разветвленную цепь с одним источником обычно упрощают, преобразуя в неразветвленную.

Дальнейший расчет: .

Ток I 3 определяется по закону Кирхгофа:

При расчетах удобно пользоваться формулой о токах в двух параллельных пассивных ветвях . Выведем ее на примере схемы. Напряжение по закону Ома определяется по формуле

15) Метод уравнений Кирхгофа.

1. 
   Обозначить токи ветвей и произвольно выбрать их положительное направление.
2. 
   Произвольно выбрать опорный узел и совокупность p = m – n + 1 независимых контуров.
3. 
   Для всех узлов, кроме опорного, составить уравнения по I закону Кирхгофа. Таких уравнений должно быть (n – 1).
4. 
   Для каждого выбранного контура составить уравнения по II закону Кирхгофа. Таких уравнений должно быть p .
5. 
   Система m уравнений Кирхгофа с m неизвестными токами решается совместно и определяются численные значения токов.
6. 
   Если необходимо, рассчитать с помощью обобщенного закона Ома напряжения ветвей или разность потенциалов узлов.
7. 
   Проверить правильность расчета с помощью баланса мощности.

Если в цепи есть q источников тока и контуры выбирать таким образом, чтобы каждый источник тока вошел только в один контур, то количество уравнений по II закону Кирхгофа можно уменьшить до m – n + 1 – q.

16)Метод Контурных Токов

За искомые принимают контурные токи. Число неизвестных в этом методе равно числу уравнений, которые необходимо было бы составить для схемы по II закону Кирхгофа, т.е. . Основан на II законе Кирхгофа
По найденным контурным токам при помощи I закона Кирхгофа определяются токи ветвей.

Таким образом , методика расчета цепи постоянного тока методом контурных токов следующая:

1. 
   
2. 
   Произвольно выбрать совокупность p независимых контуров, нанести на схему положительное направление контурных токов, протекающих в выбранных контурах.
3. 
   Определить собственные, общие сопротивления и контурные ЭДС и подставить их в систему уравнений вида.

Общее сопротивление контура (R ij = R ji ) представляет собой алгебраическую сумму сопротивлений потребителей ветви (нескольких ветвей), одновременно принадлежащих i -ому и j -ому контурам. В эту сумму сопротивление входит со знаком «+», если контурные токи протекают через данное сопротивление в одном направлении (согласно), и знак «–», если они протекают встречно.

Собственное сопротивление контура (R ii ) представляет собой арифметическую сумму сопротивлений всех потребителей, находящихся в i -ом контуре.

Контурные ЭДС представляют собой алгебраическую сумму ЭДС источников, входящих в контур. Со знаком «+» в эту сумму входят ЭДС источников, действующих согласно с обходом контура, со знаком «–» входят ЭДС источников, действующих встречно.

1. 
   Разрешить полученную систему уравнений относительно контурных токов, используя метод Крамера.

1. 
   Определить токи ветвей через контурные токи по I закону Кирхгофа.
2. 
   Проверить правильность расчетов при помощи баланса мощности.

Если в цепи содержится q источников тока, количество совместно рассматриваемых уравнений сокращается на q и становится равным р – q , поскольку токи в таких ветвях известны Необходимо, чтобы каждый источник тока входил только в один контур.

17) Метод узловых потенциалов.

В том случае, когда п- 1 – количество узлов, p – количество независимых контуров), данный метод более экономичен, чем метод контурных токов. Выводится из первого закона Кирхгофа и обобщенному закону Ома(через потенциалы).

1. 
   Обозначить все токи ветвей и их положительное направление.
2. 
   Произвольно выбрать опорный узел (? n ) и пронумеровать все остальные (n- 1)-e узлы.
3. 
   Определить собственные и общие проводимости узлов, а также узловые токи, т.е. рассчитать коэффициенты в системе уравнений.

Собственная проводимость узла (G ii ) представляет собой арифметическую сумму проводимостей всех ветвей, соединенных в i -ом узле.

Общая проводимость i-ого и j-ого узлов (G ij = G ji ) представляет собой взятую со знаком «–» сумму проводимостей ветвей, присоединенных одновременно к i- ому и j- ому узлам.

Проводимости ветвей с источниками тока полагаются равными нулю и в собственные и общие проводимости не входят!

Узловой ток (J ii ) состоит из двух алгебраических сумм: первая содержит токи источников тока, содержащиеся в ветвях, соединенных в i — ом узле; вторая представляет собой произведение ЭДС источников напряжения на проводимости соответствующих ветвей, соединенных в i — ом узле. Со знаком «+» в эту сумму входят E и J источников, действие

В электротехнике рассматривается устройство и принцип действия основных электротехнических устройств, используемых в быту и промышленности. Чтобы электротехническое устройство работало, должна быть создана электрическая цепь, задача которой передать электрическую энергию этому устройству и обеспечить ему требуемый режим работы.

Электрической цепью называется совокупность устройств и объектов, образующих путь для электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий об электрическом токе, ЭДС (электродвижущая сила) и электрическом напряжении.

ЭДС — величина, характеризующая источник энергии неэлектростатической природы в электрической цепи, необходимый для поддержания в ней электрического тока. Эдс численно равна работе по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутой цепи. Полная эдс в цепи постоянного тока равна разности потенциалов на концах разомкнутой цепи. В СИ измеряется в вольтах.

«Электрический ток – это упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц – электронов » правильно только для электрического тока в вакууме, а точнее — электровакуумных приборах.

Альтернативой классическому понятию Электрического тока в проводнике является дипольная атомарная модель. При воздействии энергии источника электрического тока, все диполи атомов проводника поворачиваются, ориентируясь своими одноимёнными полюсами в одном направлении, обеспечивающем мгновенную (со скоростью света), передачу энергии на противоположный конец проводника.
Тогда определение электрического тока для проводников будет выглядеть так:
«Электрический ток – это способность атомов проводника осуществлять перенос электрических зарядов, путём магнитной ориентации под воздействием энергии источника электрического тока ».
Не понятно, что является носителем электрического заряда? Ведь диполи, не перемещаются вдоль проводника, они лишь ориентируются по магнитному полю, поворачиваясь на месте. А заряд это свойство материальных тел и в свою очередь без носителя существовать не может.
А носителя энергии, перемещающегося по проводнику на самом деле и нет! Энергия перемещается в виде фотонов – точечных электромагнитных колебаний имеющих чёткую геометрическую форму и поляризацию. Так как фотон не имеет массу, он способен двигаться со скоростью света – подобно радиосигналу, поскольку и свет, и радиосигнал – это тоже поток фотонов. При этом, двигаясь с такой огромной скоростью он, при отсутствии массы способен резко (без инерции) менять своё направление. Если это движение доверить электронам, то они «пробивали» бы металлы, разрушая их на молекулярном уровне, подобно мелкому космическому «мусору», вращающемуся на космической скорости на околоземных орбитах, и периодически выводящему из строя дорогие космические аппараты, «прошивая» обшивку аппаратов насквозь. Кстати, в электровакуумных приборах, где носителями энергии действительно выступают электроны, такое явление наблюдается.

Электрическое напряжение (электрический потенциал) измеряется прибором называемым Вольтметром — разность потенциалов, которая заставляет течь ток, измеряется в Вольтах (В). Так же, как для тока, для увеличения диапазона обозначений, существуют кратные приставки: (микро — микровольт (мкВ), мили – милливольт (мВ), кило – киловольт (кВ), мега – мегавольт (МВ).

Для анализа и расчета электрическая цепь графически представляется в виде электрической схемы, содержащей условные обозначения ее элементов и способы их соединения. Электрическая схема простейшей электрической цепи, обеспечивающей работу осветительной аппаратуры, представлена на рис. 1.1.

Все устройства и объекты, входящие в состав электрической цепи, могут быть разделены на три группы:

1) Источники электрической энергии (питания).

Общим свойством всех источников питания является преобразование какого-либо вида энергии в электрическую. Источники, в которых происходит преобразование неэлектрической энергии в электрическую, называются первичными источниками. Вторичные источники – это такие источники, у которых и на входе, и на выходе – электрическая энергия (например, выпрямительные устройства).

2) Потребители электрической энергии.

Общим свойством всех потребителей является преобразование электроэнергии в другие виды энергии (например, нагревательный прибор). Иногда потребители называют нагрузкой.

3) Вспомогательные элементы цепи: соединительные провода, коммутационная аппаратура, аппаратура защиты, измерительные приборы и т.д., без которых реальная цепь не работает.

Все элементы цепи охвачены одним электромагнитным процессом.

В электрической схеме на рис. 1.1 электрическая энергия от источника ЭДС E, обладающего внутренним сопротивлением r 0 , с помощью вспомогательных элементов цепи передаются через регулировочный реостат R к потребителям (нагрузке): электрическим лампочкам EL 1 и EL 2 .

Основные понятия и определения для электрической цепи

Для расчета и анализа реальная электрическая цепь представляется графически в виде расчетной электрической схемы (схемы замещения). В этой схеме реальные элементы цепи изображаются условными обозначениями, причем вспомогательные элементы цепи обычно не изображаются, а если сопротивление соединительных проводов намного меньше сопротивления других элементов цепи, его не учитывают. Источник питания показывается как источник ЭДС E с внутренним сопротивлением r 0 , реальные потребители электрической энергии постоянного тока заменяются их электрическими параметрами: активными сопротивлениями R 1 , R 2 ,…,R n . С помощью сопротивления R учитывают способность реального элемента цепи необратимо преобразовывать электроэнергию в другие виды, например, тепловую или лучистую.

При этих условиях схема на рис. 1.1 может быть представлена в виде расчетной электрической схемы (рис. 1.2), в которой есть источник питания с ЭДС E и внутренним сопротивлением r 0 , а потребители электрической энергии: регулировочный реостат R, электрические лампочки EL 1 и EL 2 заменены активными сопротивлениями R,R 1 и R 2 .

Источник ЭДС на электрической схеме (рис. 1.2) может быть заменен источником напряжения U, причем условное положительное направление напряжения U источника задается противоположным направлению ЭДС.

При расчете в схеме электрической цепи выделяют несколько основных элементов.

Ветвь электрической цепи (схемы) – участок цепи с одним и тем же током. Ветвь может состоять из одного или нескольких последовательно соединенных элементов. Схема на рис. 1.2 имеет три ветви: ветвь bma, в которую включены элементы r 0 ,E,R и в которой возникает ток I; ветвь ab с элементом R 1 и током I 1 ; ветвь anb с элементом R 2 и током I 2 .

Узел электрической цепи (схемы) – место соединения трех и более ветвей. В схеме на рис. 1.2 – два узла a и b. Ветви, присоединенные к одной паре узлов, называют параллельными. Сопротивления R 1 и R 2 (рис. 1.2) находятся в параллельных ветвях.

Контур – любой замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям. В схеме на рис. 1.2 можно выделить три контура: I – bmab; II – anba; III – manbm, на схеме стрелкой показывают направление обхода контура.

Условные положительные направления ЭДС источников питания, токов во всех ветвях, напряжений между узлами и на зажимах элементов цепи необходимо задать для правильной записи уравнений, описывающих процессы в электрической цепи или ее элементах. На схеме (рис. 1.2) стрелками укажем положительные направления ЭДС, напряжений и токов:

а) для ЭДС источников – произвольно, но при этом следует учитывать, что полюс (зажим источника), к которому направлена стрелка, имеет более высокий потенциал по отношению к другому полюсу;

б) для токов в ветвях, содержащих источники ЭДС – совпадающими с направлением ЭДС; во всех других ветвях произвольно;

в) для напряжений – совпадающими с направлением тока в ветви или элемента цепи.

Все электрические цепи делятся на линейные и нелинейные.

Элемент электрической цепи, параметры которого (сопротивление и др.) не зависят от тока в нем, называют линейным, например электропечь.

Нелинейный элемент, например лампа накаливания, имеет сопротивление, величина которого увеличивается при повышении напряжения, а следовательно и тока, подводимого к лампочке.

Следовательно, в линейной электрической цепи все элементы – линейные, а нелинейной называют электрическую цепь, содержащую хотя бы один нелинейный элемент.

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 ()

Рис. 2. Аккумулятор ()

Рис. 3. Электростанция ()

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 р екомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

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

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.

Человечество давно научилось использовать электрические явления природы в своих практических целях для получения, использования, а также преобразования энергии. Такое действие достигается путем применения определенных устройств. Элементы оборудования в совокупности образуют систему. Такая система известна, как электрическая цепь.

Элементы цепи

Электрическая цепь содержит в себе такие составляющие, как источники энергии, потребители, а также соединяющие их провода.

Существуют дополнительные приборы цепи, например, выключатели, измерители тока и защитные аппараты.

Источниками энергии в схеме такой цепи выступают аккумуляторы, генераторы тока и гальванические элементы. Их еще называют

В приемниках электрической цепи электроэнергия преобразовывается в другой тип энергии. Таким оборудованием бывают двигатели, нагреватели, лампы и т. д.

Стоит отметить, что система может быть внешней и внутренней. Они отличаются наличием приемника. Открытая цепь имеет его в своем составе, а закрытая — только

Электрическая цепь постоянного тока

Ток, величина которого не меняется с течением времени, называется постоянным.

Цепь, через которую проходит такой источник электричества, имеет замкнутую систему. Это электрические цепи постоянного тока. Их составляют различные элементы.

Для обеспечения постоянного источника энергии в системе применяются конденсаторы. Они способны накапливать запасы электрических зарядов.

Емкость конденсатора зависит от размера его металлических пластин.

Чем они больше, тем больший заряд может накопить этот элемент электрической цепи постоянного тока. Электрическую емкость изменяют в таких единицах, как фарада (ф). На схеме этот элемент выглядит следующим образом.

Вместе с источниками и приемниками тока эти элементы образуют электрические цепи постоянного тока.

Последовательное соединение в цепи

Большое количество электрических цепей состоят из нескольких приемников тока. Если эти элементы соединены друг с другом последовательно, то конец одного приемника присоединен к началу другого. Это последовательное соединение системы.

Сопротивление в этой электрической цепи приравнивается к сумме сопротивлений всех проводников системы. Они удлиняют пути прохождения тока, который будет одинаковым на отдельных участках системы.

Схема электрической цепи в классическом варианте содержит последовательно присоединенные проводники и нагляднее всего описывается таким прибором, как электрогирлянда.

Недостатком такой системы является тот факт, что в случае выхода из строя одного проводника, система не будет работать вся целиком.

Параллельное соединение цепи

Схема электрической цепи параллельного типа соединения элементов является системой, в которой начало содержащихся в ней проводников соединяются в одной точке, а концы их — в другой. Электрический ток в такой электрической системе имеет несколько вариантов пути прохождения. Он распределяется обратнопропорционально сопротивлению приемников энергии.

Если у потребителей величина сопротивления одинаковая, то через них будет проходить одинаковый ток. В случае когда у одного приемника энергии сопротивление меньше, через него может пройти больше тока, чем через другие элементы системы.

Электрическая цепь и электрический ток, протекающий по ней, характеризуют электромагнитные процессы при помощи напряжения и силы тока. Сумма отдельно взятых элементов системы будет равна току в точке их соединения.

Присоединяя к такой цепи новые элементы, сопротивление системы будет уменьшаться. Это связано с увеличением общего сечения проводников при соединении нового потребителя электроэнергии. Позитивной характеристикой такого способа соединения цепи является автономность каждого элемента.

При отключении одного потребителя, совокупное сечение проводников уменьшается, а сопротивление электрической цепи становится большим.

Смешанное соединение в цепи

Смешанный вариант соединения довольно распространен в сфере производства электротехники.

Эта цепь содержит в себе одновременно принцип последовательного и параллельного присоединения проводников.

Чтобы определить сопротивление нескольких потребителей такой схемы, находят отдельно сопротивление всех параллельно и последовательно присоединенных проводников. Их приравнивают к единому проводнику, что в итоге упрощает всю схему.

Режимы работы цепи

Опираясь на показатели нагрузки, различают такие режимы функционирования цепи: номинальный, холостой ход, замыкание и согласование.

При номинальной работе система выполняет характеристики, заявленные в техпаспорте оборудования. Холостой ход образуется в случае обрыва цепи. Этот режим работы относится к аварийным. Электрическая цепь в режиме короткого замыкания имеет сопротивление, которое равно нулю. Это также аварийный режим.

Согласование характеризуется перемещением наибольшей мощности от источника энергии к проводнику. В таком режиме нагрузка равняется сопротивлению источника питания.

Ознакомившись с основными характеристиками и видами такой системы, как электрическая цепь, становится возможным понять принцип функционирования любого электрооборудования. Данное устройство работы системы применяется к любому электрическому бытовому прибору. Применяя полученные знания, можно понять причину поломки оборудования или оценить правильность его работы в соответствии с техническими характеристиками, заявленными производителем.

схема, ее элементы и их обозначения элементов

Во время изучения теории электрических цепей прежде всего необходимо начать с ознакомления с основными понятиями. Электрическая цепь представляет собой устройство, по которому течёт ток. Имея представление об основных терминах, необходимо рассмотреть, из чего состоит ЭЦ, а также как она устроена.

Что называется электрической цепью

ЭЦ – это комплекс элементов, при помощи которых создаётся, передаётся и потребляется электрическая энергия. Данные элементы, или участки, содержат источники электрической энергии, а также промежуточные устройства и проводники между ними, обеспечивающие неразрывность соединений.

Как по другому называется электрическая цепь

Источниками электрической энергии являются устройства, вырабатывающие ток путём физических, химических или световых преобразований.

Важно! Приемниками электроэнергии являются устройства, работа которых напрямую зависит от активности источника.

Промежуточные элементы с функциональными устройствами служат для передачи электрической энергии от источников к приемникам. В зависимости от назначения, они непосредственно передают энергию с конкретными параметрами источника.

Виды электрический цепи

Существует 3 основных вида соединения потребителей энергии:

• Последовательное соединение

Общий показатель сопротивления замкнутой ЭЦ неизменно повышается при увеличении количества потребителей. Исходя из этого правила можно сделать вывод, что показатель полного сопротивления будет являться суммой индивидуальных значений каждого включённого в цепь прибора. Любой прибор, включенный в сеть, получает лишь долю напряжения, так как суммарный показатель энергетической цепи распадается на количество потребителей.

Соединение элементов ЭЦ – основные виды

• Параллельное соединение

Подобная схема даёт полное представление о принципе работы электрической цепи. Если этот процесс происходит непосредственно у места разветвления, то ток проходит дальше по двум нагруженным участкам, что порождает определённое сопротивление. В результате этого его значение приравнивается сумме токов, расходящихся от данной точки. Что касается сопротивления, то оно значительно снижается по мере возрастания общей проходимости ЭЦ. Параллельное соединение позволяет всем устройствам функционировать независимо друг от друга.

Важно! Если один из элементов цепи выйдет из строя или произойдет замыкание, то остальные потребители продолжат свою работу со сбоями, но полного разрыва цепи не произойдёт.

• Комбинированное соединение

Включить электроприборы можно обоими способами – параллельным и последовательным, и такой тип соединения будет называться комбинированным. К примеру, можно рассмотреть защитную аппаратуру. Для ее подключения можно применить последовательный вариант, но этот способ может вызвать непредвиденный разрыв цепи.

Обратите внимание! Комбинированное соединение позволяет распределить нагрузку на линиях с целью предотвращения перегрузки.

Нелинейные и линейные

Нелинейные элементы придают ЭЦ свойства, которые не могут быть достигнуты в линейных цепях (стабилизация напряжения, усиление постоянного тока). Их, как правило, делят на неуправляемые и управляемые. К первому варианту можно отнести двухполюсные устройства. Их основное предназначение – полноценная работа без воздействия управляющего фактора (полупроводниковые терморезисторы или диоды). Ко вторму варианту относятся многополюсники, используемые при воздействии на них управляющего фактора (транзисторы и тиристоры).

Свойства нелинейных элементов выражаются в вольтамперных характеристиках. Они отображают зависимость тока от напряжения, для чего составляется конкретная эмпирическая формула, удобная для расчетов.

Метод пересечения показателей

Неуправляемые нелинейные элементы имеют одну вольтамперную характеристику. Их основным паратмером является управляющий фактор.

Цепи, включающие в себя только одиночные элементы, называют линейными. Основное свойство таких цепей — применимость принципа наложения. Это характеризуется тем, что результирующая реакция линейной цепи на несколько приложенных одновременно потребителей, равна сумме реакций на каждом участке.

Обратите внимание! У линейных элементов наблюдается постоянное сопротивление, в связи с чем график их вольтамперной характеристики представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат.

Разветвленные и неразветвленные

ЭЦ может быть представлена в виде единого прямого элемента или иметь разветвления. На каждом участке неразветвленной цепи проходит ток с одинаковыми характеристиками. Простейшая разветвленная цепь состоит из трёх ветвей и двух узлов, в каждой из которых течет свой электрический ток. Любой участок можно идентифицировать, как отдельную составляющую цепи, образованную отдельными элементами, соединёнными последовательно в единое целое.

Узел – это точка, состоящая не менее, чем из трех ветвей. Узел, состоящий из двух ветвей, каждая из которых представляет собой продолжение другой, называют вырожденным узлом.

Неразветвленная и разветвленная

Внутренние и внешние

Для создания упорядоченного движения электронов, необходимо определить разность потенциалов между какими-либо отдельно взятыми участками цепи. Это обеспечивается при подключении напряжения в виде источника питания, называемым внутренней электрической цепью. Остальные компоненты цепи образуют внешнюю цепь. Для задания движения зарядов в источнике питания против направления поля, требуется приложить сторонние силы, в частности:

• Выход вторичной обмотки трансформатора.
• Батарея (гальванический источник).
• Обмотка генератора.

Внешние силы, создающие движение электронов, называются электродвижущими, и они характеризуются работой, затраченной источником на перемещение единицы заряда.

Внешняя и внутренняя часть цепи

Активные и пассивные

Элементы в составе электрических цепей существуют в формате активности и пассивности. В качестве активных считаются источники электроэнергии.

Базовым параметром активных участков цепи выступает их способность отдавать энергию. Источники тока вместе с ЭДС называют идеальными для электрической энергии, что обусловлено отсутствием потери энергии, поскольку их проводимость и сопротивление считаются бесконечными:

I2 х 0 = 0

Активные элементы ЭЦ

Элементами, называемыми пассивными, считают разновидности потребителей и накопителей электроэнергии. На практике специалисты применяют многополюсный прибор, функционирующий на базе двухполюсных элементов.

Все активные элементы можно определить как в независимом, так и в зависимом порядке. Первый вариант является определением источника тока и напряжения. Вторая категория рассматривается при условии зависимости указанных величин от параметров напряжения и тока. Типичными представителями выступают электролампы и транзисторы. Их функционирование происходит в режиме линейности.

Пассивные элементы ЭЦ

Главные пассивные участки электроцепи представляют резисторы, индуктивные катушки и конденсаторы, с помощью которых осуществляется регулирование параметров силы тока и величины напряжения на отдельно взятых элементах. Резистивный показатель сопротивления относят к особым свойствам элементам. Его базовым критерием служит необратимое энергетическое рассеивание. Значение электротехники определяется по следующей формуле:

u = iR

i = Gu

При этом R представляет собой сопротивление (измеряется в Омах), а выступает проводимостью (единица измерения – сименсы). Данные величины можно вычислить по формуле:

R = 1:G

Индуктивность – это коэффициент пропорциональности. Конденсатор имеет свойство накопления энергии электрического поля. Линейная ёмкость определяет прямопропорциональную зависимость на основе заряда и напряжения. В таком случае, формула выглядит следующим образом:

q = Cu

Из каких элементов состоит электрическая цепь

Новички нередко задаются вопросом, из каких важных элементов состоит электрическая цепь. Такими составляющими являются:

• Источник тока,
• Нагрузка,
• Проводник.

В состав могут в том числе входить такие элементы, как устройства коммутации, а также приборы защиты.

Условные обозначения электроустройств

Для возникновения тока, необходимо соединить две точки, одна из которых имеет избыток электронов по сравнению с другой. Другими словами, необходимо создать разность потенциалов между этими двумя точками. Как раз для получения разности потенциалов в цепи применяется источник тока.

Важно! Нагрузкой считается любой потребитель электрической энергии. Этот фактор оказывает сопротивление электрическому току и от величины сопротивления нагрузки зависит величина тока. Ток от источника энергии к нагрузке течёт по проводникам. В качестве кабеля можно использовать материалы с наименьшим сопротивлением (медь, серебро, золото).

Схема электрической цепи

Электрическая цепь, её графическое изображение, условные обозначения составляющих её элементов, а также символы представляют собой классическую схему расчетной модели. Подобный тип по-другому принимают, как эквивалентную схему замещения. По возможности, изображённая электротехника на схеме электрических цепей показывает весь процесс. Каждый реальный элемент цепи при проведении расчета заменяется элементами схемы.

Схема ЭЦ

В заключении следует отметить, что каждый элемент цепи, в зависимости от характера подключения и электротехнических свойств, может быть идентифицирован как источник энергии, либо как потребитель. Каждому участку на схеме ЭЦ соответствует проводник, либо конкретный прибор (трансформатор, выпрямитель, инвертор и другое электрооборудование). Только после правильного прочтения электрической схемы специалист может обеспечить её работоспособность.

«Основные понятия и законы электрических цепей»

Вопрос 1. Определите понятие «электрическая цепь», «электрическая схема», «узел», «ветвь», «источники тока», «источник ЭДС».
Ответ. Электрическая цепь — это совокупность устройств, предназначенных для прохождения электрического тока. Устройствами, образующими электрическую цепь, являются источники электромагнитной энергии — генераторы, потребители электромагнитной энергии — приемники и системы передачи энергии.
Электрическая схема — это графическое изображение электрической цепи. Схема показывает последовательность соединения двухполюсников, составляющих электрическую цепь.
Ветвь — это весь участок электрической цепи, вдоль которого ток имеет одно и то же значение. Узел — это место соединения трех и более ветвей. Узел электрической цепи на схеме отмечается жирной точкой.
Источник тока — это генератор, создающий ток, не зависимый от сопротивления нагрузки.
Источник напряжения (ЭДС) — это генератор с внутренним сопротивлением равным нулю.

Вопрос 2. Что понимается под ВАХ?
Ответ. График, изображающий зависимость напряжения на двухполюснике от тока через двухполюсник, называется вольтамперной характеристикой (ВАХ) этого двухполюсника.

Рис. 1. Вольт-амперные характеристики.
Кривая а представляет собой ВАХ такого двухполюсника, сопротивление которого не зависит ни от тока через двухполюсник, ни от напряжения на нем, его ВАХ будет представлять собой прямую линию, проходящую через нуль, такие двухполюсники называются линейными.
Кривая б представляет собой ВАХ такого двухполюсника, сопротивление которого возрастает с увеличением тока. Примером такого двухполюсника может служить лампочка накаливания с вольфрамовой нитью. Удельное сопротивление вольфрама растет с увеличением температуры, и, следовательно, с ростом тока через нить накаливания.
Кривая в изображает ВАХ газоразрядного прибора. Согласно этой ВАХ сопротивление прибора с увеличением тока должно падать.
Характеристики б, е, и г принадлежат сопротивлениям, не подчиняющимся закону Ома.
Лампа накаливания и газоразрядный прибор являются нелинейными сопротивлениями.

Вопрос 3. Нарисуйте ВАХ реального источника, источника ЭДС, источника тока, линейного сопротивления.
Ответ.

Рис. 2. ВАХ: а — реального источника ЭДС; б — идеального источника ЭДС; в — идеального источника тока; г — линейного сопротивления.

Вопрос 4. Сформулируйте закон Ома для участка цепи с ЭДС, первый и второй законы Кирхгофа. Запишите в буквенном виде, сколько уравнений следует составлять по первому и второму законам Кирхгофа?
Ответ. Закон Ома: при неизменном сопротивлении проводника напряжение на нем пропорционально току в проводнике. Математическое выражение этого закона Ома имеет вид: .
Первый закон Кирхгофа. Первый закон определяет баланс токов в узлах электрической цепи: алгебраическая сумма токов в ветвях, связанных общим узлом электрической цепи, равна нулю; или сумма токов, уходящих от узла электрической цепи, равна сумме токов, приходящих к этому узлу.
Уходящие токи будем считать положительными, приходящие — отрицательными.
Математическое выражение первого закона Кирхгофа имеет вид:
или ,
где — номера ветвей, связанных данным узлом.
Второй закон Кирхгофа. Второй закон Кирхгофа устанавливает баланс напряжений в контурах электрической цепи: во всяком контуре электрической цепи алгебраическая сумма напряжений на
отдельных элементах контура равна нулю. Математическое выражение закона или второе уравнение Кирхгофа имеет вид:
или ,
где — индексы всех активных и пассивных элементов контура, включая и внутренние сопротивления генераторов;
— напряжения на этих элементах.
Второе уравнение Кирхгофа можно записать так: , где — число пассивных элементов; — число источников напряжений.
Читается это уравнение так: во всяком контуре электрической цепи алгебраическая сумма падений напряжения равна алгеб­раической сумме э.д.с., действующих в этом контуре.
Формулы и примеры решения задач по ТОЭ здесь.

Вопрос 5. В чем отличие напряжения от падения напряжения?
Ответ. Напряжение (для генератора) — это разность потенциалов между зажимами работающего генератора.
Падение напряжения (в генераторе) — это разность между э.д.с. и напряжением на его зажимах, создаваемая током в сопротивлениях токоведущих элементов самого генератора.
Напряжение (в линии) — это разность потенциалов между проводами.
Падение напряжения (в линии) — это разность потенциалов вдоль проводов, возникающая при токе в линии благодаря сопротивлению самих проводов линии.
Напряжение и падение напряжения (на приемнике) — это одна и та же разность потенциалов между его зажимами.

Вопрос 6. Какие вам известны проявления магнитного поля?
Ответ. Энергия магнитного поля накапливается в индуктивности.

Вопрос 7. Дайте определение L.
Ответ. Коэффициент пропорциональности, равный называется статической индуктивностью катушки. Потокосцепление катушки: — произведение числа витков катушки на значение магнитного потока.
Динамическая индуктивность катушки определяется по формуле: L_Д=. Если катушка линейная, то динамическая индуктивность катушки не отличается от ее статической индуктивности и называется просто — индуктивность.

Вопрос 8. Какие вам известны проявления электрического поля?
Ответ. Энергия электрического поля накапливается в емкости.

Вопрос 9. Дайте определение С.
Ответ. Емкость (С) между двумя проводниками — это абсолютное значение отношения электрического заряда одного проводника к разности потенциалов между проводниками при условии, что эти проводники имеют равные по величине, но противоположные по знаку заряды. Единицей емкости является фарада (Ф).
Емкость — это идеальный конденсатор, не обладающий ни индуктивностью, ни сопротивлением.

Вопрос 10. Сформулируйте закон Джоуля-Ленца.
Ответ. Закон Джоуля—Ленца: работа, совершаемая током i в сопротивлении r за время t, определяется выражением: или , где u — напряжение на сопротивлении r, равное .

Источник: Никольский О.К., Куликова Л.В., Семичевский П.И., Германенко В.С. Теоретические основы электротехники: В 2-х т. Учебное пособие для вузов.

Поделитесь с друзьями:

Самый быстрый словарь в мире: Vocabulary.com

электрическая цепь электрическое устройство, обеспечивающее путь для прохождения электрического тока

электрическая цепь: электрическое устройство, обеспечивающее путь для прохождения электрического тока

электрический контакт контакт, позволяющий току проходить от одного проводника к другому

электрическая энергия энергия, выделяемая потоком электрического заряда через проводник

электромонтажные работы ремесло электрика

электрический разряд Разряд электричества

электрическая емкость электрическое явление, при котором сохраняется электрический заряд

электрораспределитель электрическое устройство, распределяющее напряжение на свечи зажигания бензинового двигателя в порядке зажигания

Электрический переключатель управления, состоящий из механического, электрического или электронного устройства для включения, разрыва или изменения соединений в цепи

электрическая розетка розетка, в которую можно вставить лампочку

шунтировать проводник с низким сопротивлением параллельно другому устройству для отвода части тока

электрический ток Поток электричества через проводник

электрическая мощность произведение напряжения и тока

Розетка электрической розетки, обеспечивающая место в системе электропроводки, где ток может использоваться для работы электрических устройств

поражение электрическим током рефлекторная реакция на прохождение электрического тока через тело

электрическое реле электрическое устройство, такое, что ток, протекающий через него в одной цепи, может включать и выключать ток во второй цепи

электрическая буря буря, вызванная сильными восходящими потоками воздуха

Электростанция Коммунальное предприятие, обеспечивающее электроэнергией

электрический предохранитель: электрическое устройство, которое может прерывать прохождение электрического тока при его перегрузке

электрическая лампа электрическая лампа, состоящая из прозрачного или полупрозрачного стеклянного корпуса, содержащего проволочную нить накала (обычно вольфрамовую), излучающую свет при нагревании электрическим током

Что такое электрическая цепь?

В Уроке 1 обсуждалась концепция разности электрических потенциалов.Электрический потенциал — это количество электрической потенциальной энергии на единицу заряда, которым обладал бы заряженный объект, если бы он был помещен в электрическое поле в заданном месте. Концепция потенциала — это величина, зависящая от местоположения — она ​​выражает количество потенциальной энергии на основе заряда, так что оно не зависит от количества заряда, фактически присутствующего на объекте, обладающем электрическим потенциалом. Разность электрических потенциалов — это просто разница в электрических потенциалах между двумя разными точками в пределах электрического поля.

Чтобы проиллюстрировать концепцию разности электрических потенциалов и природу электрической цепи, рассмотрим следующую ситуацию. Предположим, что есть две металлические пластины, ориентированные параллельно друг другу, и каждая заряжена зарядом противоположного типа — одна положительная, а другая отрицательная. Такое расположение заряженных пластин создает электрическое поле в области между пластинами, которое направлено от положительной пластины к отрицательной пластине.Положительный тестовый заряд, помещенный между пластинами, будет двигаться от положительной пластины к отрицательной пластине. Это движение положительного испытательного заряда от положительной пластины к отрицательной должно происходить без необходимости подвода энергии в виде работы; это произошло бы естественным образом и, таким образом, снизило бы потенциальную энергию заряда. Положительная пластина будет местом с высоким потенциалом, а отрицательная пластина — местом с низким потенциалом. Между этими двумя точками будет разница в электрическом потенциале.

Теперь предположим, что две противоположно заряженные пластины соединены металлической проволокой. Что случилось бы? Проволока служит своего рода зарядной трубой, по которой может течь заряд. Со временем можно было представить себе положительные заряды, перемещающиеся от положительной пластины через зарядную трубку , (провод) к отрицательной пластине. То есть положительный заряд естественным образом двигался бы в направлении электрического поля, созданного расположением двух противоположно заряженных пластин.Когда положительный заряд покидает верхнюю пластину, пластина станет менее заряженной, как показано на анимации справа. Когда положительный заряд достигнет отрицательной пластины, эта пластина станет менее отрицательно заряженной. Со временем количество положительного и отрицательного заряда на двух пластинах будет постепенно уменьшаться. Поскольку электрическое поле зависит от количества заряда, присутствующего на объекте, создающем электрическое поле, электрическое поле, создаваемое двумя пластинами, будет постепенно уменьшаться в силе с течением времени.В конце концов, электрическое поле между пластинами станет настолько маленьким, что не будет наблюдаемого движения заряда между двумя пластинами. Пластины в конечном итоге теряют заряд и достигают того же электрического потенциала. При отсутствии разности электрических потенциалов не будет потока заряда.

Приведенная выше иллюстрация приближается к демонстрации значения электрической цепи. Однако, чтобы быть истинной цепью, заряды должны постоянно проходить через полный цикл, возвращаясь в свое исходное положение и снова проходя цикл.Если бы существовало средство перемещения положительного заряда с отрицательной пластины обратно вверх на положительную пластину, то движение положительного заряда вниз через зарядную трубку (то есть провод) происходило бы непрерывно. В таком случае будет установлена ​​цепь или петля.

Обычная лабораторная работа, которая иллюстрирует необходимость полного цикла, использует аккумуляторный блок (набор D-ячеек), лампочку и несколько соединительных проводов. Это упражнение включает наблюдение за эффектом подключения и отключения провода при простом расположении аккумуляторной батареи, лампочек и проводов.Когда все подключения к аккумуляторной батарее выполнены, лампочка загорится. Фактически, зажигание лампочки происходит сразу после окончательного подключения. Нет заметной временной задержки между моментом последнего подключения и моментом зажигания лампочки.

Тот факт, что лампочка горит и продолжает гореть, свидетельствует о том, что заряд проходит через нить накаливания лампочки и что электрическая цепь была установлена.Цепь — это просто замкнутый контур, по которому могут непрерывно перемещаться заряды. Чтобы продемонстрировать, что заряды движутся не только через нить накаливания лампочки, но и по проводам, соединяющим аккумуляторную батарею и лампочку, мы изменили описанное выше действие. Компас помещают под проволоку в любом месте так, чтобы его стрелка совпадала с проволокой. После окончательного подключения к аккумуляторной батарее загорается лампочка, и стрелка компаса отклоняется. Игла служит детектором движущихся зарядов внутри проволоки.Когда он отклоняется, заряды движутся по проводу. А если отсоединить провод от аккумуляторной батареи, лампочка больше не горит, а стрелка компаса вернется в исходное положение. Когда лампочка загорается, заряд проходит через электрохимические элементы батареи, провода и нити накаливания лампочки; стрелка компаса определяет движение этого заряда. Можно сказать, что есть ток , — поток заряда в цепи.

Электрическая цепь, представленная комбинацией батареи, лампочки и проводов, состоит из двух отдельных частей: внутренней цепи и внешней цепи.Часть схемы, содержащая электрохимические элементы батареи, является внутренней схемой. Часть схемы, в которой заряд движется за пределы аккумуляторной батареи через провода и лампочку, является внешней схемой. В Уроке 2 мы сосредоточимся на движении заряда по внешней цепи. В следующей части Урока 2 мы исследуем требования, которые должны быть выполнены, чтобы заряд проходил через внешнюю цепь.

Что такое электрическая цепь?

Электрическая схема — это соединение электрических компонентов.Электрическая цепь состоит из батарей, резисторов, катушек индуктивности, конденсаторов, переключателей или транзисторов. Электрическая сеть состоит из замкнутого контура. Цепь — это замкнутый путь, по которому электроны текут по проволоке. Пока медная проволока находится в свободном доступе, электроны дрейфуют между атомами, но никогда не покидают медь.

Однако, когда мы подключаем этот медный провод к батарее, свободные электроны будут двигаться к положительному полюсу батареи. Эта толкающая сила называется Электродвижущая сила (E.М.Ф.). E.M.F. выражается в вольтах. И обычно это называется напряжением. В результате этого напряжения происходит движение электронов. Это движение известно как электронный ток или электрический ток . Мы можем измерить ток, подключив амперметр между медным проводом и источником напряжения.

Полная цепь — это бесконечный цикл электронов. Если мы возьмем провод и закрутим его, он образует непрерывный путь, по которому электроны могут течь вечно. Это основная концепция схемы.

Электрическая цепь в основном состоит из

• Электрические источники, обеспечивающие напряжение и ток, такие как батареи. Они источник электронов.
• Выключатели, резисторы, потенциометры, конденсаторы, которые используются для управления электричеством.
• Устройства защиты в цепях высокого напряжения. Это автоматический выключатель, предохранитель и т. Д.
• Провода, по которым проходит электрический ток из одной точки в другую в цепи.
• Нагрузкой в ​​цепи может быть двигатель, светодиод, лампа и т. Д.

Вот некоторые основные свойства электрических цепей, а именно:

• Цепь всегда замкнута.
• Цепь всегда состоит из источника энергии,
• Направление потока тока — от положительной клеммы к отрицательной клемме источника.
• Направление потока электронов от отрицательной клеммы к положительной клемме источника.

Принципиальная схема

Принципиальная схема — это визуальное отображение электрической цепи.В основном есть два типа принципиальных схем:

1. Иллюстрированное изображение: Иллюстрированное изображение выполнено с использованием базовых изображений. Диаграмма этого типа дает аудитории менее техническое представление.

Наглядная принципиальная схема

2. Схема: На этих схемах используются стандартные промышленные символы. Эти диаграммы используются для представления схемы электрику или любой другой технической аудитории.

Схема

Обозначения принципиальных схем

На принципиальной схеме есть сотни символов.Некоторые основные символы:

Предположим, мы хотим нарисовать простую схему, в которой батарея подключена к светодиоду таким образом, что положительная клемма батареи подключена к положительной клемме светодиода, а отрицательная клемма батареи подключена к отрицательной клемме светодиода. Тогда это можно представить как:

Типы цепей

В основном существует три типа цепей:

1. Обрыв цепи

Если в простой цепи одна клемма отключена, ток через эту цепь не протекает.Это состояние называется обрывом цепи или отсутствием нагрузки.

Обрыв цепи

2. Замкнутый контур

Электрическая цепь имеет источник электродвижущей силы и нагрузку. Эта нагрузка действует как токопроводящий путь. Если ток протекает через нагрузку, это считается замкнутой цепью. Если в простой цепи ток может течь от одного вывода батареи к другому без какого-либо прерывания, это называется замкнутой цепью.

Замкнутый контур

3. Короткое замыкание

Если положительный полюс батареи напрямую подключен к отрицательному полюсу без какого-либо сопротивления между ними, это называется коротким замыканием.

Короткое замыкание

Помимо вышеуказанных схем, компоненты в электрической цепи могут быть расположены двумя различными способами: последовательно и параллельно.

Цепь серии

Если в цепи компоненты соединены последовательно, то цепь называется последовательной схемой. В последовательной цепи ток через каждый компонент одинаков, а подаваемое напряжение представляет собой сумму напряжений на каждом компоненте. Если провод соединяет батарею с одной лампой, со следующей лампой, а затем обратно с батареей, говорят, что лампы соединены последовательно.

Последовательное соединение двух ламп

Параллельная цепь

Если в цепи компоненты соединены параллельно, тогда цепь называется параллельной цепью. В параллельной цепи напряжение на каждом компоненте будет одинаковым, а общий приложенный ток представляет собой сумму тока, протекающего через каждый компонент. Если лампа подключена к батарее, а другая лампа подключена в отдельном шлейфе с первой лампой, то лампа подключается параллельно.

Параллельное соединение двух ламп

Здесь напряжение на каждой лампочке будет таким же, как напряжение, подаваемое батареей.Ток через каждую лампу будет разделен, значит, если мы приложим к цепи 5А, ток, протекающий через каждую лампу, будет равен 5А.

Таким образом работают последовательные и параллельные цепи, и у них есть свои собственные свойства деления тока и напряжения.

Электрические цепи есть повсюду вокруг нас, в наших мобильных телефонах, в наших компьютерах, в вентиляторах, а также в фонариках. Трудно предположить практическое использование электричества без электрических цепей. Мы все зависим от этих сложных цепей вокруг нас.

Электрическая цепь или электрические сети: что это такое?

Что такое электрическая цепь?

Электрическая цепь (также известная как электрическая сеть или электрическая цепь) — это соединение различных активных и пассивных компонентов заданным образом для образования замкнутого пути. Электрический ток должен иметь возможность протекать от источника через некоторую проводящую среду, а затем обратно к другому выводу источника.

Основными частями идеальной электрической цепи являются:

1. Электрические источники для подачи электричества в цепь, в основном электрические генераторы и батареи
2. Управляющие устройства для управления электричеством, в основном это переключатели, автоматические выключатели, автоматические выключатели и потенциометры и т. д.
3. Защитные устройства для защиты цепи от ненормальных условий, и в основном это электрические предохранители, автоматические выключатели, распределительные устройства.
4. Проводящий путь для переноса электрического тока из одной точки в другую в цепи, и это в основном провода или проводники.
5. Нагрузка.

Таким образом, напряжение и ток являются двумя основными характеристиками электрического элемента . Различные методы, с помощью которых определяются напряжение и ток на любом элементе в любой электрической цепи, называются анализом электрической цепи.

На этом рисунке показана простая электрическая цепь, содержащая

Из-за этого в цепи протекает ток I и на резисторе появляется падение потенциала V вольт.

Основные свойства электрических цепей

Основные свойства электрических цепей включают:

• Цепь всегда является замкнутой цепью.
• Схема всегда содержит по крайней мере источник энергии, который действует как источник электронов.
• К электрическим элементам относятся неуправляемый и контролируемый источник энергии, резисторы, конденсаторы, индукторы и т. Д.
• В электрической цепи поток электронов происходит от отрицательного вывода к положительному.
• Направление потока обычного тока — от положительной клеммы к отрицательной.
• Прохождение тока приводит к падению потенциала на различных элементах.

Типы электрических цепей

Основными типами электрических цепей являются:

1. Разомкнутая цепь
2. Замкнутая цепь
3. Короткое замыкание
4. Последовательная цепь
5. Параллельная цепь
6. Последовательная параллельная цепь

Разрывная цепь Если из-за отключения какой-либо части электрической цепи нет протекания тока через цепь, говорят, что это разомкнутая цепь .

Замкнутая цепь

Если в цепи нет разрыва и ток может течь от одной части к другой части цепи, цепь называется замкнутой цепью .

Короткое замыкание

Если две или более фаз, одна или несколько фаз и земля или нейтраль системы переменного тока или положительный и отрицательный провода, или положительный или отрицательный провод и земля системы постоянного тока соприкасаются друг с другом напрямую или соединяются друг с другом путем нулевого импеданса тогда цепь называется короткозамкнутой .

Электрические цепи могут быть дополнительно разделены на следующие категории в соответствии с их структурными особенностями:

1. Последовательные цепи
2. Параллельные цепи
3. Последовательные параллельные цепи

Последовательные цепи

Когда все элементы цепи являются соединены один за другим хвостом к голове, и из-за чего будет только один путь протекания тока, тогда схема называется последовательной цепью .

Элементы схемы в этом случае называются последовательно соединенными. В последовательной электрической цепи одинаковый ток протекает через все элементы, соединенные последовательно.

Параллельная схема

Если компоненты соединены таким образом, что падение напряжения на каждом компоненте одинаково, то это называется параллельной схемой .

В параллельной цепи падение напряжения на каждом компоненте одинаково, но токи, протекающие через каждый компонент, могут отличаться.Полный ток — это сумма токов, протекающих через каждый элемент.

Пример параллельной схемы — это система электропроводки дома. Если одна из электрических ламп перегорает, ток все еще может течь через остальные лампы и приборы.

В параллельной цепи напряжение одинаково для всех элементов.

При параллельном подключении резисторов:

Чтобы найти общее сопротивление всех компонентов, сложите обратные значения сопротивлений каждого компонента и возьмите обратную величину от суммы.

При параллельном соединении катушек индуктивности:

Общая индуктивность несвязанных катушек индуктивности, включенных параллельно, равна обратной величине суммы обратных величин их индивидуальных индуктивностей.

При параллельном подключении конденсаторов:

Параллельно подключенные конденсаторы действуют как последовательная комбинация. Общая емкость конденсаторов, включенных параллельно, равна сумме их индивидуальных емкостей.

Последовательная параллельная цепь

Электрическая цепь, в которой некоторые элементы соединены последовательно, а некоторые элементы соединены параллельно, называется последовательно-параллельной цепью.

Большинство практических схем представляют собой последовательно-параллельные схемы. Очень распространенный пример — соединение проводов в роторе двигателя постоянного тока.

Электрическая цепь — Energy Education

Рисунок 1: Пример замкнутой цепи (щелкните, чтобы увеличить). ^[1]

Электрическая цепь представляет собой соединение компонентов, которые могут проводить электрический ток. В простых электрических цепях есть проводники (обычно провода), компонент, который подает питание (например, аккумулятор или розетка), и компонент, который поглощает энергию, называемый нагрузкой.Лампочка может быть примером нагрузки, и всегда должен быть обратный путь, чтобы электроны могли вернуться к источнику питания от нагрузки. Каждая цепь предназначена для подачи питания на одну или несколько нагрузок. Например, в бумбоксе питание идет на динамики. Точно так же мощность в лампе идет на лампочку. Схема позволяет заряду уходить с одной стороны источника питания и возвращаться с другой стороны источника питания.

Цепи могут быть последовательными, параллельными или их комбинацией, называемой последовательно-параллельной цепью. ^[2] Чтобы узнать больше об этих различных схемах, посетите: последовательная и параллельная схемы.

На рисунке 1 цепь замкнута (заряд может уходить из источника питания, проходить через лампочку и возвращаться к источнику питания), и лампочка действует как нагрузка. Обратите внимание, что показания вольтметра показывают 0 В, потому что падение напряжения на электрическом переключателе равно 0. ^[1]

Обрыв цепи

Рисунок 2: Пример разомкнутой цепи (щелкните, чтобы увеличить). ^[1]

Разрыв цепи (как на рисунке 2) имеет физический разрыв в пути проводимости, где ток падает до 0, а сопротивление становится бесконечным (слишком большим для измерения омметром). Однако напряжение можно измерить, потому что вольтметр подключается через открытую клемму. ^[3] Обратите внимание, что разомкнутая цепь не является настоящей цепью, потому что заряд с одной стороны источника питания не может уйти и вернуться на другую сторону источника питания.

На Рисунке 2 переключатель поднят, поэтому цепь размыкается, что означает, что ток не проходит полный путь и лампочка не работает.Вольтметр все еще может быть подключен и отображает показание 18 вольт из-за наличия двух последовательно соединенных 9-вольтных батарей. ^[1]

Не имеет значения, где находится разрыв в электрической цепи, любое прерывание пути остановит электрический ток от перемещения по его пути. Это основа электрического переключателя, о котором говорилось выше.

Короткое замыкание

Рисунок 3. Пример короткого замыкания (щелкните, чтобы увеличить). ^[1] .

Короткое замыкание (показано на рисунке 3) — это непреднамеренное соединение с низким сопротивлением между двумя или более точками в цепи.Поскольку ток увеличивается по мере уменьшения сопротивления (заданного законом Ома), это приведет к протеканию большого количества тока через «короткое замыкание». Этот более высокий ток, если он больше, чем может безопасно выдержать калибр провода, может вызвать ожог пути тока из-за высоких температур и может вызвать пожар. Это приводит к тому, что замыкает цепь. ^[3] Защитные устройства, такие как предохранители и автоматические выключатели, используются в случае короткого замыкания для предотвращения опасности поражения электрическим током и связанных с ним повреждений.

На рисунке 3 присутствует короткое замыкание. Хотя часть тока все еще проходит через лампочку, путь, идущий в обход лампочки, обеспечивает самое низкое сопротивление для цепи. Это более низкое сопротивление соответствует значительно большему току. Это большое количество тока превышает номинальный ток провода, тем самым разрушая переключатель и сжигая часть пути тока. ^[1]

Моделирование Phet

Университет Колорадо любезно разрешил нам использовать следующую симуляцию Фета.Это моделирование исследует, как батареи работают в электрической цепи:

Для дальнейшего чтения

Для получения дополнительной информации см. Соответствующие страницы ниже:

Список литературы

1. ↑ ^{1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5} Университет Колорадо (2011). Комплект для конструирования цепей (только DC), виртуальная лаборатория [онлайн]. Доступно http://phet.colorado.edu/en/simulation/circuit-construction-kit-dc-virtual-lab
2. ↑ Р.Т. Пейнтер, «Основные электрические компоненты и счетчики», в Введение в электричество , 1-е изд. Нью-Джерси: Прентис-Холл, 2011, гл. 4, сек. 4.3, с. 155-160.
3. ↑ ^{3,0 3,1} R.T. Пэйнтер, «Основные электрические компоненты и счетчики», в Введение в электричество , 1-е изд. Нью-Джерси: Прентис-Холл, 2011, гл. 4, сек. 4.4, с. 160-162.

Что такое электрические цепи? | Основные понятия электричества

Вы, возможно, задавались вопросом, как заряды могут непрерывно течь в одинаковом направлении по проводам без использования этих гипотетических Источников и Назначений.Чтобы схема источника и назначения работала, оба должны иметь бесконечную емкость для зарядов, чтобы поддерживать непрерывный поток!

Используя аналогию с мрамором и трубкой из предыдущей страницы о проводниках, изоляторах и потоке электронов, мраморный источник и мраморные приемные ведра должны быть бесконечно большими, чтобы вместить мрамор, достаточный для поддержания «потока» мрамора. .

Что такое цепь?

Ответ на этот парадокс можно найти в концепции цепи : бесконечный петлевой путь для носителей заряда.Если мы возьмем провод или несколько проводов, соединенных встык, и закольтим его так, чтобы он образовал непрерывный путь, у нас есть средства для поддержки равномерного потока заряда без необходимости прибегать к бесконечным источникам и назначениям:

Каждый носитель заряда, движущийся по часовой стрелке в этом контуре, толкает того, что находится перед ним, который толкает тот, который находится перед ним, и так далее, и так далее, точно так же, как хула-хуп, наполненный шариками. Теперь у нас есть возможность поддерживать непрерывный поток заряда бесконечно без необходимости в бесконечных запасах и свалках.Все, что нам нужно для поддержания этого потока, — это постоянные средства мотивации для этих носителей заряда, о которых мы поговорим в следующем разделе этой главы, посвященном напряжению и току.

Что означает обрыв цепи?

Непрерывность в цепи так же важна, как и в прямом проводе. Как и в примере с прямым отрезком провода между Источником и Назначением, любой разрыв в этой цепи предотвратит прохождение заряда через нее:

Здесь важно понимать, что не имеет значения, где происходит разрыв .Любое нарушение непрерывности в цепи предотвратит поток заряда по всей цепи. Если не существует непрерывной непрерывной петли из проводящего материала, через которую проходят носители заряда, устойчивый поток просто не может поддерживаться.

ОБЗОР:

• Схема представляет собой непрерывную петлю из проводящего материала, которая позволяет носителям заряда непрерывно проходить через нее без начала и конца.
• Если цепь «разорвана», это означает, что ее проводящие элементы больше не образуют законченный путь, и в ней не может происходить непрерывный поток заряда.
• Местоположение разрыва в цепи не имеет отношения к ее неспособности поддерживать непрерывный поток заряда. Любой обрыв , в любом месте в цепи предотвращает поток носителей заряда по цепи.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

электрических цепей

электрических цепей
Далее: Закон Ома Up: Electric Current Предыдущая: Electric Current Батарея — это устройство, имеющее положительный и отрицательный Терминал.Какой-то процесс, обычно химическая реакция, происходит внутри аккумулятор, который заставляет положительный заряд перемещаться к положительному выводу, и наоборот . Этот процесс продолжается до тех пор, пока электрическое поле между двумя выводами не станет достаточно сильный, чтобы препятствовать дальнейшей миграции заряда.

Электрическая цепь — проводящий путь, внешний к аккумулятору, что позволяет заряжать поток с одного терминала к другому. Простая схема может состоять из одножильный металлический провод, соединяющий положительную и отрицательную клеммы.Более реалистичная схема имеет несколько точек разветвления, поэтому заряд может много разных путей между двумя терминалами.

Предположим, что (положительный) заряд движется вокруг внешнего цепь, от плюса к отрицательный вывод, электрическое поле, созданное между терминалы. Работа, проделанная с зарядом этим полем за время его путешествие, в чем разница по электрическому потенциалу между положительной и отрицательной клеммами. Обычно мы называем напряжение батареи: e.грамм. , когда мы говорим о 6-вольтовой батарее, мы на самом деле имеем в виду что разность потенциалов между двумя его выводами составляет 6 В. Примечание. Разд. 5, что электрические работы, выполненные на заряде полностью не зависит от маршрута между терминалы. Другими словами, хотя в целом много различные пути через внешнюю цепь, по которым заряд может проходить по порядку чтобы добраться от положительного к отрицательному выводу аккумулятор, электрическая энергия которого заряд, приобретаемый в этом путешествии, всегда один и тот же.Поскольку при анализе электрические схемы, нас в первую очередь интересует энергия ( т.е. , в преобразовании химической энергии батареи в тепловая энергия в каком-либо электронагревательном элементе или механическом энергия в некоторых электродвигателях, и т. д. ), Отсюда следует, что свойство батареи, которое нас в первую очередь беспокоит, — это ее напряжение . Следовательно, нам не нужно отображать электрическое поле. генерируется батареей, чтобы вычислить, сколько энергии это поле дает заряд, который идет по какой-то подключенной к нему внешней цепи.Все, что нам нужно знать, это разность потенциалов между двумя клеммами. батареи. Очевидно, это огромное упрощение.

Этот раздел касается только установившихся электрических цепей питается от аккумуляторов постоянного напряжения. Таким образом, скорость, с которой электрические заряд перетекает с положительной клеммы аккумуляторной батареи на внешнюю контур должен соответствовать скорости, с которой заряд перетекает из контура в отрицательный полюс аккумуляторной батареи, иначе заряд будет накапливаться в либо аккумулятор, либо цепь, которые не соответствуют установившемуся режиму ситуация.Скорость, с которой заряд вытекает из положительного вывода называется электрический ток , вытекающий из батареи. Так же, скорость, с которой заряд течет в отрицательный вывод, называется током течет в аккумулятор. Конечно, эти два тока должны быть одинаковыми в установившееся состояние. Электрический ток измеряется в амперах (А), которые эквивалент кулонов в секунду:

(124)

Мы можем определить электрический ток, протекающий в любой конкретной точке внешняя схема следующим образом.Если заряд проходит мимо этой точки в бесконечно малом интервале времени, тогда

(125)

По соглашению направление тока принимается равным положительные заряды должны переместиться, чтобы учесть поток заряда. В установившемся режиме ток во всех точках внешней цепи должен остаются неизменными во времени. Мы называем этот тип цепи постоянного тока (DC) цепь, потому что ток всегда течет в одном и том же направлении.Там есть второй тип цепи, называемый цепью переменного тока (AC), в который периодически меняет направление тока.

Рассмотрим простую схему, в которой протекает постоянный ток. вокруг одного проводящего провода, соединяющего положительный и отрицательный клеммы аккумуляторной батареи напряжения. Предположим, что ток равен переносятся положительными зарядами, протекающими по внешней цепи от положительного к отрицательный терминал. На самом деле ток переносятся отрицательными зарядами ( т.е. , электронами) течет в обратном направлении. направление, но для большинства целей мы можем спокойно игнорировать этот довольно неудобный факт. Каждый заряд, протекающий по внешней цепи, испытывает потенциальное падение. Чтобы снова обтекать цепь, заряд должен быть поднятым до потенциала положительной клеммы батареи. Этот процесс происходит внутри аккумулятора, поскольку заряд мигрирует из отрицательный к положительной клемме. Энергия требуется для перемещения заряда между двумя терминалами, полученный из энергия, выделяемая в результате химических реакций, происходящих внутри аккумулятор.

Простая трасса, описанная выше, в некоторой степени аналогична небольшому горнолыжному курорту. Заряды, протекающие по внешнему контуру, похожи на людей, катающихся на лыжах. вниз по горнолыжному склону. Заряды стекают по градиенту электрического потенциал так же, как люди спускаются по градиенту гравитационного потенциала. Обратите внимание, что хорошие лыжники, которые спускаются прямо по склону, приобретают именно та же гравитационная энергия, что и у бедных лыжников, которые катаются из стороны в сторону. В обоих случаях общая приобретенная энергия зависит только от разница в высоте между верхом и низом склона.Аналогичным образом, сборы при обтекании внешнего контура приобретают одинаковую электрическую энергию независимо от маршрута они берут, потому что приобретаемая энергия зависит только от разности потенциалов между двумя выводами аккумуляторной батареи. Когда-то люди на нашем горнолыжном курорте достичь дна склон, их необходимо поднять на подъемник прежде, чем они снова смогут спуститься по нему на лыжах. Таким образом, подъемник на нашем курорте играет аналогичную роль. роль батареи в нашей цепи. Конечно, подъемник должен расходовать негравитационную энергию, чтобы поднять лыжников на вершину склона, всего за так же, как батарея должна расходовать неэлектрическую энергию для перемещения зарядов вверх до потенциальной градиент.Если у подъемника заканчивается энергия, то движение лыжников на курорте быстро останавливается. Аналогичным образом, если в аккумуляторе заканчивается энергия (, т.е. , если батарея « разряжается »), то ток во внешней цепи перестает течь.

---

Далее: Закон Ома Up: Electric Current Предыдущая: Electric Current

Ричард Фицпатрик 2007-07-14

.