Как чертить электрические схемы в компасе. Черчение электрических схем в КОМПАС-3D: пошаговое руководство — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Как создать электрическую схему в КОМПАС-3D. Какие элементы включить в схему. Как правильно расположить компоненты на чертеже. Какие инструменты использовать для оформления схемы.

Содержание

Подготовка рабочего пространства в КОМПАС-3D для создания электрической схемы

Перед началом работы над электрической схемой необходимо правильно настроить рабочее пространство в КОМПАС-3D:

Запустите КОМПАС-3D и создайте новый чертеж через меню «Файл» -> «Создать» -> «Чертеж».
Выберите подходящий формат листа. Для большинства схем оптимален формат А3, расположенный горизонтально.
Настройте параметры листа через меню «Сервис» -> «Параметры» -> «Текущий чертеж» -> «Параметры первого листа».
Включите отображение сетки через меню «Вид» -> «Сетка». Это поможет точнее размещать элементы.
Настройте привязки через меню «Привязки» для более удобного позиционирования объектов.

Правильная подготовка рабочего пространства значительно упростит дальнейшую работу над схемой и поможет создать аккуратный чертеж.

Основные элементы электрических схем и их условные обозначения

При создании электрической схемы используются стандартные условные графические обозначения элементов. Рассмотрим основные из них:

Резистор — зигзагообразная линия
Конденсатор — две параллельные линии
Катушка индуктивности — несколько полуокружностей
Трансформатор — две или три катушки рядом
Диод — треугольник с чертой
Транзистор — круг с тремя выводами
Выключатель — разрыв линии с дугой
Предохранитель — прямоугольник с плавкой вставкой
Заземление — несколько горизонтальных линий разной длины

Знание условных обозначений позволяет быстро читать и создавать электрические схемы. В КОМПАС-3D большинство этих элементов доступны в библиотеках.

Пошаговый процесс создания электрической схемы в КОМПАС-3D

Создание электрической схемы в КОМПАС-3D включает следующие основные этапы:

Разместите на чертеже основные функциональные блоки схемы, используя прямоугольники.

Добавьте условные обозначения элементов из библиотеки «Условные графические обозначения».
Соедините элементы линиями электрической связи, используя инструмент «Ломаная линия».
Проставьте позиционные обозначения элементов с помощью инструмента «Обозначение позиций».
Добавьте текстовые надписи, поясняющие работу схемы.
Оформите основную надпись чертежа, заполнив необходимые поля.
Проверьте схему на наличие ошибок и неточностей.

Следуя этому алгоритму, вы сможете создать корректную и понятную электрическую схему в КОМПАС-3D.

Использование библиотек компонентов в КОМПАС-3D

КОМПАС-3D предоставляет обширные библиотеки стандартных компонентов для электрических схем:

Библиотека «Условные графические обозначения» содержит базовые элементы схем.
Библиотека «Электрика и электроника» включает более сложные компоненты.

«Система проектирования электрооборудования» позволяет создавать комплексные проекты.

Чтобы использовать библиотечный компонент:

Откройте нужную библиотеку через «Менеджер библиотек».
Выберите требуемый элемент.
Укажите точку вставки на чертеже.
При необходимости измените параметры элемента.

Использование готовых библиотечных компонентов значительно ускоряет процесс создания схемы и обеспечивает соответствие стандартам.

Правила размещения элементов на электрической схеме

При размещении элементов на электрической схеме следует придерживаться определенных правил:

Располагайте элементы схемы слева направо и сверху вниз в соответствии с направлением сигнала.
Группируйте функционально связанные элементы.
Старайтесь минимизировать количество пересечений линий связи.
Размещайте элементы на равном расстоянии друг от друга для улучшения читаемости схемы.

Выравнивайте элементы по сетке для создания аккуратного внешнего вида.
Оставляйте достаточно места для позиционных обозначений и пояснительных надписей.

Соблюдение этих правил поможет создать понятную и легко читаемую электрическую схему.

Особенности оформления электрических схем согласно ГОСТ

При создании электрических схем в КОМПАС-3D важно соблюдать требования ГОСТ:

Используйте стандартные форматы листов (А4, А3, А2, А1).
Заполняйте основную надпись чертежа в соответствии с ГОСТ 2.104-2006.
Применяйте условные графические обозначения по ГОСТ 2.721-74.
Обозначайте типы схем буквенно-цифровым кодом (Э3 для принципиальной электрической схемы).
Нумеруйте элементы схемы сверху вниз и слева направо.
Составляйте перечень элементов по ГОСТ 2.702-2011.

Соблюдение этих требований обеспечит соответствие вашей схемы действующим стандартам и облегчит ее чтение другими специалистами.

Проверка и редактирование готовой электрической схемы

После завершения работы над электрической схемой в КОМПАС-3D необходимо выполнить ее проверку и при необходимости внести корректировки:

Проверьте правильность соединений между элементами.
Убедитесь, что все элементы имеют корректные позиционные обозначения.
Проконтролируйте наличие и правильность всех необходимых надписей.
Проверьте соответствие схемы требованиям ГОСТ.
Выполните проверку на наличие ошибок с помощью встроенных инструментов КОМПАС-3D.
При необходимости внесите исправления, используя инструменты редактирования.
Проведите финальную проверку схемы перед выводом на печать или сохранением.

Тщательная проверка и своевременное исправление ошибок позволят создать качественную и надежную электрическую схему.

КОМПАС для эффективного проектирования электрических устройств

Лев Теверовский, Олег Зыков, Анатолий Гуревич

Начинаем проектирование в КОМПАС-Электрик

Компоновка панелей

Работа с печатными платами

Проектирование несущего корпуса

После разработки — изготовление

Вместо заключения

В этом году наш журнал познакомил читателей с новым комплексом от компании АСКОН КОМПАС V7. Были опубликованы статьи о новинках КОМПАС-3D V7, цикл статей о системе КОМПАС-Электрик, другие материалы, посвященные особенностям проектирования и трехмерного моделирования. В данной статье мы хотим обобщить полученные читателями знания и рассказать о применении на практике новых возможностей программ АСКОН.

В данной публикации мы рассмотрим процесс проектирования электрических устройств и изделий, содержащих различные электрические компоненты. Этот процесс представляет собой особую область конструкторской деятельности, существенным отличием которой от обычного машиностроительного проектирования является то, что большинство компонентов изделия должны иметь, как минимум, два представления.

Одно из них реальное, «физическое» изображение изделия (чертеж или трехмерная модель). Другое так называемое условное графическое обозначение для использования в принципиальных электрических и монтажных схемах. Мало того все эти компоненты должны соединяться как механически, так и линиями электрической связи. В целом состав (и соответственно сам процесс проектирования) любого электрического устройства можно условно представить в виде простой схемы.

Создание электрических устройств сложная и многогранная задача, требующая наличия большого комплекса инструментов. Все это тем более актуально, что проектирование подобных изделий чрезвычайно распространено в современном производстве. Практически каждое устройство содержит в себе те или иные электрические компоненты.

Процесс проектирования и состав электрического устройства

Документы КОМПАС-Электрик: схема общая и схема расположения

К сожалению, практически ни одна современная САПР не обеспечивает полного цикла разработки от принципиальных электрических схем, размещения элементов на печатных платах и трассировки до проектирования корпусов, блоков и создания комплекта конструкторской документации, не говоря уже о подготовке программ для ЧПУ и формирования технологических процессов. Поэтому пользователи вынуждены иметь дело с разными системами и решать вопросы их совместимости. Увязка компонентов друг с другом, их «упаковка» в корпуса (часто выполняемые из листового металла) финишная часть работ, не говоря уже о выпуске комплекта конструкторско-технологической документации. Еще одна задача создание и накопление баз данных по применяемым элементам и устройствам, их использование при компоновке узлов.

Трехмерная библиотека электротехнических комплектующих

Каждый компонент библиотеки уже содержит объект спецификации

Развивая систему КОМПАС-3D и ее приложения, компания АСКОН уделяет самое серьезное внимание возможностям по проектированию электрических устройств.

Начинаем проектирование в КОМПАС-Электрик

Сегодня неотъемлемой частью комплекса КОМПАС является специализированное приложение для автоматизированного проектирования электрооборудования КОМПАС-Электрик . Оно работает под управлением системы КОМПАС-3D и применяется при разработке любых объектов, в которых для выполнения электрических связей используется проводной монтаж. Это и низковольтные комплектные устройства (НКУ), и системы релейной защиты и автоматики (РЗА), и АСУ технологических процессов, и многое другое. Систему можно применять в проектных институтах, конструкторских бюро и отделах, которые проектируют электроприводы и различное нестандартное оборудование.

По нашему мнению, процесс проектирования электрооборудования «сверху вниз», то есть «от принципиальной электрической схемы», является наиболее правильным. Такой порядок действий позволяет автоматически получать все «нижестоящие» документы: таблицы и схемы соединений, перечни элементов, ведомости покупных изделий, спецификации и другие отчеты. При этом в системе КОМПАС-Электрик можно вести проектирование не только в вышеуказанной последовательности, но и в свободном порядке. Правда, степень автоматизации в таком случае существенно снижается.

Компоновка стандартных элементов на панели с использованием команд создания массивов

Выбор стандартных крепежных элементов из библиотеки

Электрические устройства чаще всего состоят из стандартных элементов, применяемых во множестве изделий. Создание и накопление базы по таким элементам одна из первоочередных задач, поскольку наличие такой базы существенно ускоряет процесс проектирования. Стандартные средства КОМПАС-Электрик и КОМПАС-3D позволяют создавать собственные базы данных (библиотеки компонентов) без использования программирования.

Библиотечные элементы, в качестве которых могут использоваться как отдельные детали, так и сборки, можно делать параметрическими. Параметризация совместно с механизмом работы с переменными дает возможность создавать группы однотипных деталей, различающихся определенными параметрами. При создании библиотеки средствами КОМПАС-3D очень полезно сразу же, непосредственно в файле детали (подсборки), создать соответствующий объект спецификации .

Это несложное действие решает сразу несколько проблем при вставке компонента в сборку не надо помнить, включили мы его в спецификацию или нет, а также то, сколько раз этот компонент использован (при вставке других точно таких же изделий КОМПАС-3D просто просуммирует их количество). Заполнение баз данных в приложении КОМПАС-Электрик ведется с помощью специальных помощников Мастеров сохранения.

Полученная трехмерная модель платы (и панель с командами конвертора)

Размещение печатной платы в устройстве

Ход выполнения проекта электротехнической части изделия оптимизируется с помощью специального Менеджера проектов . При этом в состав проекта можно включать не только документы, созданные непосредственно в КОМПАС-Электрик, но и любые другие документы КОМПАС-3D. По завершении проектирования всех схем и таблиц, а также предварительного размещения компонентов на рабочих поверхностях будущего изделия можно приступить к трехмерной компоновке.

Компоновка панелей

Трехмерная компоновка панелей производится с помощью стандартных функций по работе со сборками КОМПАС-3D. Созданные ранее стандартные детали извлекаются из библиотеки и с помощью механизма сопряжений размещаются на предварительно созданной несущей конструкции (панели, стойке, щите и т.п.).

В случае, если одинаковых элементов много и они расположены в определенном порядке, можно воспользоваться одной из команд создания массивов по сетке , вдоль кривой, по образцу (образцом может служить любой из уже созданных массивов в данном случае массив отверстий в плате).

С крепежными изделиями ситуация еще проще при вставке из стандартной библиотеки крепежа нам достаточно указать отверстие, в котором размещается крепеж, и торцевую поверхность, по которой крепеж будет выровнен. Как уже отмечалось, спецификация в этот момент формируется автоматически.

Сборочный чертеж платы и спецификация на плату

Принципиальная электрическая схема и перечень элементов схемы

Работа с печатными платами

Как указано на схеме состава изделия, в нем могут быть представлены не только отдельные электротехнические компоненты, но и встроенные устройства на базе плат печатного монтажа например различные системы управления или контроля параметров, усилители, датчики и многое другое. Для их разработки предприятиям необходимо иметь и электронную САПР. Кроме того, необходимы программы-конверторы для передачи данных из одной системы проектирования в другую. Причем эти конверторы должны быть одновременно и достаточно простыми для пользователя, и достаточно «умными» для обеспечения высокого уровня интеграции используемых систем. АСКОН предлагает своим заказчикам (среди них крупнейшие приборостроительные фирмы России и ближнего зарубежья, а также известные предприятия авиакосмического комплекса, разрабатывающие электронное оборудование) собственный модуль выпуска текстовой конструкторской документации и трехмерных моделей печатных плат на основе данных, получаемых из электронных САПР. На данный момент поддерживаются три системы: OrCAD от компании Cadence, P-CAD и Protel от компании Altium.

Трехмерная модель печатной платы создается на основе файлов, импортируемых из ECAD-систем. КОМПАС считывает данные и производит построение. Результатами работы конвертора являются трехмерная габаритная сборочная модель печатной платы и библиотека элементов, используемых в сборке.

Полученная плата обычная 3D-сборка КОМПАС, и дальнейшие действия с ней ничем не отличаются от работы с изделием, созданным непосредственно в системе. Теперь и ее необходимо разместить в трехмерной модели проектируемого нами изделия.

Контур корпуса обрисовывается вокруг заранее созданной компоновки узла. Ассоциативные размеры позволяют корпусу изменять свою геометрию при изменении положения внутренних компонентов

Команда вычитания позволяет автоматически получать вырез в корпусе по форме пересекающего его выключателя

Исходной информацией для создания текстовой документации является отчет BOM (Bill of Materials), который формируют ECAD-системы. Для более полной интеграции с чертежом принципиальной электрической схемы или сборочным чертежом печатной платы необходимо предварительно передать эти чертежи из ECAD в КОМПАС-3D. Для системы P-CAD эта операция наиболее корректно выполняется через формат PDIF. В составе системы КОМПАС-3D для этих целей применяется Библиотека поддержки PDIF : она выполнена как стандартное приложение и запускается из Менеджера библиотек. Из систем OrCAD и Protel графическую информацию можно передавать через формат DXF. После получения чертежа платы и чертежа принципиальной электрической схемы необходимо запустить Текстовый конвертор , выбрать нужный BOM-файл, из которого конвертор считает данные и сформирует спецификацию или перечень элементов. Результатом работы конвертора являются два текстовых документа, причем каждый из них привязан к своему графическому документу: перечень элементов к схеме электрической принципиальной, а спецификация к сборочному чертежу платы.

Проектирование несущего корпуса

Проектирование корпусных деталей целесообразно осуществлять в контексте сборки, привязываясь к заранее размещенным в сборке компонентам. Очень часто корпуса многих электрических устройств представляют собой деталь, согнутую из листа (из стали или алюминиевых сплавов): для ее создания как нельзя лучше подходит модуль работы с листовым материалом (подробно новый модуль был описан в журнале «САПР и графика» № 7’2004).

Напомним, что создание листовой детали начинается с построения листового тела на основе эскиза с заданием толщины и коэффициента нейтрального слоя. К созданному таким образом телу затем можно добавлять другие элементы листового тела (сгиб, сгиб по линии, пластину, отверстия, замыкания углов) или обычные формообразующие элементы (в том числе фаски, скругления), команду вычитания объектов. Не забудем и о возможности показа листовой детали в развернутом виде. При создании чертежа можно одновременно задавать как развернутые, так и неразвернутые виды детали.

То, что получилось в итоге

Окно системы Интех-РАСКРОЙ W/L

После разработки изготовление

Выше мы рассказали о проектировании корпуса нашего изделия с помощью модуля Гибка. Получение развертки корпуса не самоцель. Одной из серьезных технологических задач, решаемых на производстве, является раскрой листов металла на заготовки для последующей гибки. Также очень важна задача разработки управляющих программ для систем ЧПУ раскройных станков. Здесь можно с успехом использовать Интех-РАСКРОЙ W/L комплекс программ для автоматизированного проектирования карт раскроя, составления управляющих программ и формирования технологической документации. Благодаря этой системе можно повысить коэффициент использования имеющегося на складах листового металла до 95%, поскольку обеспечиваются оптимальное размещение деталей и оптимальные траектории движения инструмента, создаются оптимальные УП для обработки на лазерном, плазменном, кислородном и механическом оборудовании.

Вместо заключения

В этой статье мы рассмотрели весь процесс разработки и частично процесс технологической подготовки производства типичного электрического устройства, содержащего электронные, электротехнические и механические компоненты. На каждом этапе разработчики могут с успехом использовать те или иные компоненты программного комплекса КОМПАС-3D компании АСКОН. Практика применения этих систем ведущими заказчиками АСКОН уже подтвердила их эффективность. Среди пользователей, достигших наибольших успехов, можно назвать самарский завод «Электрощит», ФГУП НИИ «Экран», Саранский приборостроительный завод и многие другие. Трехмерная модель, созданная на Челябинском электровозоремонтном заводе, использована при подготовке данного материала.

«САПР и графика» 12’2004

электрика схема монтаж НКУ АСУ Компоновка панель плата гибка раскрой

2 Составление электрических схем средствами системы Компас 3d

Составление схемы электрической удобно выполнить средствами системы Компас 3D различных версий. Простота освоения и работы, богатые функциональные возможности системы Компас 3D позволяют использовать его в различных направлениях проектной деятельности, в том числе и в разработке объектов электроснабжения.

Взаимодействие пользователя с системой Компас 3D обеспечивается набором стандартных средств: панелей, командных кнопок и окон. При возникновении затруднительных ситуаций во время работы с системой можно быстро получить необходимую справку. Более подробные сведения о системе Компас 3D можно получить, обратившись к литературным источникам.

2.1 Задание на курсовое проектирование

Построить схему согласно варианту задания (Приложение А — Типовые схемы РУ 10(6)-750 кВ, а также схемы подключения устройств компенсации реактивной мощности. В схемах количество присоединений принято условно).

Рисунок 1-Схема №2205 АН “Мостик с выключателями в цепях трансформаторов и ремонтной перемычкой со стороны трансформаторов”

2.2Проектирование электрической схемы

При построении нового чертежа необходимо перейти по вкладкам Файл—Создать и в появившемся окне «Новый документ», показанном на рисунке 1, выбрать команду Чертеж

Рисунок 2 – Вид окна «Новый документ»

В рабочей области появится окно с листом и рамкой формата А4, показанное на рисунке 2.

Рисунок 3 – Вид окна с листом и рамкой, формата А4

Если схема, которую Вы будете рисовать объемная, то лучше поменять формат листа, скажем на А3 и лист расположить горизонтально. Для этого идем в меню СЕРВИС -> МЕНЕДЖЕР ДОКУМЕНТА, меняем настройки, затем сохраняем и закрываем окошко.

Рисунок 4-Выбор формата листа

После нажатия кнопки Ok, формат и положение листа изменятся.

Открываем программу Компас 3D, находим во вкладке

Библитека -> Библиотека проектирования схем ЭС ->Каталог->Элементы электротехнических устройств ,затем выбираем нужный нам элемент и вставляем в лист .Аналогичное действие повторяем для всех элементов.

Конденса́тор— двухполюсник с определённым значением ёмкости и малой омической проводимостью; устройство для накопления заряда и энергии электрического поля. Конденсатор является пассивным электронным компонентом. Обычно состоит из двух электродов в форме пластин (называемых обкладками), разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок.

Рисунок 5 – Конденсатор

Дроссель электрический — катушка индуктивности, обладающая высоким сопротивлением переменному току и малым сопротивлением постоянному. Обычно включается в электрическую цепь постоянного тока для подавления или ограничения переменной составляющей и пульсаций тока. Дроссели обычно имеют сердечник (электротехническая сталь или феррит). Применяются преимущественно в фильтрах узлов электропитания.

Рисунок 6 – Дроссель электрический

Разъединитель – это аппарат, предназначенный для создания видимого разрыва между частями электроустановки, оставшимися под напряжением и аппаратами, выведенными в ремонт, а также заземления отключенных участков при помощи заземляющих ножей.

Примечания:

Разъединитель способен размыкать и замыкать цепь при малом токе или малом изменении напряжения на выводах каждого из его полюсов. Он также способен проводить токи при нормальных условиях в цепи и проводить в течение нормированного времени токи при ненормальных условиях, таких как короткое замыкание.
Малые токи — это такие токи, как емкостные токи вводов, шин, соединений, очень коротких кабелей, токи постоянно соединенных ступенчатых сопротивлений выключателей и токи трансформаторов напряжения и делителей. Для номинальных напряжений до 330 кВ включительно ток, не превышающий 0,5 А, считается малым током по этому определению; для номинального напряжения от 500 кВ и выше и токов, превышающих 0,5 А, необходимо проконсультироваться с изготовителем, если нет особых указаний в руководствах по эксплуатации разъединителей.
К малым изменениям напряжения относятся изменения напряжения, возникающие при шунтировании регуляторов индуктивного напряжения или выключателей.
Для разъединителей номинальным напряжением от 110 кВ и выше может быть установлена коммутация уравнительных токов.

Рисунок 7 — Разъединитель

Трансформатор (измеритель) тока имеет высокую точность, отличную термостабильность и стандартный двухпроводной аналоговый выход 4-20 мА с винтовым клеммным подсоединением.

Провод с измеряемым током пропускается (желательно перпендикулярно) через отверстие бесконтактного трансформатора. Для увеличения чувствительности допускается пропускать провод несколько раз (витками) , при этом чувствительность увеличивается во столько раз, сколько раз провод проходит через отверстие — так, например, полный виток дает увеличение чувствительности в два раза.

Рисунок 8 – Трансформатор измерителя тока(в общем виде)

Выключатель — это электротехническое устройство, предназначенное для ограничения силы тока в электрических цепях. Выключатель защищает устройства, подключенные последовательно к нему от повреждения электрическим током, при этом, устройством является всякое электротехническое изделие, через которое, последовательно c выключателем автоматическим, протекает электрический ток. Защищаемыми электротехническими изделиями являются как бытовые приборы и другие устройства защиты, так и сами провода и кабели, на бытовом уровне называемые электропроводкой. В основном выключатели служат для защиты электрических цепей от перегрузок и короткого замыкания.

Рисунок 9 – Выключатель

Рисунок 10- Повторение элементов схемы

Разрядник — электрический аппарат, предназначенный для ограничения перенапряжений в электротехнических установках и электрических сетях. Первоначально разрядником называли устройство для защиты от перенапряжений, основанный на технологии искрового промежутка. Затем, с развитием технологий, для ограничения перенапряжений начали применять устройства на основе полупроводников и металл-оксидных варисторов, применительно к которым продолжают употреблять термин «разрядник».

Рисунок 11 –Разрядник

Заземление — преднамеренное электрическое соединение какой-либо точки сети, электроустановки или оборудования с заземляющим устройством

Рисунок 12 — Заземление

Трансформатор — статическое электромагнитное устройство, имеющее

две или более обмоток связанных индуктивно, и предназначенные для

преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока. Силовые трансформаторы , установленные на электростанциях или подстанциях, служат для преобразования электроэнергии одного напряжения в другое, связи между отдельными элементами (участками) электрической сети, регулирования напряжения и перетоков мощности.

По назначению трансформаторы делятся на повышающие и понижающие,

по числу обмоток — на двухобмоточные, трехобмоточные и с расщепленными обмотками. Двухобмоточные трансформаторы имеют обмотки высшего напряжения и низшего напряжения ; трехобмоточные — обмотки высшего напряжения, среднего напряжения и низшего напряжения. По числу фазных обмоток, размещенных на одном магнитопроводе, различают однофазные и трехфазные трансформаторы. Из трех однофазных трансформаторов составляется одна трехфазная группа.

Двухобмоточный трансформатор — это аппарат напряжения, имеющий одну вторичную обмотку напряжения. Ёмкостный агрегат напряжения — аппарат напряжения, содержащий ёмкостный делитель.

Рисунок 13 – Двухобмоточный трансформатор

Трехобмоточный трансформатор-имеются три электрически не связанные друг с другом обмотки, из которых одна является первичной, а две другие — вторичными.

Рисунок 14 – Трехобмоточный трансформатор

Рисунок 15 — Схема в сборе

Основы магнетизма в электронике

Ключевые члены

o Магнитная сила

o Магнетизм

o Магнитное поле

O Индукция

Цели 9000 9000 9000

OLATE. ОБЕСПЕЧАНИЕ.

o Покажите, как магнитное поле влияет на проволочные петли.

Обсуждение электрических цепей было бы неполным без знакомства с магнетизмом — явлением, лежащим в основе различных схемных устройств, таких как катушки индуктивности и трансформаторы, а также других устройств, с которыми вы, вероятно, сталкивались. встречающиеся в повседневной жизни.

Элементы магнетизма

В детстве вы, возможно, играли с магнитами, и даже во взрослом возрасте вы, вероятно, время от времени используете их (например, прикрепляя записку к холодильнику). Магниты действуют друг на друга и на определенные металлы (например, на железо и некоторые виды стали): эта сила называется магнитной силой . Возможно, вы не знаете, что магнетизм имеет своим источником электрический заряд.

Хотите узнать больше? Почему бы не пройти онлайн-курс по электронике?

Два неподвижных заряда действуют друг на друга с электрической силой, но магнитная сила возникает только тогда, когда один заряд движется относительно другого (т. е. когда существует ток). Мы не будем слишком углубляться в особенности этой силы; истинное понимание его связи с зарядом является очень сложной задачей как концептуально, так и математически.

Давайте рассмотрим один практический пример, чтобы проиллюстрировать, как работает магнетизм в контексте схемы. (Здесь мы будем говорить о магнитное поле, что не совсем то же самое, что и магнитная сила. Однако для наших целей мы будем рассматривать их одинаково. ) Представьте себе отрезок провода, по которому течет ток. Движение положительного заряда создает магнитное поле, которое «окружает» провод и является сильным вблизи провода, но слабым вдали от провода. На приведенной ниже диаграмме показаны два вида провода, тока и магнитного поля.

Магнитное поле «огибает» провод, как показано на схеме. Этот эффект также можно увидеть в проволочной «петле», где магнитное поле образует форму «бублика».

Практические эффекты магнетизма

Вы, наверное, знаете, что компас работает, используя магнитное поле Земли для указания направления. Если у вас есть компас, батарейка и кусок провода, вы сами увидите, как ток создает магнитную силу. Подсоедините провод непосредственно к двум клеммам батареи (таким образом создавая большой ток через провод) и поднесите его к компасу. Вы должны увидеть движение стрелки компаса. Когда вы отсоедините провод, игла должна вернуться в исходное положение. (Но не оставляйте провод, подключенный к клеммам аккумулятора, слишком длинным — вы быстро разрядите аккумулятор!) То, что вы создали в этом случае с аккумулятором и проводом, — это просто электромагнит.

Вернемся к проволочной петле, о которой говорилось выше. Сам по себе ток в проводе отсутствует, потому что нет источника питания, создающего напряжение.

Мы заметили, что если по проводу течет ток, в результате возникает магнитное поле. Но что, если мы поместим провод в магнитное поле? Как оказалось, постоянное магнитное поле не действует, но меняющееся магнитное поле (например, становится сильнее или слабее) влияет: оно создает вокруг провода напряжение, в результате чего возникает ток. Величина тока связана с изменением магнитного поля через проволочную петлю. Таким образом, если мы перемещаем проволочную петлю к магниту (что приводит к увеличению магнитного поля через петлю) или наоборот, генерируется ток.

Детали этой концепции, опять же, сложны, но это явление заключается в том, как генерируется электричество («проволочная петля» перемещается в магнитном поле, создавая ток, который питает дома, предприятия и т. д.). Это создание заряда в результате изменения магнитного поля через проволочную петлю называется индукцией (ток «индуцируется» в проводе).

Последнее замечание по индукции

В завершение этого очень краткого обсуждения магнетизма рассмотрим, что происходит, когда мы пропускаем ток через проволочную петлю. Чуть более реалистичный сценарий показан ниже.

Помните, мы говорили, что электрический ток создает магнитное поле, но когда переключатель S сначала замкнут, ток начинает течь, создавая магнитное поле в петле. Но изменяющееся магнитное поле (в данном случае увеличивающееся) создает ток, который может быть проблематичным, если ток, индуцированный магнитным полем, имеет то же направление, что и ток, создаваемый источником питания, поскольку это создало бы «цепочку». реакция», приводящая к бесконечному току через петлю! Как оказалось, ток, индуцируемый изменяющимся магнитным полем, в этом случае противоположен току, генерируемому источником напряжения. Этот наведенный ток будет «отменять» часть генерируемого (источником питания) тока до тех пор, пока ток через цепь не достигнет (помните закон Ома).

Таким образом, когда переключатель S замкнут, фактический ток через контур со временем увеличивается до , а не сразу становится .

Практическая задача : Рассмотрим приведенную ниже простую схему резистора. Затем техник-электронщик размещает проволочную петлю рядом с этой другой схемой. Что произойдет с проволочной петлей, когда техник поднесет ее к цепи? Объяснять.

Решение : Рассмотрим сначала схему резистора. Поскольку S замкнут, по цепи течет ток. Но помните, что ток создает магнитное поле; по сути, это электромагнит. В результате, когда техник перемещает проволочную петлю к цепи, магнитное поле в петле изменяется (оно увеличивается по мере приближения петли к цепи), тем самым создавая ток в петле. Хотя мы не можем количественно определить величину тока или установить направление в этой точке, мы знаем, что ток индуцируется. Эта ситуация на самом деле иллюстрирует проблему, с которой сталкиваются разработчики схем: магнитное поле от одной цепи может фактически «связать» эту цепь с другой соседней схемой, эффективно обмениваясь энергией! Хотя во многих случаях этой связью можно пренебречь, в некоторых приложениях она становится особенно проблематичной.

Верстак Circuit: Научная деятельность в области физики и электричества

Эта простая печатная плата позволяет легко подключать небольшие праздничные фонари различными способами и изучать некоторые характеристики последовательных и параллельных цепей.

Тема:

Физика

Электричество и магнетизм

Ключевые слова:

Series

Параллель

Схема

На основе выставки

NGS и EP & CS:

0008

PS3

CCCS

Паттерны

Причина и эффект

Системные и системные модели

Энергия и материя

Структура и функция

Инструменты и материалы
9172
Инструменты и материалы
9172
и материалы
90007172
и материалы
9000
.
Молоток
Одиннадцать 1,5-дюймовых (4 см) отделочных гвоздей
Деревянная доска примерно 5 1/2 x 9 дюймов (14 x 23 см)
Плоскогубцы с тонкими губками
Двенадцать мини-крокодилов
Четыре плоские шайбы, SAE 10
Четыре винта для листового металла с полукруглой головкой и крестообразным шлицем 5/8 дюйма (1,6 см) (#8)
отвертка Филлипс
Две батарейки АА
Короткая цепочка миниатюрных праздничных огней с лампами накаливания (не светодиодами)
Инструмент для зачистки проводов
Три отрезка проволоки, каждый длиной около 6 дюймов (15 см); Вы можете использовать одножильный или многожильный провод № 20 или № 22 или отрезать дополнительные куски от шнура лампочки.
Несколько металлических скрепок
Карандаш или маркер (не показаны)
Дополнительно: маленькие этикетки
Сборка
Положите доску горизонтально и начните с нижней половины. Используйте молоток и один из гвоздей, чтобы сделать четыре небольших направляющих отверстия, куда будут входить винты (щелкните, чтобы увеличить фото ниже). Точное положение винтов не имеет решающего значения, если есть достаточно места для зажимов типа «крокодил», которые будут прикреплены.
Возьмите восемь зажимов типа «крокодил» (последние четыре потребуются на шаге 9) и с помощью острогубцев отогните наружу два маленьких выступа на концах каждого зажима. Когда вы закончите, конец каждого зажима должен быть сглажен (см. фото ниже).
Наденьте шайбу на каждый винт и вверните винты примерно наполовину в направляющие отверстия.
Поместите сплющенные концы двух зажимов типа «крокодил» под одну из шайб. Расположите зажимы так, чтобы они были направлены в противоположные стороны, параллельно длине платы, как показано на фотографии в шаге 1. Затяните все винты, пока зажимы не будут надежно закреплены на месте между шайбами и платой.
Теперь, работая над верхней половиной доски, забейте все одиннадцать гвоздей примерно на 1/2 дюйма (1,2 см) в доску, окружив две батареи и удерживая их на месте, как показано. Добавление гвоздя между батареями позволит вам выбрать, использовать ли одну батарею или две для питания лампочек во время исследования. Направьте отрицательные концы батарей (плоские концы) влево.
Отрежьте от нити три отдельные луковицы. Разрежьте провод посередине между соседними лампочками, чтобы каждая лампочка заканчивалась двумя достаточно длинными проводами одинаковой длины. В итоге вы получите три отдельные лампочки, каждая с проводами на обоих концах.
Используйте инструмент для зачистки проводов, чтобы снять примерно 1/2 дюйма (1,2 см) изоляции с концов проводов, идущих от каждой лампочки. Отложите их для использования в следующих действиях.
Теперь снимите изоляцию с концов трех дополнительных отрезков провода. Отложите один кусок проволоки для использования в следующих действиях. Два других будут прикреплены к зажимам типа «крокодил» на шаге 9.
Используйте острогубцы, чтобы надежно прикрепить четыре оставшихся зажима типа «крокодил» к двум кускам провода, которые вы зачистили на шаге 8. Хороший способ сделать это — просунуть зачищенный конец провода через отверстие в задней части зажим, чтобы изолированная часть лежала на изгибе зажима между двумя выступами. Затем наденьте зачищенный конец провода на зажим и положите его поверх изолированной части провода. Наконец, согните два выступа поверх зачищенного и изолированного отрезков провода, чтобы плотно удерживать их на месте (щелкните, чтобы увеличить фото ниже). Это должно обеспечить как хорошее электрическое соединение, так и хорошее физическое соединение.
Наконец, используйте маркер или карандаш, чтобы пронумеровать клипы от 1 до 8 (см. фото ниже), чтобы помочь вам отслеживать ваши наблюдения.
Действия и уведомления
Расследование 1: Установление связей
Подсоедините одну лампочку к зажимам 6 и 7. Используйте два провода с зажимами типа «крокодил», чтобы соединить гвозди на концах батарей с зажимами 2 и 3. Соедините зажимы 4 и 8 с выпрямленной скрепкой для бумаги и используйте плоскую часть. зачищенного провода для соединения зажимов 1 и 5 (см. фото ниже). Что происходит с лампочкой, когда вы делаете последнее соединение? Светит ярким или тусклым светом? (Примечание. Если лампочка не загорается, см. Полезные советы.)
Исследование 2: подключение ламп в серии
Держите лампочку между зажимами 6 и 7. Замените провод между зажимами 1 и 5 второй лампочкой. Затем замените скрепки между зажимами 4 и 8 на третью лампочку. Все три лампочки должны гореть и светиться примерно с одинаковой яркостью. (Если одна из ламп намного ярче или тусклее двух других, удалите ее и замените другой лампочкой.) Как яркость этих ламп сравнивается с яркостью одиночной лампочки в исходной установке?
Выньте одну из лампочек из цепи, не заменяя ее проволокой или скрепкой. Что происходит с двумя другими лампочками? Попробуйте заменить снятую лампочку и заменить ее другой. Имеет ли значение, какую из лампочек вынуть?
Исследование 3: изменение напряжения
Соберите схему в исходном виде (см. фото в исследовании 1) с одной лампочкой. Переместите один из зажимов типа «крокодил» с гвоздя на конце держателя батареи на гвоздь между батареями. Что происходит?
Исследование 4: Параллельное подключение ламп
Удалите все лампочки, провода и скрепки. Подсоедините один из проводов зажима типа «крокодил» от конца держателя батареи к зажиму 1, а провод от другого конца держателя батареи — к зажиму 6. Подсоедините лампы между зажимами 1 и 5 и между зажимами 2 и 6. Что произойдет? Снимите одну из лампочек. Что происходит сейчас?
Верните лампочку и снимите другую. Что происходит? Есть ли какая-то разница, если вы удалите одну лампочку или другую? Как яркость одной лампочки соотносится с яркостью каждой из двух лампочек? Чем поведение двух лампочек отличается от поведения трех лампочек, подключенных по-разному?
Полезные советы «>
Если лампочка не загорается, убедитесь, что гвозди плотно прилегают к концам батареек, а все соединения надежны. Самая распространенная проблема в цепи — плохой контакт. Также убедитесь, что батарейки не разряжены!
Пока вы пытаетесь выяснить, что не так, отсоедините провода от аккумуляторов. Возможно, вы подключили вещи таким образом, что батареи быстро разрядятся, если их оставить подключенными. (В этом случае батареи могут заметно нагреваться в процессе.)
И провода, и скрепки действуют как хорошие электрические проводники. Вы можете использовать тот, который наиболее удобен, когда вы хотите соединить два клипа.
Что происходит?
Создание цепи
В исследовании 1, в котором используется одна лампочка, электроны выходят из отрицательного конца левой батареи, чтобы начать свое путешествие по цепи. Они проходят через зажимы 2 и 1, провод, зажимы 5 и 6, лампочку, зажимы 7 и 8, скрепку, зажимы 4 и 3 и возвращаются к положительному выводу правой батареи. Этот путь называется полной электрической цепью.
Батареи оцениваются в вольтах, а вольты являются мерой энергии, которую имеют электроны, когда они покидают батарею. Поскольку электроны проходят через полную электрическую цепь, мы предполагаем, что единственное место, где они теряют энергию, — это лампочка, где их энергия преобразуется в свет и тепло, выделяемые лампочкой. Процесс преобразования энергии препятствует потоку электронов через лампочку, и говорят, что лампочка имеет электрическое сопротивление. Очень важно понимать, что хотя электрон теряет энергию при движении по цепи, сам электрон не вытекает из цепи и не исчезает. На каждый электрон, покидающий батарею, чтобы попасть в цепь, приходит другой электрон, входящий в батарею из цепи.
Соединение ламп в серии
В исследовании 2 три лампочки соединены таким образом, что электроны проходят через все лампочки, чтобы вернуться к батарее. Это называется последовательным соединением. Когда три лампочки соединены последовательно, каждая лампочка светится менее ярко, чем одна лампочка. Это связано с тем, что три лампочки обеспечивают большее общее сопротивление, чем одна лампочка. Это уменьшает общий поток электронов, называемый током, и приводит к тому, что меньшее количество энергии преобразуется в свет и тепло. Кроме того, каждая лампочка получает только одну треть этого уменьшенного количества энергии.
Когда вы удаляете одну лампочку в последовательной цепи, остальные гаснут. Неважно, какой из них вы удалите. Когда вы создаете разрыв в цепи, электроны больше не могут течь.
Изменение напряжения
Когда вы перемещаете один из зажимов батареи к гвоздю между батареями в исследовании 3, цепь питается от одной батареи вместо двух. Общее количество доступной энергии сокращается вдвое, поэтому лампочка становится тусклее.
Параллельное соединение ламп
В исследовании 4 конфигурация изменена таким образом, что электроны, достигающие зажима 1, теперь могут добраться до зажима 6 двумя альтернативными путями. Лампы, соединенные таким образом, называются параллельными. Если две лампочки идентичны, половина электронов пройдет через одну лампочку, а половина — через другую. Затем электроны рекомбинируют в один поток на зажиме 6 и возвращаются в батарею.
Когда две или более лампочек соединены параллельно, все лампочки будут светить так же ярко, как одна лампочка. Это связано с тем, что каждая дополнительная лампочка обеспечивает другой путь для потока электронов, и каждый электрон проходит и теряет энергию только в одной лампочке. Альтернативные пути фактически уменьшают общее сопротивление в цепи. Фактически, сопротивление двух одинаковых лампочек, включенных параллельно, составляет половину сопротивления одной лампы, что позволяет протекать в цепи вдвое большему току. Когда одну из лампочек в параллельной цепи удаляют, остается замкнутый контур, поэтому ток течет через другую лампочку, и она продолжает гореть.
Резюме
Из этих экспериментов вы сможете увидеть, что удаление любой из лампочек в последовательной цепи приводит к тому, что все лампочки гаснут, но удаление одной или нескольких лампочек в параллельной цепи не влияет на остальные лампочки. Вы также обнаружите, что чем больше лампочек вы размещаете последовательно, тем тусклее становится каждая из них, в то время как параллельное добавление большего количества лампочек не влияет на яркость какой-либо из лампочек.
Идем дальше
Как вы думаете, цепи в вашем доме соединены последовательно или параллельно? Если у вас есть тостер и радио, подключенные к одной розетке, отключается ли радио, когда тост готов? Тот факт, что вы можете включать и выключать электрические элементы в вашем доме по отдельности, говорит о том, что ваши цепи подключены параллельно. Если бы это было не так, то одна перегоревшая лампочка означала бы, что все остальные лампочки в той же цепи тоже погаснут.
В некоторых учебниках направление протекания электрического тока определяется как направление протекания положительного заряда по цепи от положительного полюса батареи к отрицательному полюсу. Однако в действительности положительные заряды не перемещаются по проводам. Двигаются отрицательно заряженные электроны, и они текут по цепи от отрицательного полюса батареи к положительному полюсу. Определение тока как движения положительного заряда имеет исторические корни и используется до сих пор; ток, определенный таким образом, часто называют «условным током». В некоторых ситуациях (например, при движении заряженных частиц в полупроводниках, растворах и газах) положительные заряды действительно движутся и вносят свой вклад в электрический ток. Однако для начала работы с простыми схемами проще иметь дело с потоком электронов. В этом перекусе мы использовали термины «ток» и «электронный поток» взаимозаменяемо.
Поэкспериментируйте дальше с вашей печатной платой. Сколько лампочек можно соединить последовательно? Сколько параллельно? Попробуйте поставить лампочку последовательно с двумя лампочками, включенными параллельно. Это называется последовательно-параллельной схемой.
Попробуйте придумать способ подключить в цепь третью лампочку так, чтобы все три лампочки сохраняли свою максимальную яркость, а любую одну или две из них можно было вынуть, не погаснув третьей.
Попробуйте некоторые аранжировки собственного дизайна. Обратите внимание на пути, по которым могут двигаться электроны в созданных вами цепях, и посмотрите, сможете ли вы понять поведение лампочек в этих цепях. Используйте мультиметр (измеритель, который измеряет как напряжение, так и ток) для измерения напряжения и тока в различных цепях, которые вы настроили.
Эта научная закуска является частью коллекции, посвященной чернокожим художникам, ученым, изобретателям и мыслителям, чья работа помогает или расширяет наше понимание явлений, изучаемых в закуске.
Источник: Викисклад.
Доктор Льюис Латимер (1848–1928), изображенный выше, был рисовальщиком и изобретателем. Выполняя офисную работу в патентной фирме, Латимер делал патентные чертежи для новых изобретений. Используя линейку, карандаш и циркуль, он обладал талантом иллюстрировать несуществующие устройства. Латимер стал настолько популярным, что его наняли для работы как минимум над двумя крупными изобретениями: телефоном Александра Грэма Белла и лампочкой Томаса Эдисона.