Обозначение источника постоянного тока на схеме. Источники постоянного тока: виды, применение и обозначение на схемах

Что такое источник постоянного тока. Какие бывают виды источников постоянного тока. Где применяются источники постоянного тока. Как обозначается источник постоянного тока на электрических схемах. Чем отличается идеальный источник тока от реального.

Что такое источник постоянного тока

Источник постоянного тока — это устройство, которое создает и поддерживает постоянный электрический ток в электрической цепи. В отличие от источника напряжения, который поддерживает постоянное напряжение на своих выводах, источник тока обеспечивает постоянную силу тока независимо от сопротивления нагрузки.

Основные характеристики идеального источника постоянного тока:

• Сила тока постоянна и не зависит от сопротивления нагрузки
• Внутреннее сопротивление стремится к бесконечности
• Напряжение на выводах изменяется в зависимости от сопротивления нагрузки

Реальные источники тока имеют конечное внутреннее сопротивление и ограничения по максимальному напряжению и мощности. Но в определенном диапазоне нагрузок они близки по характеристикам к идеальному источнику тока.

Виды источников постоянного тока

Существуют следующие основные виды источников постоянного тока:

1. Химические источники тока

К ним относятся гальванические элементы и аккумуляторы. Принцип действия основан на протекании электрохимических реакций. Примеры:

• Щелочные батарейки
• Литий-ионные аккумуляторы
• Свинцово-кислотные аккумуляторы

2. Фотоэлектрические источники тока

Преобразуют энергию света в электрический ток. Основные типы:

• Солнечные батареи
• Фотодиоды
• Фототранзисторы

3. Термоэлектрические источники тока

Генерируют ток за счет разности температур. К ним относятся:

• Термопары
• Термоэлектрические генераторы

4. Электронные источники тока

Формируют стабильный ток с помощью электронных схем. Основные типы:

• Стабилизаторы тока на транзисторах
• Микросхемы-стабилизаторы тока
• Импульсные источники тока

Применение источников постоянного тока

Источники постоянного тока широко применяются в различных областях техники и электроники:

1. Измерительная техника

В измерительных приборах и датчиках источники тока используются для:

• Питания измерительных мостов
• Возбуждения датчиков
• Калибровки приборов

2. Электронные устройства

В электронных схемах источники тока применяются для:

• Питания дифференциальных каскадов усилителей
• Смещения полупроводниковых приборов
• Создания эталонных токов

3. Силовая электроника

В силовых преобразователях источники тока используются для:

• Управления электродвигателями
• Зарядки аккумуляторов
• Питания мощных светодиодов

4. Телекоммуникации

В телекоммуникационном оборудовании источники тока применяются для:

• Питания линейных усилителей
• Модуляции оптических передатчиков
• Смещения приемных фотодиодов

Обозначение источника постоянного тока на схемах

На электрических схемах источник постоянного тока обозначается следующим образом:

• Круг с двумя параллельными прямыми линиями внутри
• Стрелка, указывающая направление тока
• Обозначение величины тока (например, 1 А)

Существуют также альтернативные варианты обозначения:

• Круг со стрелкой внутри
• Треугольник со стрелкой

Важно отличать обозначение источника тока от похожего обозначения источника напряжения (круг с плюсом и минусом внутри).

Отличия идеального и реального источников тока

Хотя идеальный источник тока является теоретической моделью, понимание его свойств помогает анализировать работу реальных источников. Основные отличия:

Идеальный источник тока:

• Создает строго постоянный ток независимо от нагрузки
• Имеет бесконечно большое внутреннее сопротивление
• Может создавать сколь угодно большое напряжение на нагрузке

Реальный источник тока:

• Имеет некоторый разброс значения тока при изменении нагрузки
• Обладает конечным внутренним сопротивлением
• Ограничен по максимальному напряжению и мощности

При анализе электрических цепей реальный источник тока часто представляют в виде эквивалентной схемы, состоящей из идеального источника тока и параллельно включенного резистора, моделирующего внутреннее сопротивление.

Преимущества использования источников тока

Несмотря на то, что источники напряжения более распространены, источники тока имеют ряд преимуществ в определенных применениях:

• Обеспечивают постоянный ток независимо от изменения сопротивления нагрузки
• Позволяют легко суммировать и вычитать токи в электрических цепях
• Упрощают расчеты в некоторых типах схем
• Обеспечивают защиту от короткого замыкания

Эти свойства делают источники тока незаменимыми в ряде специализированных применений, особенно в измерительной технике и прецизионной электронике.

Как создать источник постоянного тока

Существует несколько способов создания источника постоянного тока:

1. На основе операционного усилителя

Используется схема с отрицательной обратной связью, где ток через нагрузку поддерживается постоянным за счет изменения выходного напряжения усилителя.

2. На биполярном транзисторе

Применяется схема с общим эмиттером, где ток коллектора стабилизируется за счет отрицательной обратной связи по эмиттеру.

3. На полевом транзисторе

Используется свойство полевого транзистора поддерживать постоянный ток стока при постоянном напряжении затвор-исток.

4. На специализированной микросхеме

Применяются интегральные стабилизаторы тока, содержащие все необходимые элементы на одном кристалле.

Выбор конкретного способа зависит от требуемых параметров источника тока — величины тока, точности стабилизации, диапазона напряжений на нагрузке.

Обозначение постоянного и переменного тока на схемах

Каждый домашний мастер и начинающий электрик при выполнении электромонтажных работ пользуется специальными схемами. Для того чтобы правильно прочитать любую из них, необходимо знать все значки и символы, в том числе обозначение постоянного и переменного тока. Эта символика присутствует на корпусах большинства современных измерительных аппаратов, позволяющих определять значение всех основных электрических параметров.

Как обозначаются различные токи

По своим специфическим качествам электрический ток разделяется на два основных типа:

• Постоянный ток. Обозначается прямой линией (—). Кроме того, используются символы DC – Direct Current, которые переводятся как постоянный ток.
• Переменный ток. Известен под собственным обозначением в виде змейки (~) и символов АС, означающих Alternating Current.

Отличительной особенностью постоянного тока является его направленность. Он протекает лишь в одном определенном направлении, условно принимаемое от положительного контакта «+» к отрицательному контакту «-». От этого свойства и происходит наименование этого тока DC, который присутствует в солнечных панелях, всех типах сухих батареек и аккумуляторах, предназначенных для питания маломощных потребителей.

В некоторых технологических процессах, таких как дуговая электросварка, электролиз алюминия или электрифицированный железнодорожный транспорт, необходим постоянный ток DC с высоким значением силы. Чтобы его создать, необходимо выпрямить переменный или воспользоваться любым из генераторов постоянного тока.

Переменный ток AC, в отличие от постоянного, способен к изменению своего направления и величины. Существует параметр, известный как мгновенное значение переменного тока, определяемое в конкретный момент времени. Частота, с которой изменяется направление тока, составляет 50 Гц, то есть данная перемена происходит 50 раз в течение одной секунды.

Переменный ток AC может быть однофазным или трехфазным. В первом случае необходимо только два провода: основной и дополнительный, он же обратный. Именно по основному проводнику протекает электрический ток, а обратный считается нулевым проводом.

Трехфазное переменное напряжение вырабатывается соответствующим генератором тока AC. В этом процессе участвуют три обмотки, каждая из которых является своеобразной однофазной электрической цепью. Между собой они сдвинуты по фазе под углом 120 градусов. Благодаря данной системе электроэнергией могут быть обеспечены сразу три сети, независимые друг от друга. Для этого понадобится уже порядка шести проводов – трех прямых и трех обратных.

При необходимости дополнительные провода возможно соединить между собой и получить в итоге общий проводник, называемый нулевым или нейтральным. В этом случае проводники переменного тока на схемах обозначаются символами L1, L2, L3, а нулевой провод – буквой N.

Обозначения токов в измерительных приборах

Общепринятое обозначение постоянного и переменного тока нашло свое отражение в различных измерительных приборах, в том числе и на мультиметре. Вся необходимая символика наносится на лицевую панель того или иного устройства. Это позволяет измерить именно тот параметр, который необходим в данный момент.

Например, если на шкале выставлено положение АС, в этом случае можно проводить измерение значения переменного тока. Как правило, такие приборы предназначены для работы в электросетях с обычными напряжениями 220 или 380 вольт. Существуют модели с рабочими режимами в пределах 600 В и выше.

Если же мультиметр выставлен напротив отметки DC, то рабочий режим аппарата станет соответствовать постоянному току. В этом положении замеряется ток на аккумуляторах, батарейках и других источниках питания, вырабатывающих постоянный ток. В данном режиме требуется непременно соблюдать полярность полюсов. Диапазон измерений обычно составляет от нуля до нескольких тысяч вольт, в зависимости от характеристик конкретной модификации устройства.

Источник постоянного тока обозначение на схеме

Содержание

1. Разница между идеальным и реальным источниками тока.
2. Содержание
3. Свойства [ править | править код ]
4. Идеальный источник тока [ править | править код ]
5. Реальный источник [ править | править код ]
6. Примеры [ править | править код ]
7. Применение [ править | править код ]
8. Обозначения [ править | править код ]

Давайте попробуем разобраться, что же все таки называют источником тока и как он обозначается в различных схемах.

Обычно источник тока условно отображается так, как указано на рисунке ниже:

При этом на схемах он изображается следующим образом:

Здесь изображен источник тока в составе генератора тока, собранного с использованием биполярных транзисторов.

Источником или генератором тока обычно называют двухполюсник, создающий ток, который не зависит от присоединенного к нему сопротивлению нагрузки. И часто такое название дают любому источнику электрического напряжения (розетке, генератору, батарее и т.п.). Но если говорить только в физическом смысле, такое обозначение нельзя называть правильным, наоборот – источники напряжения, применяемые для бытовых целей, скорее можно назвать источниками ЭДС.

На вышеуказанной схеме содержится источник тока в составе схемы замещения триполярного транзистора. Стрелка служит указателем положительного направления тока. При этом ток, генерируемый этим источником, зависит от напряжения на другом участке данной схемы.

Разница между идеальным и реальным источниками тока.

Идеальный источник тока имеет напряжение на клеммах, зависящее только от того, какое сопротивление возникает на внешней цепи: U=L*R

Чтобы определить, какую мощность источник тока отдает в сеть, используется следующая формула: P=L 2 *R

При этом следует учитывать следующее уравнение: L=_const

Это позволяет понять, что мощность и напряжение, выделяемые источником тока, будут неограниченно расти, если будет расти сопротивление.

Реальный источник тока в линейном приближении можно описать внутренним сопротивлением. В этом он очень схож с обычным источником ЭДС. Различие между ними состоит в следующем: с увеличением внутреннего сопротивления источник тока приближается по параметрам к идеальному, а источник ЭДС приближается к идеальному по мере того, как внутреннее сопротивление уменьшается.

Реальный источник тока с показателем внутреннего сопротивления r и реальный источник ЭДС будут эквивалентными при соблюдении условия:

Реальный источник тока будет иметь напряжение на клеммах:

При силе тока, равной:

И мощности, определяемой по формуле:

Катушку индуктивности, по которой на протяжении некоторого времени проходил ток от внешнего источника после его отключения, можно назвать источником тока.

Это объясняет искрение контактов, происходящее, когда индуктивная нагрузка быстро отключается. Пробой зазора возникает из-за сохранения тока при резком увеличении уровня сопротивления.

Если первичная обмотка трансформатора подключена к мощной линии переменного тока, его вторичную обмотку можно рассматривать как идеальный источник тока, но переменного, а не постоянного, что приводит к невозможности размыкания его вторичной цепи. Это значит, что вторичная обмотка должна быть шунтирована.

Реальный генератор обладает рядом ограничений, среди которых следует отметить одно – ограничение по напряжению на выходе. Например, реальный источник тока работает только с тем диапазоном напряжений, верхний порог которого зависит от того, каким будет напряжение, питающее источник. Это приводит к наличию некоторых ограничений по нагрузке.

Такой источник тока нашел широкое применение во многих сферах. Например, для работы в паре с дифференциальными усилителями и измерительными мостами в аналоговой схемотехнике.

Исто́чник то́ка (в теории электрических цепей) — элемент, двухполюсник, сила тока через который не зависит от напряжения на его зажимах (полюсах). Используются также термины генератор тока и идеальный источник тока.

Источник тока используется в качестве простейшей модели некоторых реальных источников электрической энергии или как часть более сложных моделей реальных источников, содержащих другие электрические элементы. Следует заметить, что электрические характеристики реальных источников могут быть близки к свойствам источника тока или его противоположности — источника напряжения.

В электротехнике источником тока называют любой источник электрической энергии.

Содержание

Свойства [ править | править код ]

Идеальный источник тока [ править | править код ]

Сила тока, текущего через идеальный источник тока, всегда одинакова по определению:

I = const <displaystyle I=< ext>>

Напряжение на клеммах идеального источника тока (не путать с реальным источником!) зависит только от сопротивления R <displaystyle R> подключенной к нему нагрузки:

U = I ⋅ R <displaystyle U=Icdot R>

Мощность, отдаваемая источником тока в нагрузку:

P = I 2 ⋅ R <displaystyle P=I^<2>cdot R>

Поскольку ток через идеальный источник тока всегда одинаков, то напряжение на его клеммах и мощность, передаваемая им в нагрузку, с ростом сопротивления нагрузки возрастают, достигая в пределе бесконечных значений.

Реальный источник [ править | править код ]

В линейном приближении любой реальный источник тока (не путать с описанным выше источником тока — моделью!) или иной двухполюсник может быть представлен в виде модели, содержащей, по меньшей мере, два элемента: идеальный источник и внутреннее сопротивление (проводимость). Одна из двух простейших моделей — модель Тевенина — содержит источник ЭДС, соединенный последовательно с сопротивлением, а другая, противоположная ей, модель Нортона — источник тока, соединенный параллельно с проводимостью (т. е. идеальным резистором, свойства которого принято характеризовать значением проводимости). Соответственно, реальный источник в линейном приближении может быть описан при помощи двух параметров: ЭДС E <displaystyle <mathcal >> источника напряжения (или силы тока I <displaystyle I> источника тока) и внутреннего сопротивления r <displaystyle r> (или внутренней проводимости y = 1 / r <displaystyle y=1/r> ). <2>>>.>

Реальные генераторы тока имеют различные ограничения (например, по напряжению на его выходе), а также нелинейные зависимости от внешних условий. В частности, реальные генераторы тока создают электрический ток только в некотором диапазоне напряжений, верхний порог которого зависит от напряжения питания источника. Таким образом, реальные источники тока имеют ограничения по нагрузке.

Примеры [ править | править код ]

Источником тока является катушка индуктивности, по которой шёл ток от внешнего источника, в течение некоторого времени ( t ≪ L / R <displaystyle tll L/R> ) после отключения источника. Этим объясняется искрение контактов при быстром отключении индуктивной нагрузки: стремление к сохранению тока при резком возрастании сопротивления (появление воздушного зазора) приводит к резкому возрастанию напряжения между контактами и к пробою зазора.

Вторичная обмотка трансформатора тока, первичная обмотка которого последовательно включена в мощную линию переменного тока, может рассматриваться как почти идеальный источник переменного тока. Следовательно, размыкание вторичной цепи трансформатора тока недопустимо. Вместо этого при необходимости перекоммутации в цепи вторичной обмотки (без отключения линии) эту обмотку предварительно шунтируют.

Применение [ править | править код ]

Источники тока широко используются в аналоговой схемотехнике, например, для питания измерительных мостов, для питания каскадов дифференциальных усилителей, в частности операционных усилителей.

Концепция генератора тока используется для представления реальных электронных компонентов в виде эквивалентных схем. Для описания активных элементов для них вводятся эквивалентные схемы, содержащие управляемые генераторы:

• Источник тока, управляемый напряжением (ИТУН). Применяется в основном для полевых транзисторов и электронных ламп.
• Источник тока, управляемый током (ИТУТ). Применяется, как правило, для биполярных транзисторов.

В схеме токового зеркала (рисунок 2) ток нагрузки в правой ветви задается равным эталонному току в левой ветви, так что по отношению к нагрузке R2 эта схема выступает как источник тока.

Обозначения [ править | править код ]

Существуют различные варианты обозначений источника тока. Наиболее часто встречаются обозначения (a) и (b). Вариант (c) устанавливается ГОСТ [1] и IEC [2] . Стрелка в кружке указывает положительное направление тока в цепи на выходе источника. Варианты (d) и (e) встречаются в зарубежной литературе. При выборе обозначения нужно быть осмотрительным и использовать пояснения, чтобы не допускать путаницы с источниками напряжения.

Электротехника связывает природу электричества со строением вещества и объясняет его движением свободных заряженных частиц под воздействием энергетического поля.

Для того чтобы электрический ток протекал по цепи и совершал работу, необходимо иметь источник энергии, совершающий преобразование в электричество:

механической энергии вращения роторов генераторов;

протекания химических процессов или реакций внутри гальванических приборов и аккумуляторов;

теплоты в терморегуляторах;

магнитных полей в магнитогидродинамических генераторах;

световой энергии в фотоэлементах.

Все они обладают различными характеристиками. Чтобы классифицировать и описать их параметры принято условное теоретическое разделение на источники:

Электрический ток в металлическом проводнике

Определение силы тока и электродвижущей силы в 18-м веке дали известные физики того времени.

Им считается идеальный источник, представляющий собой двухполюсник, на зажимах которого электродвижущая сила (и напряжение) всегда поддерживается постоянным значением. На него не влияет нагрузка сети, а внутреннее сопротивление у источника равно нулю.

На схемах он обычно обозначается кругом с буквой «Е» и стрелкой внутри, показывающей положительное направление ЭДС (в сторону увеличения внутреннего потенциала источника).

Схемы обозначения и вольт-амперные характеристики источников ЭДС

Теоретически на выводах у идеального источника напряжение не зависит от величины тока нагрузки и является постоянной величиной. Однако, это условная абстракция, которая не может быть осуществлена на практике. У реального источника при увеличении тока нагрузки значение напряжения на зажимах всегда уменьшается.

На графике видно, что ЭДС Е состоит из суммы падений напряжения на внутреннем сопротивлении источника и нагрузке.

В действительности источниками напряжения работают различные химические и гальванические элементы, аккумуляторные батареи, электрические сети. Их разделяют на источники:

постоянного и переменного напряжения;

управляемые напряжением или током.

Ими называют двухполюсники, создающий ток, который является строго постоянной величиной и никак не зависит от значения сопротивления на подключенной нагрузке, а внутреннее сопротивление его приближается к бесконечности. Это тоже теоретическое допущение, которое на практике не может быть достигнуто.

Схемы обозначения и вольт-амперная характеристика источника тока

Для идеального источника тока напряжение на его клеммах и мощность зависят только от сопротивления подключенной внешней схемы. При этом с увеличением сопротивления они возрастают.

Реальный источник тока отличается от идеального значением внутреннего сопротивления.

Примерами источника тока могут служить:

Вторичные обмотки трансформаторов тока, подключенных в первичную схему нагрузки своей силовой обмоткой. Все вторичные цепи работают в режиме надежного шунтирования. Размыкать их нельзя — иначе возникнут перенапряжения в схеме.

Катушки индуктивности, по которым проходил ток в течение некоторого времени после снятия питания со схемы. Быстрое отключение индуктивной нагрузки (резкое возрастание сопротивления) может привести к пробою зазора.

Генератор тока, собранный на биполярных транзисторах, управляемый напряжением или током.

В различной литературе источники тока и напряжения могут обозначаться неодинаково.

Виды обозначений источников тока и напряжения на схемах

Электрические цепи постоянного тока Рон Куртус

SfC Home > Physics > Electricity >

Рон Куртус (обновлено 17 октября 2019 г. )

A электрическая цепь постоянного тока (DC) состоит из источника постоянного тока, такого как батарея, с токопроводящим проводом, идущим от одной из клемм источника к набор электрических устройств, а затем обратно к другому терминалу в полной цепи.

Цепь постоянного тока необходима для существования электричества постоянного тока. Цепи постоянного тока могут быть последовательными, параллельными или комбинированными. Понимание цепей постоянного тока важно для изучения более сложных цепей переменного тока, таких как те, которые используются в домашних условиях.

У вас могут возникнуть следующие вопросы:

• Из чего состоит электрическая цепь?
• Что такое последовательное соединение?
• Что такое параллельная цепь?

Этот урок ответит на эти вопросы. Полезный инструмент: Преобразование единиц

---

---

Простая схема

Если вы возьмете непрерывный источник постоянного тока, такой как батарея, и соедините проводящие провода от положительного и отрицательного полюсов батареи к электрическому устройству, такому как лампочка, вы сформировали электрическую цепь. электрическая цепь.

Батарея, лампочка и выключатель внутри фонарика образуют цепь постоянного тока

Другими словами, электричество течет по петле от одного конца батареи (или источника электричества) к другому концу цепи. Концепция электрических цепей лежит в основе нашего использования электричества.

Одной из приятных особенностей электрической цепи является то, что вы можете установить переключатель в цепь, чтобы включать или выключать питание, когда захотите.

Примечание : Хотя постоянный электрический ток определяется как идущий от положительной (+) к отрицательной (-) области, это соглашение для движения электричества было установлено до того, как были открыты отрицательно заряженные электроны.

Фактическое движение электронов происходит от отрицательной (-) области к положительному (+) полюсу. Очевидно, что это соглашение может сбивать с толку.

Помните, что постоянный электрический ток обозначается как движение от (+) к (-), в то время как электроны на самом деле движутся в противоположном направлении.

Источник питания

Для цепи постоянного тока требуется источник питания. Как правило, батарея используется для обеспечения непрерывного электричества постоянного тока. Генератор постоянного тока является еще одним источником энергии. Электричество переменного тока (AC) можно изменить с помощью выпрямителя или адаптера для создания электричества постоянного тока. Обычный адаптер, используемый для некоторых небольших устройств с питанием от постоянного тока, преобразует домашний ток 110 В переменного тока в постоянный ток 12 В для вашего устройства.

Напряжение, ток и сопротивление

Электричество, проходящее через провод или другой проводник, состоит из его напряжения ( В ), тока ( I ) и сопротивления ( R ). Напряжение или потенциальная энергия источника электричества измеряется в вольтах. Ток количества электронов, протекающих по проводу, измеряется в амперах или амперах. Сопротивление или электрическое трение измеряется в Омах.

Проводники

Провода и электрические устройства должны проводить электричество. Металл, такой как медь, является хорошим проводником электричества и имеет низкое сопротивление. Вольфрамовая нить в лампочке проводит электричество, но имеет высокое сопротивление, из-за чего она нагревается и светится.

Серия Цепь постоянного тока

В электрической цепи несколько электрических устройств, таких как лампочки, могут быть размещены в линию или последовательно в цепь между положительным и отрицательным полюсами батареи. Это называется последовательной цепью.

Две лампочки в последовательной цепи с аккумулятором

Одна проблема с таким расположением заключается в том, что если одна лампочка перегорает, то она действует как выключатель и отключает всю цепь.

Схема

Каждое устройство в цепи постоянного тока — будь то лампочка или электродвигатель — может быть представлено электрическим сопротивлением или резистором. Обычно при рисовании принципиальной схемы или схемы вы используете определенные символы для батареи и резисторов.

Схема цепи постоянного тока с тремя последовательно соединенными резисторами

Параллельная цепь постоянного тока

Устройства также могут располагаться в параллельной конфигурации, так что если какая-либо лампочка погаснет, цепь останется неповрежденной. Мало того, что параллельная схема полезна для праздничного освещения, электрическая проводка в домах также является параллельной. Таким образом, свет и приборы можно включать и выключать по желанию. В противном случае, если вы выключите одну лампочку или перегорит одну, все остальные лампочки в доме тоже погаснут.

Две лампочки в параллельной цепи

Если бы одна лампочка погасла, другая продолжала бы гореть. Вы можете добавить другие лампочки или даже приборы, такие как электродвигатели, параллельно этой цепи, и они останутся независимыми друг от друга.

Схема параллельной цепи постоянного тока

Вы также можете заменить лампочку последовательной цепью или добавить лампочки или устройства последовательно между параллельными элементами. Возможно множество комбинаций.

Резюме

Электрические цепи постоянного тока состоят из источника постоянного тока с токопроводящим проводом, идущим от одной из клемм к набору электрических устройств, а затем обратно к другой клемме, образуя полную цепь. Цепи постоянного тока могут быть последовательными, параллельными или сложными комбинациями.

---

Всегда стремитесь к успеху

---

Ресурсы и ссылки

Полномочия Рона Куртуса

Веб-сайты

Электроэнергия постоянного и переменного тока

Ресурсы по физике

Книги

(Примечание: Школа Чемпионов может получать комиссионные от покупки книг)

Основное электроснабжение Бюро военно-морского персонала; Пабы Дувра; (1970) $14,95 — подробное описание основ теории электричества и ее приложений

Basic Electricity and DC Circuits by Charles Dale, Prompt (1995) $54,95 — Большая книга с основными понятиями использования и управления электричеством электронная почта или другие услуги:

---

Студенты и исследователи

Веб-адрес этой страницы:
www. school-for-champions.com/science/
dc_circuits.htm

Разместите его в качестве ссылки на своем веб-сайте или в качестве ссылки в своем отчете, документе или диссертации.

Copyright © Ограничения

---

Где ты сейчас?

Школа чемпионов

Темы по физике

Электрические цепи постоянного тока

---

Учебник по физике: последовательные цепи

Как упоминалось в предыдущем разделе урока 4, два или более электрических устройства в цепи могут быть соединены последовательно или параллельно. Когда все устройства соединены последовательно, цепь называется 9.Цепь серии 0193 . В последовательной цепи каждое устройство подключено таким образом, что существует только один путь, по которому заряд может пройти через внешнюю цепь. Каждый заряд, проходящий через петлю внешней цепи, будет последовательно проходить через каждый резистор.

В предыдущем разделе урока 4 было проведено краткое сравнение и сопоставление последовательной и параллельной схем. сопротивление. Поскольку в цепи есть только один путь, каждый заряд сталкивается с сопротивлением каждого устройства; поэтому добавление большего количества устройств приводит к увеличению общего сопротивления. Это повышенное сопротивление служит для уменьшения скорости протекания заряда (также известной как ток).

 

Эквивалентное сопротивление и ток

Заряды протекают вместе через внешнюю цепь со скоростью, которая везде одинакова. Ток в одном месте не больше, чем в другом. Фактическая величина тока обратно пропорциональна величине общего сопротивления. Существует четкая зависимость между сопротивлением отдельных резисторов и общим сопротивлением набора резисторов. Что касается батареи, которая качает заряд, наличие двух 6-омных резисторов, соединенных последовательно, будет эквивалентно наличию в цепи одного 12-омного резистора. Наличие трех последовательно соединенных резисторов сопротивлением 6 Ом будет эквивалентно наличию в цепи одного резистора сопротивлением 18 Ом. А наличие четырех резисторов на 6 Ом последовательно было бы эквивалентно наличию в цепи одного резистора на 24 Ом.

Это концепция эквивалентного сопротивления. Эквивалентное сопротивление 90 193 90 194 цепи представляет собой величину сопротивления, которая потребуется одному резистору, чтобы уравнять общий эффект набора резисторов, присутствующих в цепи. Для последовательных цепей математическая формула для расчета эквивалентного сопротивления (R _экв. ) выглядит следующим образом:

R _экв. = R ₁ + R ₂ + R ₃ + …

, где R ₁ , R ₂ и R ₃ — значения сопротивления отдельных резисторов, соединенных последовательно.

Больше практики

Создавайте, решайте и проверяйте свои собственные проблемы с помощью виджета Equivalent Resistance ниже. Составьте себе задачу с любым количеством резисторов и любых номиналов. Решать проблему; затем нажмите кнопку «Отправить», чтобы проверить свой ответ.

Ток в последовательной цепи везде одинаков. Заряд НЕ накапливается и не начинает накапливаться в любом заданном месте, так что ток в одном месте больше, чем в других местах. Заряд НЕ расходуется резисторами так, что в одном месте его меньше, чем в другом. Заряды можно представить себе как марширующие вместе по проводам электрической цепи, везде марширующие с одинаковой скоростью. Ток — скорость, с которой течет заряд, — везде одинакова. Это то же самое на первом резисторе, что и на последнем резисторе, как и в батарее. Математически можно написать

 

I _battery = I ₁ = I ₂ = I ₃ = …

where I ₁ , I ₂ , and I ₃ are the current значения в отдельных местах резисторов.

Эти значения тока легко рассчитать, если известно напряжение батареи и известны значения отдельных сопротивлений. Используя значения отдельных резисторов и приведенное выше уравнение, можно рассчитать эквивалентное сопротивление. А используя закон Ома (ΔV = I • R), можно определить ток в батарее и, следовательно, через каждый резистор, найдя соотношение напряжения батареи и эквивалентного сопротивления.

 

I _battery = I ₁ = I ₂ = I ₃ = ΔV _battery / R _eq

 

 

Electric Potential Difference and Voltage Drops

Как обсуждалось в Уроке 1, электрохимическая ячейка цепи подает энергию заряду для его перемещения через ячейку и создания разности электрических потенциалов на двух концах внешней цепи. Ячейка на 1,5 вольта создаст разность электрических потенциалов во внешней цепи 1,5 вольта. Это означает, что электрический потенциал на положительной клемме на 1,5 вольт больше, чем на отрицательной клемме. Когда заряд движется по внешней цепи, он теряет 1,5 вольта электрического потенциала. Эта потеря электрического потенциала называется падение напряжения . Это происходит, когда электрическая энергия заряда преобразуется в другие формы энергии (тепловую, световую, механическую и т. д.) внутри резисторов или нагрузок. Если электрическая цепь, питаемая от 1,5-вольтовой ячейки, оснащена более чем одним резистором, то суммарная потеря электрического потенциала составляет 1,5 вольта. На каждом резисторе есть падение напряжения, но сумма этих падений напряжения составляет 1,5 вольта — столько же, сколько номинальное напряжение источника питания. Эта концепция может быть выражена математически следующим уравнением:

ΔV _{батарея} = ΔV ₁ + ΔV ₂ + ΔV ₃ + …

Чтобы проиллюстрировать этот математический принцип в действии, рассмотрим две схемы, показанные ниже на диаграммах A и B. что вас попросили определить два неизвестных значения разности электрических потенциалов между лампочками в каждой цепи. Чтобы определить их значения, вам придется использовать приведенное выше уравнение. Батарея изображается своим обычным схематическим символом, а ее напряжение указывается рядом с ним. Определите падение напряжения для двух лампочек, а затем нажмите кнопку «Проверить ответы», чтобы убедиться, что вы правы.

 

 

 

Ранее в уроке 1 обсуждалось использование диаграммы электрических потенциалов. Диаграмма электрических потенциалов — это концептуальный инструмент для представления разности электрических потенциалов между несколькими точками электрической цепи. Рассмотрим принципиальную схему ниже и соответствующую ей диаграмму электрических потенциалов.

Схема, показанная на схеме выше, питается от 12-вольтового источника питания. В цепи последовательно соединены три резистора, каждый из которых имеет свое падение напряжения. Отрицательный знак разности электрических потенциалов просто означает, что при прохождении через резистор происходит потеря электрического потенциала. Обычный ток направляется по внешней цепи от положительного вывода к отрицательному. Поскольку схематический символ источника напряжения использует длинную полосу для обозначения положительной клеммы, место А на схеме соответствует положительной клемме или клемме с высоким потенциалом. Место A находится под напряжением 12 вольт, а место H (отрицательная клемма) находится под напряжением 0 вольт. Проходя через аккумулятор, заряд приобретает 12 вольт электрического потенциала. А при прохождении через внешнюю цепь заряд теряет 12 вольт электрического потенциала, как показано на диаграмме электрических потенциалов, показанной справа от принципиальной схемы. Эти 12 вольт электрического потенциала теряются за три этапа, каждый из которых соответствует протеканию через резистор. При прохождении через соединительные провода между резисторами происходит небольшая потеря электрического потенциала из-за того, что провод оказывает относительно небольшое сопротивление потоку заряда. Поскольку точки А и В разделены проводом, они имеют практически одинаковый электрический потенциал 12 В. Когда заряд проходит через его первый резистор, он теряет 3 В электрического потенциала и падает до 9 В.V в точке C. Поскольку точка D отделена от точки C простым проводом, она имеет фактически тот же электрический потенциал 9 В, что и C. Когда заряд проходит через второй резистор, он теряет 7 В электрического потенциала и падает вниз. до 2 В в точке E. Поскольку точка F отделена от точки E простым проводом, она имеет фактически тот же электрический потенциал 2 В, что и E. Наконец, когда заряд проходит через последний резистор, он теряет 2 В электрического тока. потенциала и падает до 0 В в точке G. В точках G и H заряду не хватает энергии, и ему требуется повышение энергии, чтобы снова пройти через внешнюю цепь. Повышение энергии обеспечивается аккумулятором по мере того, как заряд перемещается от H к A.

В уроке 3 закон Ома (ΔV = I • R) был представлен как уравнение, которое связывает падение напряжения на резисторе с сопротивлением резистора и током на резисторе. Уравнение закона Ома можно использовать для любого отдельного резистора в последовательной цепи. При объединении закона Ома с некоторыми принципами, уже обсуждавшимися на этой странице, возникает большая идея.

В последовательных цепях резистор с наибольшим сопротивлением имеет наибольшее падение напряжения.

Поскольку ток в последовательной цепи везде одинаков, значение I ΔV = I • R одинаково для каждого из резисторов последовательной цепи. Таким образом, падение напряжения (ΔV) зависит от изменения сопротивления. Везде, где сопротивление наибольшее, падение напряжения будет наибольшим на этом резисторе. Уравнение закона Ома можно использовать не только для прогнозирования того, что резистор в последовательной цепи будет иметь наибольшее падение напряжения, но и для расчета фактических значений падения напряжения.

Δ В 1 = I • R 1

Δ В 2 = I • R 2

Δ В 3 = I • R 3

 

Математический анализ последовательных цепей

Приведенные выше принципы и формулы можно использовать для анализа последовательной цепи и определения значений тока при и разности электрических потенциалов на каждом из резисторов в последовательной цепи. Их использование будет продемонстрировано математическим анализом схемы, показанной ниже. Цель состоит в том, чтобы использовать формулы для определения эквивалентного сопротивления цепи (R _eq ), тока в батарее (I _tot ), а также падения напряжения и тока для каждого из трех резисторов.

 

Анализ начинается с использования значений сопротивления отдельных резисторов для определения эквивалентного сопротивления цепи.

R _eq = R ₁ + R ₂ + R ₃ = 17 Ом + 12 Ом + 11 Ом = 40 Ом

Теперь, когда известно эквивалентное сопротивление батареи можно определить с помощью уравнения закона Ома. При использовании уравнения закона Ома (ΔV = I • R) для определения тока в цепи важно использовать напряжение батареи для ΔV и эквивалентное сопротивление для R. Расчет показан здесь:

I _tot = ΔV _{батареи} / R _eq = (60 В) / (40 Ом) = 1,5 ампера

Значение тока в 1,5 ампера представляет собой ток в месте расположения батареи. Для последовательной цепи без мест разветвления ток везде одинаков. Ток в месте расположения батареи такой же, как ток в каждом месте резистора. Следовательно, 1,5 ампера — это значение I ₁ , I ₂ и I ₃ .

I _{аккумулятор} = I ₁ = I ₂ = I ₃ = 1,5 А

Осталось определить три значения — падение напряжения на каждом из отдельных резисторов. Закон Ома снова используется для определения падения напряжения на каждом резисторе — это просто произведение тока на каждом резисторе (рассчитанного выше как 1,5 ампера) и сопротивления каждого резистора (указанного в условии задачи). Расчеты показаны ниже.

ΔV 1 = I 1 • R 1 ΔV 1 = (1,5 А) • (17 Ом) ΔV 1 = 25,5 В

ΔV 2 = I 2 • R 2 ΔV 2 = (1,5 А) • (12 Ом) ΔV 2 = 18 В

ΔV 3 = I 3 • R 3 ΔV 3 = (1,5 А) • (11 Ом) ΔV 3 = 16,5 В

Для проверки точности выполненных математических расчетов целесообразно проверить, удовлетворяют ли рассчитанные значения принципу, согласно которому сумма падений напряжения на каждом отдельном резисторе равна номинальному напряжению батареи. Другими словами, является ли ΔV _{батарея} = ΔV ₁ + ΔV ₂ + ΔV ₃ ?

Is ΔV _{батарея} = ΔV ₁ + ΔV ₂ + ΔV ₃ ?

Является ли 60 В = 25,5 В + 18 В + 16,5 В?

Является ли 60 В = 60 В?

Да!!

 

Математический анализ этой последовательной цепи включал сочетание концепций и уравнений. Как это часто бывает в физике, отрыв понятий от уравнений при решении физической задачи — опасный поступок. Здесь необходимо учитывать понятия, что ток везде одинаков и что напряжение батареи эквивалентно сумме падений напряжения на каждом резисторе, чтобы завершить математический анализ. В следующей части урока 4 параллельные цепи будут проанализированы с использованием закона Ома и концепций параллельных цепей. Мы увидим, что подход смешивания понятий с уравнениями будет столь же важен для этого анализа.

 

 

Мы хотели бы предложить . ..

Зачем просто читать об этом и когда вы могли бы взаимодействовать с ним? Взаимодействие — это именно то, что вы делаете, когда используете один из интерактивов The Physics Classroom. Мы хотели бы предложить вам совместить чтение этой страницы с использованием нашего интерактивного конструктора цепей постоянного тока. Вы можете найти его в разделе Physics Interactives на нашем сайте. Конструктор цепей постоянного тока предоставляет учащимся набор для создания виртуальных схем. Вы можете легко перетаскивать источники напряжения, резисторы и провода на рабочее место, располагать и соединять их так, как пожелаете. Вольтметры и амперметры позволяют измерять падение тока и напряжения. Прикосновение к резистору или источнику напряжения позволяет изменить сопротивление или входное напряжение. Это просто. Это весело. И это безопасно (если только вы не используете его в ванной).

Посетите:  DC Circuit Builder

Проверьте свое понимание

1. Используйте свое понимание эквивалентного сопротивления, чтобы завершить следующие утверждения:

a. Два последовательно соединенных резистора сопротивлением 3 Ом обеспечат сопротивление, эквивалентное одному резистору сопротивлением _____ Ом.

б. Три последовательно соединенных резистора сопротивлением 3 Ом обеспечат сопротивление, эквивалентное одному резистору сопротивлением _____ Ом.

в. Три последовательно соединенных резистора сопротивлением 5 Ом обеспечат сопротивление, эквивалентное одному резистору _____ Ом.

д. Три резистора с сопротивлением 2 Ом, 4 Ом и 6 Ом включены последовательно. Они обеспечат сопротивление, эквивалентное одному резистору _____-Ом.

эл. Три резистора с сопротивлением 5 Ом, 6 Ом и 7 Ом включены последовательно. Они обеспечат сопротивление, эквивалентное одному резистору _____-Ом.

ф. Три резистора с сопротивлением 12 Ом, 3 Ом и 21 Ом включены последовательно. Они обеспечат сопротивление, эквивалентное одному резистору _____-Ом.

 

 

2. При увеличении числа резисторов в последовательной цепи общее сопротивление __________ (увеличивается, уменьшается, остается неизменным) и ток в цепи __________ (увеличивается, уменьшается, остается неизменным).

3. Рассмотрим следующие две схемы последовательных цепей. Для каждой диаграммы используйте стрелки, чтобы указать направление условного тока. Затем сравните напряжение и ток в обозначенных точках для каждой диаграммы.

 

 

4. Три одинаковые лампочки подключены к D-ячейке, как показано справа. Какое из следующих утверждений верно?

а. Все три лампочки будут иметь одинаковую яркость.

б. Лампочка между X и Y будет самой яркой.

в. Лампочка между Y и Z будет самой яркой.

д. Лампочка между Z и батареей будет самой яркой.

 

 

 

5. Три одинаковые лампочки подключены к батарее, как показано справа. Какие корректировки можно внести в схему, чтобы увеличить ток, измеряемый в точке X? Перечислите все, что применимо.

а. Увеличьте сопротивление одной из лампочек.

б. Увеличьте сопротивление двух лампочек.

в. Уменьшите сопротивление двух лампочек.

д. Увеличьте напряжение батареи.

эл. Уменьшите напряжение батареи.

ф. Снимите одну из лампочек.

 

 

6. Три одинаковые лампочки подключены к батарейке, как показано справа. W, X, Y и Z обозначают местоположения вдоль цепи. Какое из следующих утверждений верно?

а. Разность потенциалов между X и Y больше, чем между Y и Z.

б. Разность потенциалов между X и Y больше, чем между Y и W.

в. Разность потенциалов между Y и Z больше, чем между Y и W.

д. Разность потенциалов между X и Z больше, чем между Z и W.

эл. Разность потенциалов между X и W больше, чем на аккумуляторе.

ф. Разность потенциалов между X и Y больше, чем между Z и W.

 

7. Сравните цепи X и Y ниже. Каждый питается от 12-вольтовой батареи. Падение напряжения на резисторе 12 Ом в цепи Y равно ____ падению напряжения на одном резисторе в цепи X.

a. меньше чем

б. больше

в. то же, что

 

 

 

8. Батарея 12 В, резистор 12 Ом и лампочка подключены, как показано на схеме X ниже. Резистор на 6 Ом добавляется к резистору на 12 Ом и лампочке, чтобы создать цепь Y, как показано на рисунке. Лампочка появится ____.

а. диммер в контуре X

б. диммер в цепи Y

в. одинаковая яркость в обоих контурах

 

 

9. Три резистора соединены последовательно.