Схема электрического тока. Электрические цепи: основы, компоненты и законы

Что такое электрическая цепь. Какие компоненты входят в состав простейшей электрической цепи. Как работает электрическая цепь. Чем отличается постоянный ток от переменного. Что такое напряжение и сила тока. Как измерять электрические величины. В чем суть законов Кирхгофа.

Содержание

Что такое электрическая цепь и из каких компонентов она состоит

Электрическая цепь представляет собой замкнутый контур, по которому может протекать электрический ток. Простейшая электрическая цепь включает в себя следующие основные компоненты:

Источник питания (например, батарейка или аккумулятор)
Проводники (провода)
Потребитель электроэнергии (например, лампочка)
Коммутационное устройство (выключатель)

Для работы цепи необходимо, чтобы контур был замкнут — это обеспечивает непрерывный путь для протекания электрического тока от источника питания через потребитель и обратно. Выключатель позволяет размыкать и замыкать цепь, управляя подачей электроэнергии.

Как работает электрическая цепь: движение электронов и электрический ток

Работа электрической цепи основана на движении электронов. Когда цепь замкнута, электроны начинают двигаться от отрицательного полюса источника питания к положительному через проводники и потребитель. Это направленное движение электронов и есть электрический ток.

Интересно, что хотя электроны движутся от минуса к плюсу, условное направление тока принято считать от положительного полюса к отрицательному. Это историческое соглашение, возникшее до открытия электрона.

Почему электроны движутся по цепи

Движение электронов обусловлено разностью потенциалов (напряжением) между полюсами источника питания. Эту разность потенциалов можно сравнить с разницей уровней воды в сообщающихся сосудах — она заставляет электроны «перетекать» от области с избытком электронов (отрицательный полюс) к области с их недостатком (положительный полюс).

Постоянный и переменный ток: в чем разница

Электрический ток в цепи может быть постоянным или переменным. Чем они отличаются?

Постоянный ток (DC) всегда течет в одном направлении. Его создают источники с неизменной полярностью, например, батарейки или аккумуляторы.
Переменный ток (AC) периодически меняет направление. Его создают генераторы переменного тока, например, на электростанциях.

В бытовой электросети используется переменный ток, а большинство портативных электронных устройств работает на постоянном токе.

Основные электрические величины: напряжение, сила тока, сопротивление

Для описания процессов в электрических цепях используются три основные величины:

Напряжение (U) — разность электрических потенциалов, измеряется в вольтах (В)
Сила тока (I) — количество электричества, проходящее через поперечное сечение проводника за единицу времени, измеряется в амперах (А)
Сопротивление (R) — свойство проводника препятствовать прохождению электрического тока, измеряется в омах (Ом)

Эти величины связаны законом Ома: I = U / R. То есть сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению.

Как измерять электрические величины

Для измерения электрических величин используются специальные приборы:

Вольтметр — для измерения напряжения (подключается параллельно участку цепи)
Амперметр — для измерения силы тока (включается последовательно в цепь)
Омметр — для измерения сопротивления (измеряет сопротивление отключенного от цепи элемента)

Современные цифровые мультиметры объединяют функции всех этих приборов в одном устройстве.

Последовательное и параллельное соединение элементов в цепи

Элементы электрической цепи могут соединяться последовательно или параллельно. Как это влияет на параметры цепи?

Последовательное соединение

При последовательном соединении элементы располагаются друг за другом, образуя единую цепь. В этом случае:

Сила тока одинакова во всех элементах
Общее напряжение равно сумме напряжений на каждом элементе
Общее сопротивление равно сумме сопротивлений всех элементов

Параллельное соединение

При параллельном соединении элементы подключаются к одним и тем же точкам цепи. В этом случае:

Напряжение одинаково на всех элементах
Общий ток равен сумме токов через каждый элемент
Обратная величина общего сопротивления равна сумме обратных величин сопротивлений всех элементов

Законы Кирхгофа: ключ к анализу сложных электрических цепей

Для анализа сложных разветвленных электрических цепей используются законы Кирхгофа. Эти законы позволяют рассчитать токи и напряжения в любой части цепи.

Первый закон Кирхгофа

Первый закон Кирхгофа гласит: алгебраическая сумма токов в узле электрической цепи равна нулю. Иными словами, сколько тока втекает в узел, столько же из него и вытекает.

Второй закон Кирхгофа

Второй закон Кирхгофа утверждает: в любом замкнутом контуре электрической цепи алгебраическая сумма напряжений на всех элементах контура равна нулю.

Применение этих законов позволяет составить систему уравнений для нахождения неизвестных токов и напряжений в сложных электрических схемах.

Короткое замыкание: опасное явление в электрических цепях

Короткое замыкание — это явление, при котором в электрической цепи образуется участок с очень малым сопротивлением. Это приводит к резкому увеличению силы тока, что может вызвать перегрев проводников, их расплавление и даже возгорание.

Причины короткого замыкания

Короткое замыкание может возникнуть по следующим причинам:

Повреждение изоляции проводов
Неправильное подключение элементов цепи
Попадание влаги или посторонних предметов в электрические приборы
Неисправность электрооборудования

Защита от короткого замыкания

Для защиты от короткого замыкания используются различные устройства:

Плавкие предохранители
Автоматические выключатели
Устройства защитного отключения (УЗО)

Эти устройства разрывают цепь при превышении допустимой силы тока, предотвращая возможные повреждения и пожары.

Принципиальные электрические схемы: язык электротехники

Принципиальная электрическая схема — это чертеж, на котором с помощью условных графических обозначений показаны все электрические элементы цепи и их соединения. Такие схемы используются для проектирования, анализа и ремонта электрических устройств.

Основные правила построения электрических схем

Используются стандартные условные обозначения элементов
Линии соединений проводятся преимущественно горизонтально и вертикально
Пересечения проводников без электрического соединения обозначаются простым пересечением линий
Электрическое соединение проводников обозначается точкой в месте их пересечения

Каждый элемент схемы имеет буквенно-цифровое обозначение

Умение читать и составлять принципиальные электрические схемы — важный навык для любого специалиста, работающего с электрооборудованием.

Простая электрическая цепь

Электричество — совокупность явлений, обусловленных существованием, взаимодействием и движением электрических зарядов.

Название «электричество» произошло от греческого слова «электрон», так по-гречески называется янтарь. Еще в древности люди заметили, что если потереть янтарь о шерсть, он начинает притягивать различные тела: кусочки бумаги, соломинки, пушинки и т. д. Ученые решили, что при трении янтарю сообщается электрический заряд…

Эту тему можно развернуть не на одну страницу, но сейчас у нас другие цели. Мы должны научиться собирать и настраивать не сложные электронные схемы. Как они будут работать на физическом уровне, мы пока особо рассматривать не будем, сделаем упор на техническую сторону процесса, ну а тем, кто жаждет теоретических основ – поиск «Google» и «Яндекс» в помощь.

Давайте разберем, как работает простая электрическая цепь, состоящая из батарейки (источник тока), лампочки и выключателя. С помощью медных проводов нужно соединить лампочку с батарейкой и выключателем, пока выключатель находится в разомкнутом состоянии, ток по проводам не течет и лампочка не светится.

Если выключатель перевести в замкнутое состояние, то разность потенциалов (напряжение) между полюсами батарейки заставит электрический ток двигаться от минуса батарейки через лампочку, через выключатель к плюсу батарейки. В этом случае лампочка будет светиться, но очень слабо, а может и вовсе не будет. Дело в том, что наша лампочка рассчитана на напряжение 3.3 вольта, а наша батарейка дает только 1.5 вольта.

Для того, что бы лампочка светила, мы используем две батарейки соединенных последовательно. При последовательном соединении батареек напряжение увеличится вдвое и составит 3 вольта. Этого напряжения хватит для яркого свечения лампочки.

Разность электрических потенциалов – это есть напряжение. Напряжение обозначают буквой U. Единица напряжения названа вольтом (В). Что бы измерить напряжение в нашей схеме, нужно подключить вольтметр параллельно нагрузке (лампочке).

Сила электрического тока обозначается буквой I, измеряется в амперах, единица силы тока обозначается буквой «А». Меньшие токи измеряются в миллиамперах, обозначаются «

мА». Один ампер равен 1000 миллиампер. В нашей схеме электрический ток движется всегда в одном направлении, поэтому он называется – «постоянный электрический ток». Что бы измерить силу тока в нашей схеме, нужно подключить амперметр последовательно с нагрузкой (лампочкой).

Мощность электрического тока в ваттах выражается произведением напряжения в вольтах на ток в амперах.

P = UI

За единицу мощности принимают 1 ватт (Вт).

1 ватт = 1 вольт * 1 ампер

Мощность электрического тока можно так же выражать в киловаттах (кВт).

1 кВт = 1000 Вт.

Давайте посчитаем мощность тока в нашей лампочке. Пусть напряжение на лампочке будет 3 вольта, а ток проходящий через лампу будет равен 0.1 ампера (100 мА).

P = 3 вольта * 0.1 ампера = 0.3 ватта

Мощность тока питающего лампочку в нашей схеме равна 0.3 Вт.

Arduino: Кратко об электрической цепи

Статья проплачена кошками — всемирно известными производителями котят.

Если статья вам понравилась, то можете поддержать проект.

Батарейка, лампочка и провода (можно ещё добавить переключатель) — простая электрическая цепь. Необходимо отметить, что цепь представляет собой замкнутый круг. Лампочка зажжётся лишь в том случае, если контур от батареек к лампочке, далее к переключателю и обратно к лампочке будет непрерывным. Достаточно любого разрыва — и лампочка погаснет. Выключатель нужен для того, чтобы управлять этим процессом.

Самый распространённый материал для проводов — это медь. Сопротивление меди невелико, но оно присутствует. Чем длиннее провод, тем выше его сопротивление. Если бы вы попытались зажечь фонарик с проводами длиной в несколько километров, то их сопротивление оказалось бы чрезмерным, и фонарик бы не работал.

Чем толще провод, тем ниже его сопротивление. Это может показаться странным. Кажется, что чем толще провод, тем больше нужно электричества, чтобы его «наполнить». На самом деле в толстом проводе доступно гораздо больше электронов, образующих электрический ток.

Что такое ток?

Ток — это кот наоборот. Действительно, если прочитать слово задом наперёд, то получим кота. Принято считать, что направление тока направлено от положительного полюса к отрицательному, хотя на самом деле электроны движутся от отрицательного полюса к положительному. Получается, что по проводам идёт не ток, а кот. Точнее, много котов.

Постоянный ток

У батареи два полюса: положительный и отрицательный. Электроны всегда движутся от одного полюса к другому и не могут изменить своего направления. Такой ток, направление которого не меняется во времени, называется постоянным. Направление движения электронов не изменяется, само значение напряжения меняется медленно или не меняется вовсе – все неизменно. Постоянный ток обозначается как «DC», что на английском означает «direct current», или «постоянный ток».

В любительской электронике в основном используется постоянный ток для опытов.

Переменный ток

Полярность напряжения и направление движения электронов при протекании в цепи переменного тока постоянно изменяются. Переменный ток на английском языке называется «alternating current» и поэтому обозначается сокращением «AC» или волнистой линией (синусоидой).

Напряжение

Электрическое напряжение – это сила, которая «двигает» электроны по проводу. Для явлений, связанных с передачей электрического тока, обычно используют аналогию с водой, которая течёт по трубе. Объем воды в сосуде соответствует напряжению в батарее. Соответственно, как объем воды обозначается в литрах, для напряжения также существует мера измерения: вольты. Эта единица измерения обозначается большой буквой «V» (или «В» на русском). В формулах для обозначения величины напряжения используется буква «U».

Короткое замыкание

Если соединить положительную и отрицательную клемму стандартной батареи коротким отрезком медной проволоки, то получим короткое замыкание (short circuit). Само словосочетание указывает на смысл, хотя многие не задумываются о его значении. Напряжение батареи равна 1,5 вольта, но сопротивление очень низкое. Узнаем силу тока, разделив 1,5 вольта на очень малое значение. Сила тока получится огромной. По проводу побежит «армия» электронов (очень много котов). Фактическое значение силы тока ограничено физическим размером батареи. Вероятно, батарея окажется не в состоянии выдать ток такой силы, и напряжение упадёт ниже 1,5 вольта. Если батарея окажется достаточно велика, то провод разогреется, поскольку электрическая энергия станет превращаться в тепловую. Если провод нагреется слишком сильно, он может раскалиться и даже расплавиться.

На этом принципе превращать электрическую энергию в тепловую основана лампа накаливания.

Измерение напряжения и силы тока

Для измерения напряжения мультиметр должен присоединяться параллельно участку цепи, а для измерения тока прибор должен быть включён последовательно в измеряемую цепь.

Принципиальные схемы

Чтобы описать подключения, в электронике используют так называемую электрическую принципиальную схему. Это специальный чертёж, в котором используются единые международные символы для всех электрических компонентов. Некоторые символы в разных странах отличаются.

Не имеет значения, где на схеме располагаются отдельные компоненты, однако, соединяя их, нужно стремиться создать как можно меньше изгибов в соединительных линиях.

Для электрических соединений используют только горизонтальные и вертикальные линии. Это правило можно нарушать лишь в тех редких случаях.

Символ любого компонента можно поворачивать на угол, кратный 90 градусам.

По возможности, необходимо располагать источники питания и внешних сигналов слева, причём отрицательный полюс – внизу.

Каждый компонент относится к определённому типу. Символам компонентов каждого типа (резисторы, диоды, транзисторы, лампочки и т. д.) присваивается определённая буква. Для этого существует норма (DIN EN 81346-2), но часто используют старый стандарт (DIN 40 719-2). Это иногда приводит к путанице. Если в схеме используется несколько компонентов одного типа, за буквой пишется номер, при этом компоненты нумеруются по порядку возрастания слева направо.

Электрическая принципиальная схема не является образцом для расположения компонентов на макетной плате или готовом изделии. Если батарея указана на схеме слева, в реальной конструкции она может находиться справа или под лампой накаливания. На принципиальной схеме показаны только электрические соединения между компонентами, чтобы облегчать понимание принципов работы схемы.

Пересекающиеся соединения без электрического подключения друг к другу изображаются на принципиальной схеме в виде простого пересечения. На старых чертежах все пересечения, не являющиеся соединениями, были более наглядно оформлены в виде небольшой дуги, символически обходящей пересекаемую линию. Однако нарисовать таким образом много линий достаточно сложно.

Причиной отказа от обходящей дуги для изображения пересечений без электрического соединения стало повсеместное развитие чертёжных компьютерных программ, CAD. Внедрить в конце 70-х в программу логику вырисовывания дуги над пересекаемой линией, так чтобы эту дугу было видно на мониторах того времени, оказалось трудной задачей. А вот раньше, в 50–70-е годы, дугу над пересекаемой линией рисовали из-за низкого полиграфического качества печати. Чертёж, нарисованный карандашом или тушью на бумаге, фототипировался, при этом отличить пересечение с точкой от просто пересечения было бы невозможно, приходилось рисовать пересечение с дугой. Получается, разные эпохи развития техники диктовали свои условия.

По современному стандарту изображения принципиальных схем, в тех случаях, когда линия имеет электрическое подключение к другой линии, в месте их пересечения ставится жирная точка. При соединении более двух компонентов или в месте ответвления линии тоже ставится жирная точка. Собственно говоря, ответвления фактически представляют собой три компонента, а именно три линии. Соприкасающиеся пересечения представляют собой четыре компонента (например, провода).

Последовательное соединение

В последовательном соединении во всех элементах схемы течёт одинаковый ток.

При измерении напряжения определяется, на какую величину падает напряжение, проходя через компонент. Поэтому измерять напряжение следует в разных места. Например, на схеме из двух лампочек и батареи можно измерить напряжение у каждой лампочки и у батарейки. При последовательном соединении падения напряжения на лампочках суммируются друг с другом, и их сумма равна общему падению напряжения в цепи или напряжению на выводах батареи (учитывая погрешность).

При последовательном соединении две лампы будут светить вполнакала, так как они забирают часть напряжения.

Параллельное соединение

Если лампочки подключить параллельно, светить они будут ярче. При параллельном включении элементов напряжение на выводах любых соединённых компонентов одинаково. Частичные токи в параллельном включении суммируются, давая величину общего тока.

Закон Кирхгова

Существуют сложные электрические схемы, которые являются комбинацией из последовательных и параллельных цепей, называемые разветвлёнными цепями.

Немецкий физик Густав Роберт Кирхгоф сформулировал два важных правила, с помощью которых можно рассчитать токи и падения напряжений для произвольных разветвлённых электрических цепей. Чтобы понять и рассчитать схемы, их необходимо разложить по частям на небольшие структурные блоки, которые называются замкнутые контуры. Оба правила используются для того, чтобы полностью определить значения всех токов и напряжений в схеме. Если правильно использовать оба правила в каждой точке соединения трёх и более линий тока (такая точка соединения называется узлом, а линии – ветвями), то можно быть уверенным, что все токи и напряжения могут быть определены.

Первый закон Кирхгофа: Сумма входящих токов в узле электрической цепи равна сумме выходящих токов.

Второй закон Кирхгофа: В замкнутой цепи с током сумма падений напряжений на всех участках цепи равна нулю.

Урок 14. Законы Кирхгофа простыми словами с примерами — YouTube

Электрическая цепь | Схемы и примеры

Развлечения и поп-культура
География и путешествия
Здоровье и медицина
Образ жизни и социальные вопросы
Литература
Философия и религия
Политика, право и правительство
Наука
Спорт и отдых
Технология
Изобразительное искусство
Всемирная история

Этот день в истории
Викторины
Подкасты
Словарь
Биографии
Резюме
Популярные вопросы
Обзор недели
Инфографика
Демистификация
Списки
#WTFact
Товарищи
Галереи изображений
Прожектор
Форум
Один хороший факт

Развлечения и поп-культура
География и путешествия
Здоровье и медицина
Образ жизни и социальные вопросы
Литература
Философия и религия
Политика, право и правительство
Наука
Спорт и отдых
Технология
Изобразительное искусство
Всемирная история

Britannica объясняет
В этих видеороликах Britannica объясняет различные темы и отвечает на часто задаваемые вопросы.
Britannica Classics
Посмотрите эти ретро-видео из архивов Encyclopedia Britannica.
#WTFact Видео
В #WTFact Britannica делится некоторыми из самых странных фактов, которые мы можем найти.
На этот раз в истории
В этих видеороликах узнайте, что произошло в этом месяце (или любом другом месяце!) в истории.
Demystified Videos
В Demystified у Britannica есть все ответы на ваши животрепещущие вопросы.

Студенческий портал
Britannica — лучший ресурс для учащихся по ключевым школьным предметам, таким как история, государственное управление, литература и т. д.
Портал COVID-19
Хотя этот глобальный кризис в области здравоохранения продолжает развиваться, может быть полезно обратиться к прошлым пандемиям, чтобы лучше понять, как реагировать сегодня.
100 женщин
Britannica празднует столетие Девятнадцатой поправки, выделяя суфражисток и политиков, творящих историю.
Britannica Beyond
Мы создали новое место, где вопросы находятся в центре обучения. Вперед, продолжать. Просить. Мы не будем возражать.
Спасение Земли
Британника представляет список дел Земли на 21 век. Узнайте об основных экологических проблемах, стоящих перед нашей планетой, и о том, что с ними можно сделать!
SpaceNext50
Britannica представляет SpaceNext50. От полёта на Луну до управления космосом — мы изучаем широкий спектр тем, которые подпитывают наше любопытство к космосу!

Содержание

Введение

Краткие факты

Факты и сопутствующий контент

Лейденская банка | электроинструмент

Развлечения и поп-культура
География и путешествия
Здоровье и медицина
Образ жизни и социальные вопросы
Литература
Философия и религия
Политика, право и правительство
Наука
Спорт и отдых
Технология
Изобразительное искусство
Всемирная история

Этот день в истории
Викторины
Подкасты
Словарь
Биографии
Резюме
Популярные вопросы
Обзор недели
Инфографика
Демистификация
Списки
#WTFact
Товарищи
Галереи изображений
Прожектор
Форум
Один хороший факт

Развлечения и поп-культура
География и путешествия
Здоровье и медицина
Образ жизни и социальные вопросы
Литература
Философия и религия
Политика, право и правительство
Наука
Спорт и отдых
Технология
Изобразительное искусство
Всемирная история

Britannica объясняет
В этих видеороликах Britannica объясняет различные темы и отвечает на часто задаваемые вопросы.
Britannica Classics
Посмотрите эти ретро-видео из архивов Encyclopedia Britannica.
#WTFact Видео
В #WTFact Britannica делится некоторыми из самых странных фактов, которые мы можем найти.
На этот раз в истории
В этих видеороликах узнайте, что произошло в этом месяце (или любом другом месяце!) в истории.
Demystified Videos
В Demystified у Britannica есть все ответы на ваши животрепещущие вопросы.

Студенческий портал
Britannica — это главный ресурс для учащихся по ключевым школьным предметам, таким как история, государственное управление, литература и т. д.
Портал COVID-19
Хотя этот глобальный кризис в области здравоохранения продолжает развиваться, может быть полезно обратиться к прошлым пандемиям, чтобы лучше понять, как реагировать сегодня.
100 женщин
Britannica празднует столетие Девятнадцатой поправки, выделяя суфражисток и политиков, творящих историю.

Что такое электрическая цепь и из каких компонентов она состоит