Электрическая цепь и ее элементы

Элементы цепи

Независимо от частей электрических цепей их объединяет одно — их компоненты должны производить, передавать или потреблять электроэнергию.

Элементы делятся на пассивные и активные. К первым из них относится все, что потребляет или передает электроэнергию: лампы, нагревательные элементы, электродвигатели и т д. Ко вторым относятся источники, вырабатывающие электроэнергию: генераторы, аккумуляторы, солнечные батареи и т д на выходе) и многополярные (те, которые имеют 4 или больше выходов).

Примером двухвыводного резистора является резистор. Как четырехполюсник — повышающий или понижающий трансформатор.

Обязательными компонентами в цепочке являются:

1. Source (Источник) — в большинстве случаев батарея, гальванический элемент или генератор. Изредка — ветряки и солнечные батареи.
2. Проводник — необходим для передачи электроэнергии от источника к потребителю электроэнергии.
3. Потребитель электроэнергии (Нагрузка, потребитель) (чаще всего в быту это осветительные приборы, моторы, обогреватели, электроника, бытовая техника типа компьютеров, пылесосов, стиральных машин).
4. Замыкающий/размыкающий узел (переключатель) или переключатель.

Основными электрическими приемниками являются:

• Резистор — потребитель, имеющий переменное или постоянное сопротивление.
• Конденсатор – это потребитель, который имеет емкость. Он накапливает энергию и имеет возможность вернуть ее.
• Индуктор – это потребитель, создающий индуктивное поле.
• Электродвигатель – это потребитель, преобразующий энергию электронов, движущихся по проводнику, в механическую энергию.

При чтении схем и расчетов используются следующие термины: контур, узел и ветвь.

• Ответвление – это участок с одним или несколькими последовательно соединенными компонентами.
• Узел представляет собой соединение между двумя или более ветвями.
• Цепь представляет собой набор ветвей, которые образуют замкнутый путь для тока. При этом один из узлов контура должен быть и началом, и концом пути, а остальные узлы не должны встречаться более одного раза.

Для облегчения чтения диаграмм можно использовать следующую таблицу:

Условные обозначения источников электрической энергии и элементов цепей

Химические источники энергии включают гальванические элементы и батареи. В них заряды переносятся в результате химических реакций. При этом в гальваническом элементе реагенты расходуются необратимо, а в аккумуляторе их можно восстановить, пропуская через аккумулятор электрический ток в обратном направлении от других источников.

Источники электрической энергии относятся к группе активных элементов электрических устройств. Если Ro=0 и электродвижущая сила (ЭДС) E=const, то источник называется идеальным. Батарея по своим параметрам близка к идеальному источнику ЭДС.

В группу пассивных элементов входят: активное сопротивление R, индуктивность L и емкость С.

В электрических устройствах одновременно происходят три энергетических процесса:

1 В активном сопротивлении, согласно закону Джоуля-Ленца, электрическая энергия превращается в тепловую.

Мощность по определению равна отношению между работой и интервалом времени, за который эта работа совершается. Отсюда сила тока для участка цепи

p = A/t = ui

Полная мощность, вырабатываемая генератором, равна

где R — полное сопротивление замкнутой цепи, называемой омической или активной;

P, I — мощность и ток в цепи постоянного тока.

р, и, и — мгновенные значения активной мощности, тока и напряжения в цепи переменного тока,

g — активная проводимость или обратная величина сопротивления g = 1/R измеряется в сименсах (См).

В соответствии с Законом об энергосбережении работа является мерой изменения различных видов энергии. Так, в электродвигателе за счет работы тока возникает механическая энергия, происходят химические реакции и т д. На резисторах происходит необратимое преобразование энергии электрического тока во внутреннюю энергию проводника.

Если в проводнике под действием тока не происходят химические реакции, температуру проводника необходимо изменить. Изменение внутренней энергии проводника (количества теплоты) Q равно работе А, которую совершает полное поле при перемещении зарядов:

Q=A=выход

Используя закон Ома, получаем два эквивалентных выражения:

Если нужно сравнить два резистора по характеру протекающих в них тепловых процессов, то надо сначала выяснить: через них течет одинаковый ток или они находятся под одним и тем же напряжением?

Если через два резистора текут одинаковые токи, то по формуле
при этом внутренняя энергия резистора с большим сопротивлением возрастает больше. С таким случаем мы сталкиваемся, например, в схеме с последовательным соединением резисторов.

Последнее обстоятельство следует учитывать при подключении к сети нагрузки (электроплиты, утюга, электродвигателя и так далее). При этом сопротивление питающих линий должно быть значительно меньше сопротивления нагрузки. При несоблюдении этого условия в проводах будет выделяться большое количество тепла, что может привести к пожару.

Если оба резистора находятся под одинаковым напряжением, то по формуле
резистор с меньшим сопротивлением будет нагреваться быстрее. В частности, такой эффект наблюдается при параллельном соединении резисторов.

Термин «сопротивление» используется для обозначения элемента в электрической цепи и для количественной оценки значения R.

Сопротивление измеряется в омах (Ом). 1 Ом — сопротивление проводника, сила тока которого равна 1 А, если на концах поддерживается разность потенциалов 1 В:

1 Ом = 1 В/1 А

Электрическое сопротивление R материалов изменяется с температурой. Сопротивление металлических проводников линейно возрастает с температурой. В полупроводниках и электролитах с повышением температуры удельное сопротивление уменьшается, причем нелинейно.

Для сравнения проводников по степени зависимости их сопротивления от температуры t вводят величину а, называемую температурным коэффициентом сопротивления. Отсюда

Для практических расчетов в электрических цепях значение R можно принять постоянным. В этом случае зависимость напряжения на резисторе R от силы тока (вольт-амперной характеристики) будем называть линейной. Электрические цепи, включающие резисторы постоянной величины, также будут линейными.

Режимы работы цепи

По показателям нагрузки различают такие режимы работы схемы: номинальный, холостой, замыкающий и согласующий.

При номинальной работе система соответствует характеристикам, указанным в паспорте оборудования. Отсутствие нагрузки образуется в случае разомкнутой цепи. Этот режим работы относится к аварийному. Электрическая цепь в режиме короткого замыкания имеет сопротивление, равное нулю. Это тоже аварийный режим.

Координация характеризуется движением наибольшей силы от источника энергии к ведущему. В этом режиме нагрузка равна сопротивлению источника тока.

Ознакомившись с основными характеристиками и видами такой системы, как электрическая цепь, становится возможным понять принцип работы любого электрооборудования. Эта системная операционная единица применима ко всем бытовым электроприборам.

Используя полученные знания, вы сможете понять причину выхода оборудования из строя или оценить его правильную работу в соответствии с техническими характеристиками, заявленными производителем.

Законы электрических цепей

Закон Ома

Пусть это будет однородный участок цепи — это может быть кусок металла постоянного сечения, где все точки имеют одинаковую температуру, и пусть на концах этого проводника поддерживается постоянная разность потенциалов U по закону Ома , в однородном участке цепи ток пропорционален разности потенциалов на концах участка:

У=ИК, И=У/Р, Р=У/И

Существуют участки цепи, где зависимость силы тока от разности потенциалов на их концах носит нелинейный характер. В этом случае рассмотрим среднее значение сопротивления:

Переходя к пределу, считая Di->0, получаем динамическое сопротивление:

Первый закон Кирхгофа — закон баланса токов в узле

Реальные электрические цепи включают в себя комбинации последовательно и параллельно соединенных нагрузок и генераторов.

Можно рассчитать разности потенциалов на всех участках цепи и силы токов в них, а также электродвижущие силы источников тока, включенных в эту цепь, используя закон Ома и закон сохранения заряда. Но для упрощения расчетов Г. Кирхгоф предложил два простых правила, которые нашли широкое применение в электротехнике.

Первый из них относится к узлам ответвления цепи, где токи сходятся и от которых расходятся. Подходящие к узлу токи считались положительными, а отходящие от узла отрицательными. При этом в каждой точке разветвления проводов алгебраическая сумма всех токов равна нулю (первый закон Кирхгофа):

Электрический заряд в узле не накапливается.

Второй закон Кирхгофа

Алгебраическая сумма ЭДС источников тока в любой цепи равна алгебраической сумме падений напряжения на элементах этой цепи:

Второй закон по существу является следствием закона Ома для неоднородного участка цепи.

Закон Джоуля — Ленца

Количество теплоты, выделяемое проводником с током I при сопротивлении R, прямо пропорционально произведению квадрата силы тока, сопротивления и времени прохождения тока:

Электрическая цепь и ее элементы

Теория > Физика 8 класс > Электрические явления

Электрическая цепь – это совокупность устройств, предназначенных для передачи электрического тока. Цепь образуют источники энергии (генераторы), потребители энергии (нагрузки), системы передачи энергии (провода).
Электрическая цепь – это совокупность устройств и объектов, образующих путь для электрического тока. Его задача — передать энергию устройству и обеспечить необходимый режим работы.

Простейшая электроустановка состоит из источника (гальванический элемент, батарея, генератор и т д.), потребителей или приемников электрической энергии (лампы накаливания, электронагреватели, электродвигатели и т д.) и соединительных проводов, соединяющих клеммы источника напряжения с терминалы потребителя.

Электрическая цепь делится на внутреннюю и внешнюю части.
Источник электрической энергии относится к внутренней части электрической цепи. Источниками тока в цепи являются гальванические элементы, электрические батареи, электромеханические генераторы, термоэлектрические генераторы, фотоэлементы и др. в современной технике в качестве источников энергии используются в основном электрические генераторы.

Внешняя часть схемы включает в себя потребители энергии и вспомогательные элементы.
Потребители энергии преобразуют электрическую энергию в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую и т д.) К ним относятся: электродвигатели, отопительные и осветительные приборы и т д.

В качестве вспомогательного оборудования в электрическую цепь входят устройства включения и выключения (например, рубильники), приборы для измерения электрических величин (например, амперметры и вольтметры), устройства защиты (например, предохранители).

Электрический ток может протекать только по замкнутой электрической цепи. Разомкнутая цепь в любом месте приводит к остановке электрического тока.

Чтобы облегчить анализ и расчет электрической цепи, ее изображают в виде схемы. Он содержит символы элементов, а также методы соединения.
Ниже приведены некоторые элементы электрической схемы:

А теперь посмотрим, как используются эти обозначения при рисовании диаграммы:

Упражнение 1. Нарисуйте в тетради схему последовательного соединения электропотребителей из 2-х лампочек.

Упражнение 2. Нарисуйте в тетради схему параллельного соединения электропотребителей от 2-х лампочек

Виды электрических цепей

Неразветвлённые и разветвлённые электрические цепи

Рисунок 1 – Разветвленная цепь

Электрические цепи делятся на неразветвленные и разветвленные. Один и тот же ток течет во всех элементах неразветвленной цепи. Простейшая разветвленная цепь показана на рис. 1. Она имеет три ветви и два узла. Каждая ветка имеет свой ток.

Ветвь можно определить как участок цепи, образованный последовательно соединенными элементами (по которым протекает один и тот же ток) и заключенный между двумя узлами. В свою очередь, узел — это точка цепи, в которой сходятся не менее трех ветвей.

Если точка поставлена ​​на пересечении двух линий на электрической цепи (рис. 1), то электрическая связь между двумя линиями в этом месте есть, в противном случае ее нет. Узел, в котором сходятся две ветви, одна из которых является продолжением другой, называется подвижным или вырожденным узлом.

Линейные и нелинейные электрические цепи

Линейная электрическая цепь — это цепь, в которой все компоненты линейны. Линейные компоненты включают зависимые и независимые идеализированные источники тока и напряжения, резисторы (которые подчиняются закону Ома) и все другие компоненты, описываемые линейными дифференциальными уравнениями, наиболее известными из которых являются электрические конденсаторы и катушки индуктивности.

Если цепь содержит компоненты, отличные от перечисленных, она называется нелинейной.

Изображение электрической цепи с помощью символов называется электрической цепью. Функция зависимости тока, протекающего через двухполюсный компонент, от напряжения на этом компоненте называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ).

Часто ВАХ изображают графически в декартовых координатах. При этом по оси абсцисс графика обычно откладывают напряжение, а по оси ординат — ток.

В частности, линейными называются омические резисторы, ВАХ которых описывается линейной функцией и представляют собой прямые линии на графике ВАХ.

Примерами линейных (обычно в очень хорошем приближении) цепей являются цепи, содержащие только резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности без ферромагнитных сердечников.

Некоторые нелинейные цепи можно приближенно описать как линейные, если изменение приращений токов или напряжений на компоненте невелико, при этом нелинейная ВАХ такого компонента заменяется линейной (касательной к ВАХ при пункт операции).

Этот подход называется «линеаризацией». В этом случае к схеме можно применить мощный математический аппарат анализа линейных цепей. Примерами таких нелинейных схем, анализируемых как линейные, являются практически все электронные устройства, работающие в линейном режиме и содержащие нелинейные активные и пассивные компоненты (усилители, генераторы и т д.).

Виды цепей

Для успешного использования электрических цепей необходимо иметь представление о том, какая электрическая цепь называется замкнутой и разомкнутой.

Замкнутая цепь представляет собой непрерывную цепь, состоящую из электрических устройств и проводников. Как только оно прерывается, оно становится открытым. В таком состоянии он не способен проводить ток, хотя в нем может быть напряжение, так как в нем появляется диэлектрик

. В качестве такого диэлектрика в подавляющем большинстве случаев выступает обычный атмосферный воздух. По этому принципу созданы устройства для размыкания – выключатели, рубильники, предохранители, кнопки.

Неразветвленная цепь – это электрическая цепь, состоящая из источника и последовательно соединенных элементов. Важнейшей особенностью здесь является то, что на всех участках ток имеет одинаковое значение. Разветвленный – имеет в своем составе один или несколько параллельно соединенных компонентов.

Каждый может иметь несколько классификаций и названий одновременно:

• мощность — называют подключение устройств, необходимых для производства, передачи электроэнергии, преобразования или потребления;
• вспомогательная — имеющая различные функциональные назначения, но не силовая;
• измерение – называют необходимым записывать параметры сети и входящих в нее устройств;
• управление – называют его активационными узлами или меняют их параметры в зависимости от общего назначения;
• сигнализирующими называются сигнализирующие устройства, которые приводят в действие и указывают на наличие тех или иных изменений.

Простейшей электрической цепью является источник, соединенный проводниками с потребителем электроэнергии, а простой называется любая одиночная цепь. Сложные цепи – это те, которые состоят из двух и более цепей. Они, в свою очередь, делятся на многоузловые, многоконтурные, объемные и плоскостные.

Читайте также: Расчет заземления – Онлайн калькулятор

Основные компоненты

Инвентаризация электрического тока

Все компоненты цепи участвуют в одном электромагнитном процессе. Условно их делят на три группы.

• Первичные источники электрической энергии и сигналов могут преобразовывать неэлектромагнитную энергию в электрическую. Например, гальванический элемент, аккумулятор, электромеханический генератор.
• Вторичный тип как на входе, так и на выходе имеет электрическую энергию. Меняются только параметры — напряжение и ток, их форма, размер и частота. Примером могут быть выпрямители, инверторы, трансформаторы.
• Потребители активной энергии преобразуют электрический ток в освещение или тепло. Это электротермические приборы, лампы, резисторы, электродвигатели.
• К вспомогательным компонентам относятся блоки коммутации, измерительные блоки, соединительные элементы и проводка.

Основой электрической сети является схема. Это графический рисунок, который содержит условные изображения и обозначения элементов и их соединения. Выполняются по ГОСТ 2.721-74 — 2.758-81

В схему простейшей линии входит гальванический элемент. С помощью проводов к нему через выключатель подключается лампа накаливания. Вольтметр и амперметр включены для измерения силы тока и напряжения.

Трехфазные электрические цепи

Трехфазная схема в работе

Среди электрических цепей распространены как однофазные, так и многофазные системы. Каждая часть многофазной цепи характеризуется одним и тем же значением тока и называется фазой. В электротехнике различают два понятия этого термина. Первый является непосредственным компонентом трехфазной системы. Второе значение изменяется синусоидально.

Трехфазная цепь — одна из многофазных систем переменного тока, в которой действуют синусоидальные ЭДС (электродвижущая сила) одной частоты, сдвинутые во времени относительно друг друга на определенный фазовый угол. Он образован обмотками трехфазного генератора, тремя токоприемниками и соединительными проводами.

Такие схемы служат для обеспечения выработки электрической энергии, для передачи, распределения и имеют следующие преимущества:

• экономичность производства и транспортировки электроэнергии по сравнению с однофазной системой;
• простая генерация магнитного поля, необходимого для работы трехфазного асинхронного электродвигателя;
• одна и та же генераторная установка выдает два рабочих напряжения – линейное и фазное.

Что называется электрической цепью

ЭК представляет собой комплекс элементов, с помощью которых создается, передается и потребляется электрическая энергия. Эти элементы, или секции, содержат источники электрической энергии, а также промежуточные устройства и проводники между ними, обеспечивающие непрерывность соединений.

Как по другому называется электрическая цепь

Источники электрической энергии – это устройства, вырабатывающие электричество посредством физических, химических или световых преобразований.

Важно! Приемники электроэнергии – это устройства, работа которых напрямую зависит от активности источника. Промежуточные элементы с функциональными узлами служат для передачи электрической энергии от источников к приемникам

В зависимости от назначения они передают энергию напрямую с определенными параметрами источника

Промежуточные элементы с функциональными узлами служат для передачи электрической энергии от источников к приемникам. В зависимости от назначения они передают энергию напрямую с определенными параметрами источника.

Обозначения элементов на схеме

Прежде чем приступить к установке оборудования, необходимо изучить нормативные сопроводительные документы. Схема позволяет донести до пользователя полные характеристики изделия посредством буквенно-графических обозначений, внесенных в единый реестр конструкторской документации.

К чертежу прилагаются дополнительные документы. Их список можно вносить в алфавитном порядке с числовой сортировкой на самом чертеже, либо на отдельном листе. Классифицируются десять типов цепей; в электротехнике обычно используют три основные схемы.

• Функционал имеет минимум деталей. Основные функции узлов представлены прямоугольником с буквенными обозначениями.
• На принципиальной схеме подробно показана конструкция используемых элементов, а также их соединения и контакты. Необходимые параметры могут быть отображены непосредственно на схеме или в отдельном документе. Если указана только часть установки — это однолинейная схема, когда указаны все элементы — полная.
• На схеме подключения используются позиционные обозначения элементов, их расположение, способ установки и последовательность.

Переключатель на схеме выглядит как круг с линией, наклоненной вправо. Параметры блока определяются типом и количеством линий.

Энергия электрического поля

Рассмотрим систему с двумя проводниками, на которых заряды распределены одинаково по величине, но противоположны по знаку. Опыт показывает, что разность потенциалов между этими проводниками пропорциональна модулю заряда: U = q/C, где C — постоянный коэффициент, определяемый в общем случае размерами проводников, их формой и расположением в пространстве, а также диэлектрическая проницаемость среды, в которую помещены проводники.

Величина С, равная отношению между зарядом системы проводников и разностью потенциалов между ними, называется электрической емкостью (сокращенно электрической емкостью) этого система проводников:

С = кв/U

Единицей электрической емкости является кулон на вольт (C/V). В честь М. Фарадея эта единица была названа фарад (Ф): 1 Ф = 1 Кл/В.

Советуем изучить — Бесконтактные датчики положения механизмов

Система из двух изолированных друг от друга металлических проводников, между которыми находится диэлектрик, называется конденсатором.

Накопление энергии в электрическом поле конденсатора

куда

— заряд, Кл;

— напряжение, В;

— электрическая емкость конденсатора, Ф.

При изменении исходного напряжения в цепи конденсатора происходит перераспределение зарядов на обкладках, что приводит к возникновению тока в цепи:

Мощность конденсатора положительна, когда он заряжен, и отрицательна, когда конденсатор разряжен.

Если напряжение увеличивается, то i>0. Это означает, что ток и напряжение совпадают по направлению, энергия электрического поля в конденсаторе увеличивается.

Когда напряжение падает, падает и ток, энергия возвращается к источнику.

Величины R(OM), L(H), S(F) зависят от характеристик самого устройства, его конструкции и являются параметрами этого устройства.

Энергия электромагнитного поля

Опыт показывает, что в цепи с двумя электрическими лампами, соленоидом и реостатом при выключении источника питания некоторое время протекает электрический ток, который со временем уменьшается от некоторого начального значения до нуля.

Вместе с током, как известно, исчезает и магнитное поле тока. Поскольку других источников энергии для поддержания электрического тока в цепи нет, остается предположить, что само магнитное поле имеет энергию. Найдем начальную энергию W магнитного поля, считая, что она используется для наведения e ds и тока самоиндукции в цепи по мере уменьшения магнитного потока от начального значения до нуля.

Бесконечно малое изменение энергии поля равно элементарной работе тока в цепи:

Но eh ds самоиндукция, а сила тока в = dQ/dt. Отсюда

dW = — Лиди

Знак минус указывает на то, что энергия поля уменьшается. Интегрируя это выражение, находим

куда

— флюсовая муфта;

— индуктивность или коэффициент пропорциональности между током и потокосцеплением;

это ток через катушку.

Потокосцепление собственной индуктивности y цепи представляет собой сумму произведений магнитных потоков, обусловленных только током в этой цепи, и числа витков, с которыми они связаны.

Если все витки пронизаны одним и тем же магнитным потоком Ф, то потокосцепление равно произведению магнитного потока на число витков y=Фw, причем w = nI, где I — длина соленоида, n — плотность обмотки.

В системе СИ потокосцепление измеряется в веберах, индуктивность — в генри.

Генри — индуктивность соленоида, где ток в 1 А создает магнитный поток в 1 Вб.

Зависимость потокосцепления от тока может быть постоянной (линейная зависимость) или нелинейной.

При изменении тока изменяется потокосцепление и в катушке индуцируется ЭДС самоиндукции:

Знак минус указывает на то, что ЭДС противодействует изменению тока в цепи.

Напряжение и мощность индуктора равны:

Ток может быть как положительным (при намагничивании), так и отрицательным (при размагничивании).

При увеличении тока направления тока и напряжения совпадают, а энергия магнитного поля запасается в индуктивности.

При уменьшении тока направления тока и напряжения не совпадают, энергия магнитного поля в индуктивности уменьшается, возвращаясь к источнику.

Явление самоиндукции можно наблюдать экспериментально, собрав цепь с источником постоянного тока и двумя параллельными ветвями (см рисунок выше). Одна ветвь состоит из электрической лампы Л1 и реостата Р, другая — из такой же электрической лампы Л2 и соленоида. С помощью реостата в обеих ветвях устанавливается одинаковый постоянный ток.

После включения выключателя видно, что лампа Л2 начинает загораться позже, чем лампа Л1. Это объясняется тем, что в соленоиде индуцируется ds самоиндукция ep, которая некоторое время препятствует увеличению силы тока. Для разных соленоидов время нарастания тока оказывается разным, так как вокруг каждого из них образуются магнитные потоки разной величины, вызывающие разную eg ds самоиндукцию.

Физические величины, характеризующие цепь

Есть несколько величин, которые могут описать любую электрическую цепь. Наиболее важными являются:

1. Напряжение — U (измеряется в вольтах (В)).
2. Сила тока — I (измеряется в амперах (А)).
3. Сопротивление — R (измеряется в омах (Ом)).
4. Мощность — P (измеряется в ваттах (Вт)).
5. Емкость — C (измеряется в фарадах (F).

знание формул позволяет выполнять практические расчеты. Например, сопротивление резистора зависит не только от тока, но и от напряжения. Формула, отражающая это, называется законом Ома для участка цепи и выглядит так:

I=U/R, где

• I — сила тока;
• U — напряжение;
• R — сопротивление.

Если резистор имеет постоянное сопротивление независимо от того, какой ток проходит через него, он называется «линейным элементом».

При протекании тока через резистор сопротивление увеличивается за счет увеличения колебаний на молекулярном уровне кристаллической решетки проводника. Колебания нарушают движение электронов, и в результате энергия тратится впустую. Чтобы резистор не перегорел в цепи, последовательно с ним часто устанавливают предохранитель.

Он содержит внутри плавкий проводник, предназначенный для перегорания при превышении параметров. Размыканием предохранитель предохраняет всю цепь от повреждения и иногда экономит часы при ремонте, так как проще заменить предохранитель, чем искать неисправный компонент среди десятков таких же.