Электрическая цепь

Составные части

Любая электрическая цепь имеет следующие базовые элементы: источник тока, потребители тока, соединительные провода. Потребители тока могут состоять из более мелких элементов второго уровня, каждый из которых имеет свое наименование, функцию и параметры.

Для удобства электрические цепи изображают в виде графических схем, в которых используются общепринятые условные символы различных элементов. Обозначения элементов электрических цепей имеют интернациональный характер, классифицированы и систематизированы.

Рис. 1. Обозначения базовых элементов электрических схем:.

Участок — электрическая цепь

Сопротивлением какого-либо участка электрической цепи называют отношение напряжения на этом участке цепи к току этого участка.
 

Сопротивлением какого-либо участка электрической цепи называют отношение напряжения на этом участке цепи к току, проходящему через этот участок.
 

Напряжение между концами участка электрической цепи — разность потенциалов, вызывающая прохождение тока через сопротивление этого участка цепи.
 

Ом равен электрическому сопротивлению участка электрической цепи, при котором постоянный ток силой 1 А вызывает падение напряжения 1 В.
 

Схема распределения.| Распределение кольцевых магнитных.

Известно, что вокруг участка электрической цепи при протекании через него тока возникает магнитное поле, которое, взаимодействуя с током В пооволнике. Дуга ( катодная зона, столб и анодная зона) представ ляет собой участок цепи, в котором действие электромагнитных сил проявляется наиболее сильно, поскольку она состоит и; жидких и газообразных элементов.
 

На рис. 37.1, а изображен участок электрической цепи. Здесь У — электродвижущая сила, она направлена направо; R и R2 — сопротивления; г — внутреннее сопротивление источника ЭДС; Фл и ФБ — потенциалы на концах заданного участка цепи. Ток по участку течет слева направо. Требуется найти силу I этого тока.
 

На рис. 4 — 64 изображен участок электрической цепи.
 

Содержание заданий ( вопросов и наводящих сообщений для обучения методу уравнений Кирхгофа.

Напоминаем, что ветвь — это участок электрической цепи, вдоль которого протекает один и тот же ток. Введите повторно число неизвестных токов.
 

На рис. 37.1, а изображен участок электрической цепи.
 

Априорные данные об исследуемом объекте: участок электрической цепи представляет собой соединение нескольких резисторов, имеющих стабильное сопротивление; ток в цепи — по-стоянный. Предполагаемое падение напряжения на участке цепи & остоянно и не превышает 1 5 В.
 

На рис. 3 — 1 показан участок АВ электрической цепи и дан пример зависимости i F ( t) для периодического тока. Стрелка на схеме указывает положительное направление тока. Отрезки кривой между точками а и b или О и с охватывают один полный цикл изменения тока за один период.
 

Отсюда следует, что электрическое сопротивление участка электрической цепи — величина, численно равная отношению напряжения на концах этого участка к силе тока в нем.
 

Единица электрического сопротивления СГС равна сопротивлению участка электрической цепи, при котором постоянный ток силой 1 ед.
 

Элементы электрических цепей

Все элементы электрических цепей можно разделить на активные и пассивные. Активные элементы цепи – это те элементы, которые индуцируют ЭДС. К ним относятся источники тока, аккумуляторы, электродвигатели. Пассивные элементы – соединительные провода и электроприемники.

Приемники и источники тока, с точки зрения топологии цепей, являются двухполюсными элементами (двухполюсниками). Для их работы необходимо два полюса, через которые они передают или принимают электрическую энергию. Устройства, по которым ток идет от источника к приемнику, являются четырехполюсниками. Чтобы передать энергию от одного двухполюсника к другому им необходимо минимум 4 контакта, соответственно для приема и передачи.

Резисторы – элементы электрической цепи, которые обладают сопротивлением. Вообще, все элементы реальных цепей, вплоть до самого маленького соединительного провода, имеют сопротивление. Однако в большинстве случаев этим можно пренебречь и при расчете считать элементы электрической цепи идеальными.

Существуют условные обозначения для изображения элементов цепи на схемах.

Кстати, подробнее про силу тока, напряжение, сопротивление и закон Ома для элементов электрической цепи читайте в отдельной статье.

Вольт-амперная характеристика – фундаментальная характеристика элементов цепи. Это зависимость напряжения на зажимах элемента от тока, который проходит через него. Если вольт-амперная характеристика представляет собой прямую линию, то говорят, что элемент линейный. Цепь, состоящая из линейных элементов – линейная электрическая цепь. Нелинейная электрическая цепь – такая цепь, сопротивление участков которой зависит от значений и направления токов.

Какие есть способы соединения элементов электрической цепи? Какой бы сложной ни была схема, элементы в ней соединены либо последовательно, либо параллельно.

При решении задач и анализе схем используют следующие понятия:

Чтобы понять, что есть что, взглянем на рисунок:

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Схема электрической цепи – применение и классификация.

Так как через них протекает ток, т. Значит, они являются пассивными потребителями, и имеют нелинейные свойства пропускания тока.
Например, контуры резонанса, состоящие из катушек и емкостей, применяют в виде фильтров для разной частоты волн.
Законы Кирхгофа. Этот элемент цепи начинает выдавать энергию в цепь. Согласованный режим источника питания и внешней цепи возникает в том случае, когда сопротивление внешней цепи равно внутреннему сопротивлению.
Однако, три главных показателя есть у всех устройств — это напряжение, мощность и номинальный ток. Элементы на схеме электрической цепи и в самой цепи можно соединить двумя способами — последовательно и параллельно. Схема электрической цепи.
В электронике существует множество разнообразных потребителей, которые можно разделить на классы: Активные потребители. В ней имеются три ветви и два узла. Элементами электрической цепи являются различные электротехнические устройства, которые могут работать в различных режимах. Параллельное соединение двух проводников: точки а и b — узлы Обозначим сопротивления параллельно соединенных двух проводников R1 и R2.

«Участок электрической цепи» в книгах

Из формулы видно, что если ток, напряжение и э. В этом режиме свойства близки к величинам, указанным на компоненте, или в инструкции.

Электрическая цепь и ее элементы В электрической цепи должен быть источник движения электрически заряженных частиц, которое и называется электрическим током. Пассивные потребители не нуждаются во внешнем источнике питания.

Существуют и другие их виды. Все компоненты электрических цепей также имеют эти показатели. Работа и мощность в цепи постоянного тока. Последовательное включение источников питания источников ЭДС применяется тогда, когда требуется создать напряжение требуемой величины, а рабочий ток в цепи меньше или равен номинальному току одного источника ЭДС рис.
Физика 8 класс: Электрическая цепь

Основные понятия закона Ома

Как понять закон Ома? Нужно просто разобраться в том, что есть что в его определении. И начать следует с определения силы тока, напряжения и сопротивления.

Сила тока I

Пусть в каком-то проводнике течет ток. То есть, происходит направленное движение заряженных частиц – допустим, это электроны. Каждый электрон обладает элементарным электрическим зарядом (e= -1,60217662 × 10-19 Кулона). В таком случае через некоторую поверхность за определенный промежуток времени пройдет конкретный электрический заряд, равный сумме всех зарядов протекших электронов.

Отношение заряда к времени и называется силой тока. Чем больший заряд проходит через проводник за определенное время, тем больше сила тока. Сила тока измеряется в Амперах.

Напряжение U, или разность потенциалов

Это как раз та штука, которая заставляет электроны двигаться. Электрический потенциал характеризует способность поля совершать работу по переносу заряда из одной точки в другую. Так, между двумя точками проводника существует разность потенциалов, и электрическое поле совершает работу по переносу заряда.

Физическая величина, равная работе эффективного электрического поля при переносе электрического заряда, и называется напряжением. Измеряется в Вольтах. Один Вольт – это напряжение, которое при перемещении заряда в 1 Кл совершает работу, равную 1 Джоуль.

Сопротивление R

Ток, как известно, течет в проводнике. Пусть это будет какой-нибудь провод. Двигаясь по проводу под действием поля, электроны сталкиваются с атомами провода, проводник греется, атомы в кристаллической решетке начинают колебаться, создавая электронам еще больше проблем для передвижения. Именно это явление и называется сопротивлением. Оно зависит от температуры, материала, сечения проводника и измеряется в Омах.

Памятник Георгу Симону Ому

Определение

Ток – это течение или движение чего-либо. Отсюда можно сделать следующее определение.

Электрический ток – это направленное движение заряженных частиц (носителей электрического заряда) в веществе или вакууме.

В преимущественном большинстве носителями электрического заряда служат электроны, например в металлах. Гораздо реже – ионы, например в газах.

Обычно электрический ток происходит в металлах – проводах. Провода изготавливаются из алюминия, меди, серебра, золота и сплавов этих металлов в различных вариациях.

При этом скорость движения свободных электронов очень маленькая, не более 1 миллиметра в секунду. При этом скорость распространения электрического тока довольно велика – она почти равна скорости света. Поэтому когда мы щелкаем выключателем, свет зажигается мгновенно.

Эту скорость электронам придает источник электрической энергии. Благодаря источнику в проводнике (пусть это будет провод) создается электрическое поля, благодаря которому скорость электронов сильно увеличивается.

При этом должна быть создана электрическая цепь. Например, простая электрическая цепь состоит из:

• источника — например батарейки;
• проводника — например провода;
• потребителя — например лампочки;
• замыкателя — например выключателя.

Но это я забегаю веред, давайте обо всем по порядку. Начнем с источника.

Трехфазные электрические цепи

Трехфазная цепь в рабочем режиме

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

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

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

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

Источник электрического тока

Самым простым и общеизвестным источником электрического тока является аккумулятор, в уменьшенном виде аккумуляторная или простая батарейка. Это источники постоянного тока. У этих источников есть плюса.

Есть положительный полюс, который обозначается знаком плюс (+). И отрицательный полюс который обозначается знаком минус (-).

Если полюса соединить с потребителем электрического тока, например лампочкой с помощью проводника (проводов), то  электрический ток начнет движение в определенном направлении (под действием электрического поля) и лампочка загорится.

Ток течет от плюса к минусу, хотя обычно принято говорить что наоборот

Но, на начальном этапе это не столь важно

Какие бывают источники электрического тока, выделим три основных:

1. Гальванический источник – батарейка или аккумулятор.
2. Термический источник или термоэлемент, в таком элементе электрический ток появляется при повышении температуры.
3. Фотоэлемент – электричество появляется при воздействии излучения.

Гальванический элемент

Выше я привел обозначение гальванического элемента на схеме. Гальванический элемент это такое устройство, в котором происходят химические реакции. При этих реакциях выделяется энергия, которая превращается в электрическую энергию.

Гальваническими элементами можно считать батарейку и аккумулятор. Суть этих элементов такова.

Есть два металлических элемента, один из них анод (например, цинк) и катод (например, медь). Эти элементы помещены в определенную среду (электролит). Причем не важен форм-фактор этих элементов. Это может быть цинковая пластина и угольный стрежень, или две пластины, не суть.

Изображение из Википедии https://ru.wikipedia.org/

Катод и анод имеют разные заряды, положительный и отрицательный. В результате разных зарядов в электролите начинается движение электронов, то есть появляется электрическое поле, благодаря которому образуется электрический ток.

Со временем происходящие в гальваническом элементе реакции ослабевают, и поэтому приходится покупать новую батарейку или заряжать автомобильный (например) аккумулятор.

Остальные элементы (источники) в данной статье я не рассматриваю. Надеюсь что в целом все понятно. Перейдем к проводнику.

Проводник электрического тока

Проводник это неотъемлемая часть электрической цепи. Он служит для передачи электрического тока от источника к потребителю (приемнику).

Как вы уже знаете проводник обычно это металл. Провода электрического тока в наших квартирах это, обычно, медные или алюминиевые проводники. Как же происходит движение электричества в металле?

Металлы в твердом состоянии имеют кристаллическую решетку. В этой решетке расположены положительно заряженные ионы, а между ними движутся отрицательно заряженные электроны. Отрицательный заряд электронов (всех) равен положительному заряду электронов (всех). Поэтому в своем обычном состоянии провода не баются током.

Кристаллическая решетка металла

Электроны в металле, как и во многих других средах, движутся беспорядочно. Но если мы соединяем источник и потребитель с помощью провода, то от источника на металл начинает действовать электрическое поле и электроны начинают двигаться быстрее и в определенном направлении.

Некоторое беспорядочное движение электронов присутствует,  но это движение можно сравнить с перемещением частиц воздуха в автомобиле, который едет с большой скоростью.

При этом электрический ток происходит по всему проводу (проводнику) который подключен к источнику электрического тока.

Потребитель электрического тока

Приемник или потребитель электрического тока это то, что потребляет ток для какой-либо работы.

Например, лампочка потребляет электрический ток для освещения, обогреватель для повышения окружающей температуры, электрооборудование для выполнения различной работы.

Без потребителя в цепи произойдет замыкание, о нем я расскажу в следующих материалах настоящего самоучителя электрика.

На потребителях не будем останавливаться подробно, тут все в целом должно быть понятно – все то, что для выполнения своей работы нуждается в электрическом токе, можно называть потребителем.

Современный чайник является хорошим примером потребителя электрического тока.

Замыкатель электрической цепи

Замыкателем электрического тока выступает любое устройство, которое замыкает и размыкает электрическую цепь.

Что бы загорелась лампочка нужно щелкнуть выключателем. Что бы чайник начал нагревать воду воду нужно щелкнуть выключателем. Все это замыкатели электрической цепи.

Лекция № 5 — Основные определения для цепей постоянного тока

Электрическая цепь совокупность устройств и объектов, образующих путь для электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий об ЭДС, токе и напряжении.

Электрическая схема графическое изображение электрической цепи, содержащее условные обозначения её элементов и способы их соединения.

Участок электрической цепи — часть электрической цепи, содержащая выделенную совокупность ее элементов.

Электрическая цепь состоит из отдельных частей (объектов), выполняющих определенные функции и называемых элементами цепи .

Основными элементами цепи являются источники и приемники электрической энергии (сигналов).

Э лектротехнические устройства, производящие электрическую энергию, называются генераторами или источниками электрической энергии .

Э лектротехнические устройства, потребляющие электрическую энергию называются приемниками (потребителями) электрической энергии.

Ветвью называется участок электрической цепи, по которому протекает однин и тот же ток. Ветвь образуется одним или несколькими последовательно соединенными элементами цепи(т.е. ветвь должна содержать хотя бы один элемент).

Узел — место соединения трех и более ветвей.

В качестве примера на рисунке изображены схемы двух электрических цепей.

Первая из них содержит 6 ветвей и 4 узла.

Вторая состоит из 5 ветвей и 3 узлов

В этой схеме обратите внимание на нижний узел. Очень часто допускают ошибку, считая что там 2 узла электрической цепи, мотивируя это наличием на схеме цепи в нижней части 2-х точек соединения проводников

Однако на практике следует считать две и более точки, соединенных между собой проводником, как один узел электрической цепи.

При обходе по соединенным в ветвях цепям можно получить замкнутый контур электрической цепи.

Каждый контур представляет собой замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям, при этом каждый узел встречается в данном контуре не более одного раза.

Ниже приведена электрическая схема, на которой отмечено несколько произвольно выбранных контуров.

Всего для данной цепи можно выделить 6 замкнутых контуров.

У каждого элемента цепи можно выделить определенное число зажимов (полюсов), с помощью которых он соединяется с другими элементами. Различают двух –и многополюсные элементы. Двухполюсники имеют два зажима. К ним относятся источники энергии (за исключением управляемых и многофазных), резисторы, катушки индуктивности, конденсаторы. Многополюсные элементы – это, например, триоды, трансформаторы, усилители и т.д.

Все элементы электрической цепи условно можно разделить на активные и пассивные. Активным называется элемент, содержащий в своей структуре источник электрической энергии. К пассивным относятся элементы, в которых рассеивается (резисторы) или накапливается (катушка индуктивности и конденсаторы) энергия.

Применение полупроводников в транзисторах

Транзисторы – это электронные устройства, которые управляют потоком электрического тока. Они являются основными строительными блоками современной электроники и находят широкое применение во многих устройствах, от компьютеров до мобильных телефонов. Полупроводники играют ключевую роль в создании транзисторов благодаря своим уникальным свойствам.

Структура полупроводникового транзистора

Полупроводниковые транзисторы состоят из трех основных слоев полупроводникового материала – эмиттера, базы и коллектора. Они имеют структуру, называемую p-n-p или n-p-n переходом, которая позволяет управлять потоком электрического тока.

Структура полупроводникового транзистора включает в себя два p-n перехода, которые разделены тонким слоем базы. Один из переходов является эмиттерным, а другой – коллекторным. База контролирует поток электронов между эмиттером и коллектором, что позволяет управлять током через транзистор.

Принцип работы полупроводникового транзистора

Работа полупроводникового транзистора основана на явлении инжекции носителей заряда через p-n переходы. Когда электрический ток проходит через базу, носители заряда (электроны или дырки) инжектируются из эмиттера в базу и далее в коллектор.

Управление потоком электронов или дырок осуществляется с помощью приложенного напряжения к базе. Когда напряжение на базе изменяется, изменяется и ток, проходящий через транзистор. Это позволяет использовать транзисторы для усиления сигналов или для создания логических элементов в цифровых схемах.

Преимущества полупроводниковых транзисторов

Полупроводниковые транзисторы имеют ряд преимуществ по сравнению с другими типами транзисторов:

• Малые размеры и компактность – полупроводниковые транзисторы могут быть очень маленькими и компактными, что делает их идеальными для интеграции в микрочипы и другие компактные устройства.
• Высокая скорость работы – полупроводниковые транзисторы обладают высокой скоростью переключения, что позволяет им работать на высоких частотах и обрабатывать быстроизменяющиеся сигналы.
• Низкое энергопотребление – полупроводниковые транзисторы потребляют меньше энергии по сравнению с другими типами транзисторов, что делает их энергоэффективными.
• Надежность – полупроводниковые транзисторы имеют длительный срок службы и могут работать без сбоев в течение длительного времени.

Применение полупроводниковых транзисторов

Полупроводниковые транзисторы нашли широкое применение в различных областях:

• Электроника – полупроводниковые транзисторы используются во всех типах электронных устройств, от компьютеров и мобильных телефонов до телевизоров и радиоприемников.
• Коммуникации – полупроводниковые транзисторы используются в передатчиках и приемниках для усиления и обработки сигналов в радиосвязи и сотовой связи.
• Энергетика – полупроводниковые транзисторы используются в системах управления и преобразования энергии, включая солнечные батареи и инверторы.
• Автомобильная промышленность – полупроводниковые транзисторы используются в электронных системах автомобилей, включая системы зажигания, управления двигателем и системы безопасности.

Полупроводниковые транзисторы являются основой современной электроники и имеют широкий спектр применений. Они продолжают развиваться и улучшаться, открывая новые возможности в различных областях.

Основные элементы электроцепи

Любая электрическая цепь состоит из разнородных взаимодействующих объектов и технических устройств, создающих специализированный маршрут для протекания по нему электрического тока. Для понимания и объяснения данных процессов физики используют следующие понятия:

• Напряжение – физическая величина, равная затраченной электрополем энергии, необходимой для перемещения заряда между полюсами, относительно данного заряда;
• Электродвижущая сила – скалярная величина, описывающая функционирование сил неэлектрической природы, присутствующих в переменных или постоянных квазистационарных электроцепях.

Ток – движущийся в определенном направлении поток заряженных частиц.

Все составные части электрической цепи условно подразделяются на 3 группы:

• элементы питания, производящие электрическую энергию;
• «приемники» — устройства, получающие и преобразующие подающееся на них электричество;
• «передатчики» — провода и другие комплектующие, позволяющие добиться необходимого – по уровню и качеству – напряжения.

Короткозамкнутая цепь

Рассмотрим частный случай электрической цепи, в котором источник тока будет подключен сам на себя. Иначе говоря, он будет короткозамкнутым.

В этом случае отсутствует сопротивление внешней цепи и закон Ома для цепи будет выглядеть так:

\(I_{кз}=\frac{ε}{r}\) , где\(I_{кз}\) – ток короткого замыкания (А);\(ε\) – ЭДС источника тока (В);\(r\) – сопротивление источника ЭДС (Ом).

Короткое замыкание — это такой случай соединения проводов, при котором практически весь ток проходит по пустому проводу и возвращается в источник тока. 

Короткое замыкание приводит к сильному нагреву, расплавлению металлов, а иногда и к пожарам. 

К чему может привести авария среди электронов?Если сравнить поток электронов с потоком машин, то ток короткого замыкания – это авария на автодороге. Один поток машин решил влезть в другой. В результате на дороге образовалась авария. Но машины продолжают налетать одна на другую (как в метель в Норильске). При коротком замыкании сила тока будет увеличиваться до тех пор, пока отключающие механизмы не прекратят поступление силы тока.

Теперь, когда мы уже рассмотрели основные характеристики источника тока, можем перейти к мощности и КПД источника тока.