Как элементы электрической цепи обозначают на схемах
Для наглядности способы соединения элементов изображают графически. Такие чертежи называют принципиальными электрическими схемами (рис. 6). Чтобы не рисовать элементы в подробностях, для них придумали упрощенные обозначения.
Пример цепи и ее электрической схемы
Обозначение каждого элемента стандартизировали. Благодаря стандартам, схема цепи, составленная в какой-либо стране, может быть прочитана и воспроизведена в другой части мира.
Обозначения, принятые в странах СНГ и некоторых странах Европы.
Условные обозначения некоторых элементов электрической цепи
Рядом с графическим символом указывают буквенные обозначения. Элементы на схемах принято обозначать латинскими буквами так:
- гальваническую батарею GB или B. В качестве источника тока для компактных электронных устройств часто применяют аккумуляторы, или батарейки;
- выключатель – SA, кнопка — SB; Для кнопок и выключателей иногда используют только одну букву S;
- проводник, обладающий сопротивлением – R;
- соединительные клеммы — буквами XT;
- символом FU — плавкий предохранитель. Он служит для защиты схемы и из строя первым, как только ток превысит определенный порог, указанный на таком предохранителе;
- нагревательный элемент электроплит и других обогревателей — символом EK;
- лампу накаливания – HL или HA;
- разъем вилка-розетка – XS;
- электродвигатель постоянного тока – M;
- электромеханический звонок – HA.
Часто бывает так, что на схемах присутствуют элементы, обозначаемые одинаковыми графическими значками. Чтобы различать их, дополнительно вводят цифровую нумерацию (рис. 8).
Для нескольких одинаковых элементов цепи применяют цифровую нумерацию
Например, первую лампу обозначают HL1, вторую – HL2, и так далее.
Существует еще одно, полезное для составителя схем, правило.
Благодаря такому правилу, одну и ту же схему можно нарисовать различными способами.
Элементы цепи можно передвигать по схеме, если это не нарушает соединений
Логический разбор определений электрической цепи
В определениях, и в полном и кратком, речь идёт о совокупности и соединении элементов (устройств и объектов). Это означает, что не разрозненно, что имеется какое-то сочетание, объединение тех самых элементов. Это говорит нам также о том, что элементы способны к такому соединению. Далее можно сделать вывод, что должны существовать способы и виды таких соединений. Назовём это первым условием определяющим электрическую цепь.
Слова о том, что такое соединение образует пути (контур), в котором может существовать электрический ток — это второе условие определяющее электрическую цепь. Отсюда следует, что возможны такие сочетания элементов, в которых тока быть не может в принципе
Самое важное здесь — это электрический ток, который хотя бы потенциально может осуществится в путях и контуре. Дело в том, что путь тока всегда замкнут, такова его природа. Поэтому путь всегда замкнут и он именуется контуром
Из этого второго условия следует, что существуют пути, которые можно назвать ветвями, и контуры, без которых ток не может образовать замкнутый путь. Отсюда возникает топология электрических цепей. Ток обязательно имеет источник, поэтому как минимум один элемент будет являться источником тока (ЭДС)
Поэтому путь всегда замкнут и он именуется контуром. Из этого второго условия следует, что существуют пути, которые можно назвать ветвями, и контуры, без которых ток не может образовать замкнутый путь. Отсюда возникает топология электрических цепей. Ток обязательно имеет источник, поэтому как минимум один элемент будет являться источником тока (ЭДС).
Остаётся только уточнение из полного определения, где говорится о свойстве совокупности устройств и объектов (элементов). В ней могут происходить электромагнитные процессы, что вполне объяснимо самой природой электрического тока. Там где не может быть потока электричества (ток), не может быть и электромагнитных явлений. Отсюда следует, что наличие электромагнитных процессов говорит нам о существовании тока. Зачем же нужно такое уточнение? Есть такое явление, как электромагнитная волна, которое для краткости можно объяснить как возмущение в электромагнитном поле. Для того, чтобы отмежеваться от волновых явлений, дальше по тексту сказано, что электромагнитные процессы ограничиваются лишь теми, которые описываются с помощью понятий об ЭДС, токе и напряжении. Это фактически третье условие, которое не заметно до тех пор, пока ничего не известно об электромагнитных волнах и излучении.
Чем глубже будут проанализированы логически определения, чем лучше знания слов, образующих определение, тем лучше (глубже) будут поняты эти определения. Такую процедуру можно провести с любыми грамматически верными выражениями, не только с вышеприведёнными.
Способы
Таким образом, для получения переменного тока достаточно вращать в поле постоянного магнита проволочную рамку с подсоединенной к ее концам электрической цепью. Источником энергии выступает сила, вращающая рамку и преодолевающая сопротивление магнитного поля.
Каждые пол-оборота проводники рамки меняют направление движения относительно полюсов магнита, соответственно, меняется и направление ЭДС в рамке.
Получение переменного тока
Угол между вектором скорости и силовыми линиями поля меняется по закону α = w*t, где:
- W — угловая скорость вращения рамки, рад/с;
- T — время, прошедшее с начального момента, когда вектор скорости был параллелен силовым линиям, с.
То есть ЭДС зависит от sin (wt): E = f (sin (wt)). Следовательно, график изменения значения ЭДС с течением времени имеет вид синусоиды. Вызванный этой ЭДС переменный ток называют, соответственно, синусоидальным.
Описанный простейший генератор можно усовершенствовать:
- постоянный магнит меняют на электрический, размещая в статоре несколько катушек (обмотка возбуждения). В итоге получают равномерное магнитное поле и тем самым добиваются идеальной синусоидальности ЭДС (повышается качество работы приборов). Обмотку возбуждения питает маломощный генератор постоянного тока либо аккумулятор;
- вместо одной рамки размещают на роторе несколько: ЭДС кратно увеличивается. То есть ротор также представляет собой обмотку.
Проблемная часть такого генератора — подвижный контакт между вращающимся ротором и электрической цепью.
Он состоит из медного кольца и графитовых щеток, прижимаемых к кольцу пружинами. Чем выше мощность генератора, тем менее надежен этот узел: он искрит, быстро изнашивается. Поэтому в мощных промышленных генераторах, установленных на электростанциях, обмотки статора и ротора меняют местами: обмотку возбуждения размещают на роторе, а индуцирующую — на статоре.
Подвижный контакт остается, но из-за малой мощности обмотки возбуждений требования к нему снижаются. Частота промышленного переменного тока — 50 Гц. То есть напряжение периодически меняет направление и величину 50 раз в секунду или 3000 раз в минуту. При наличии 2-х полюсов в обмотке возбуждения для достижения такой частоты и ротор должен вращаться со скоростью 3000 об/мин.
В генераторах тепловых и атомных электростанций так и происходит. Но в гидроэлектростанциях вращать ротор с такой скоростью невозможно физически: движителем служит падающая вода, а ее скорость намного меньше скорости перегретого пара с давлением в 500 атм.
Кроме того, ротор гидростанции имеет огромные размеры и при частоте вращения в 3000 об/мин.
Его удаленные от центра участки двигались бы со скоростью сверхзвукового истребителя, что приведет к разрушению конструкции. Для сокращения количества оборотов увеличивают число пар полюсов в электромагните. Частота вращения при этом составит W = 3000 / n, где n — число пар полюсов. То есть при наличии 10-ти пар полюсов для генерации переменного тока с частотой 50 Гц ротор необходимо вращать со скоростью всего 300 об/мин, а при 20-ти парах — 150 об/мин.
В электротехнике практикуют и другой способ получения переменного тока — преобразованием постоянного. Применяется электронное устройство — инвертор, состоящее из силовых транзисторов, управляющей ими микросхемы и прочих элементов. На выходе инвертора можно получить переменное напряжение любой величины и частоты. Самые простые схемы выдают прямоугольное переменное напряжение, более сложные и дорогие — стабилизированное синусоидальное.
Примеры применения инверторов:
- импульсные блоки питания и инверторные сварочные аппараты. Сетевой ток с частотой 50 Гц выпрямляется и затем подается на инвертор, дающий на выходе переменный ток с частотой 60-80 кГц. Назначение: при столь высокой частоте резко уменьшаются габариты трансформатора и потери в нем, то есть устройство в целом становится более компактным и экономичным;
- автономные дизельные и бензиновые генераторы для питания оборудования, чувствительного к качеству напряжения. Дизель-генератор в чистом виде дает низкокачественный ток, поскольку при преобразовании нагрузки частота вращения вала у него меняется. Инвертор устраняет все эти колебания и дает на выходе стабильное, качественное напряжение;
- ЛЭП на постоянном токе.
Передавать особенно значительные мощности на сверхбольшие расстояния по ряду причин выгоднее постоянным током, а не переменным. В конечной точке его преобразуют инвертором в переменный промышленной частоты и отправляют в местную энергосистему.
Метод узловых (потенциалов) напряжений
ТОЭ › Методы расчета цепей постоянного тока
При изучении основ электротехники приходится сталкиваться с необходимостью расчета тех или иных параметров различных схем. И самое простое, что приходится делать – это расчет токов ветвей в цепях постоянного тока.
Существует несколько наиболее применяемых методов расчетов для таких цепей: с помощью законов Кирхгофа, методом контурных токов, узловых потенциалов, методом эквивалентного генератора, эквивалентного источника тока, методом наложения. Для расчета более сложных цепей, например, в нелинейных схемах, могут применяться метод аппроксимации, графические методы и другие. В данном разделе рассмотрим один из методов определения токов в цепи постоянного тока – метод узловых потенциалов.
Важно отличать метод узловых напряжений (потенциалов) от метода узлового напряжения (метод двух узлов)
Метод узловых потенциалов примеры решения задач
Для того, чтобы лучше разобраться в этом вопросе, рассмотрим конкретный пример схемы, показанной на рис.1.
Рис.1. Схема постоянного тока
Для начала обозначают направления токов в ветвях. Направление можно выбирать любым. Если в результате вычислений какой-то из токов получится с отрицательным значением, значит, его направление в действительности будет направлено в противоположную сторону относительно ранее обозначенного. Если в ветви имеется источник, то для удобства лучше обозначить направление тока в этой ветви совпадающим с направлением источника в этой ветви, хотя и не обязательно. Далее один из узлов схемы заземляем. Заземленный узел будет называться опорным, или базисным. Такой метод заземления на общее токораспределение в схеме влияния не оказывает.
Какой именно узел заземлять, значения не имеет. Заземлим, например, узел 4 φ4 = 0.
Каждый из этих узлов будет обладать своим значением потенциала относительно узла 4. Именно значения этих потенциалов для дальнейшего определения токов и находят. Соответственно, для удобства этим потенциалам присваивают номера в соответствии с номером узла, т.е. φ1, φ2, φ3. Далее составляется система уравнений для оставшихся узлов 1, 2, 3.
В общем виде система имеет вид:
Использованные в этой системе уравнений буквенно-цифровые обозначения
имеют следующий смысл:
– сумма проводимостей ветвей, сходящихся в узле 1. В данном случае
– сумма проводимостей ветвей, сходящихся в узле 2. В данном случае
– сумма проводимостей ветвей, сходящихся в узле 3. В данном случае
– сумма проводимостей ветвей, соединяющих узлы 1 и 2, взятая со знаком «минус». Для этого единица и взята с отрицательным знаком:
– сумма проводимостей ветвей, соединяющих узлы 1 и 3, взятая со знаком «минус». Для этого единица и в этом случае взята с отрицательным знаком:
Аналогично находятся и остальные проводимости:
J11 – узловой ток узла 1, в котором участвуют ветви, подходящие именно к этому узлу, и содержащие в своем составе ЭДС. При этом, если ЭДС ветви, входящий в узел, направлена к рассматриваемому узлу (в данном случае к узлу 1), то такой узловой ток записывается с плюсом, если от узла, то с минусом. В данном случае
Аналогично
В результате всех ранее приведенных вычисленных значений исходная система уравнений примет вид:
Решать данную систему можно всеми доступными методами, мы же для упрощения решим ее в пакете Mathcad:
В результате получены следующие значения потенциалов в узлах цепи:
Токи в ветвях находятся в соответствии с законом Ома. Поясним это простыми словами.
В ветви с сопротивлением и источником, учитывая ранее обозначенное направление тока в рассматриваемой ветви, необходимо из потенциала узла, находящегося у начала стрелки направления тока, вычесть потенциал узла, находящегося у конца стрелки направления тока, а затем прибавить значение ЭДС в этой ветви. Далее все это разделить на сопротивление, имеющееся в ветви. Если бы ток и ЭДС в рассматриваемой ветви не совпадали по направлению, тогда значение ЭДС вычиталось. В ветви без ЭДС действует то же самое правило, только ЭДС в числителе, разумеется, отсутствует. В нашем примере получим, что
Значение тока первой ветви, как видно из расчета, получилось отрицательным. Значит, в действительности, этот ток направлен в противоположную сторону относительно его обозначенного направления на рис.1.
Правильность расчетов можно проверить, например, составлением баланса мощностей либо, к примеру, моделированием, схемы. Выполним моделирование в программе Multisim.
Рис.2. Моделирование в Multisim
Как видим, результаты моделирования совпадают с расчетными значениями. Незначительная разница в тысячных долях из-за округлений промежуточных вычислений.
Энергия электромагнитного поля
Опыт показывает, что в контуре из двух электроламп, соленоида и реостата при отключении источника тока еще некоторое время течет электрический ток, причем сила тока со временем уменьшается от некоторого начального значения до нуля.
Одновременно с током, как известно, исчезает и магнитное поле тока. Так как никаких других источников энергии, которые поддерживали бы электрический ток в контуре, нет, то остается предположить, что энергией обладает само магнитное поле. Найдем начальную энергию W магнитного поля, считая, что она расходуется на индуцирование э. д. с. и тока самоиндукции в контуре, когда магнитный поток убывает от некоторого начального значения до нуля.
Бесконечно малое изменение энергии поля равно элементарной работе тока в контуре:
Но э. д. с. самоиндукции , а сила тока i=dQ/dt. Отсюда
dW = – Lidi
Знак минус указывает, что энергия поля уменьшается. Интегрируя это выражение, находим
где
-потокосцепление;
– индуктивность или коэффициент пропорциональности между током и потокосцеплением;
– ток через катушку.
Потокосцеплением самоиндукции y цепи называется сумма произведений магнитных потоков, обусловленных только током в этой цепи, на число витков, с которыми они сцеплены.
Если все витки пронизываются одним и тем же магнитным потоком Ф, то потокосцепление равно произведению магнитного потока на число витков y=Фw, а w = nI, где I-длина соленоида, n – густота обмотки.
В СИ потокосцепление измеряется в веберах, индуктивность – в генри.
Генри – это индуктивность соленоида, в котором при силе тока 1 А создается магнитный поток 1 Вб.
Зависимость потокосцепления от тока может быть постоянной (линейная зависимость) или нелинейной.
При изменении тока изменяется потокосцепление и в катушке наводится ЭДС самоиндукции:
Знак минус показывает, что ЭДС противодействует изменению тока в цепи.
Напряжение и мощность индуктивности равны:
Мощность может быть как положительной (при намагничивании), так и отрицательной (при размагничивании).
При нарастании тока , направления тока и напряжения совпадают, в индуктивности запасается энергия магнитного поля.
При убывании тока , направления тока и напряжения не совпадают, энергия магнитного поля в индуктивности убывает, возвращается обратно к источнику.
Явление самоиндукции можно наблюдать на опыте, собрав цепь с источником постоянного тока и двумя параллельными ветвями (смотри рисунок выше). Одна ветвь состоит из электролампы Л1 и реостата R, другая – из такой же электролампы Л2 и соленоида. С помощью реостата в обеих ветвях устанавливают одинаковую силу постоянного тока. После включения рубильника видно, что лампа Л2 начинает светиться позже, чем лампа Л1. Это объясняется тем, что в соленоиде индуцируется э. д. с. самоиндукции, препятствующая некоторое время нарастанию силы тока. У разных соленоидов время нарастания силы тока оказывается различным, так как вокруг каждого из них создаются разной величины магнитные потоки, которые индуцируют различные э. д. с. самоиндукции.
Основы электрических цепей
Как вода течет по водопроводу (по трубам, через краны, фильтры, счетчики и т.д.), так же электричество течет по цепи (проводам, электрическим и электронным компонентам, через штекера и гнезда и т.д.). Электричество является одной из нескольких видов энергии, которая при своем течении может высвобождать свет, тепло, звук, радиоволны, механические движения, электромагнитные поля и т.д. Взять любую электротехнику (компьютер, мобильный телефон, электропечь, телевизор и т.д.), вся она содержит в себе электрические схемы, состоящие из различных электрических цепей, по которым течет ток, и на которых присутствует напряжение определенной величины и полярности.
Давайте более подробно разберем, что же собой представляет электрическая цепь, как именно по ней бежит ток. Итак, электрический ток — это упорядоченное движение электрических заряженных частиц. Напомню, что в твердых телах носителями электрического заряда являются электроны (частицы имеющие отрицательный заряд, он же минус). В жидкостях и газах носителями электрического заряда являются ионы (атомы и молекулы, у которых имеется недостаток электронов на своих орбитах, и имеющие положительный заряд, он же плюс). Чаще всего приходится иметь дело именно с движением электронов по электрической цепи именно в твердотельных проводниках (это металлы, кристаллы).
Электрическая цепь это некий замкнутый путь, по которому течет ток, бегут электрически заряженные частицы. Само перемещение этих частиц можно представить следующим образом. Как вам должно быть известно из уроков по физике все вещества состоят из атомов и молекул (мельчайшая частица самого вещества, его структурная составляющая). В твердых состояниях вещества атомы выстроены в определенном порядке, имеют так называемую кристаллическую решетку. У некоторых веществ электроны, что наиболее удалены от центра атома, могут легко отрываться от своего атома и переходить к соседнему. Так получается движение заряженных частиц внутри самого вещества.
Такие вещества являются проводниками электрического тока. Одни это делают хорошо, другие хуже (проводят ток). Если же взять такое вещество как медь (металл), который достаточно хорошо проводит через себя электричество и сделать из нее проволоку, то в итоге мы получим проводник электрического тока определенной длины.
Чтобы пошел ток нужен как бы мостик, соединяющий эти самые противоположные полюса. В роли этого моста, для перехода электрического заряда с одного полюса на другой, и будет выступать замкнутая электрическая цепь, состоящая из различных проводников.
Электрическая цепь представляет собой совокупность устройств и объектов, образующих путь для электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий об электродвижущей силе, токе и напряжении. В электрической цепи постоянного тока могут действовать как постоянные токи, так и токи, направление которых остается постоянным, а значение изменяется произвольно во времени или по какому-либо закону.
К примеру, мы просто обычной медной проволокой соединим полюса источника питания. В итоге через проволоку потечет ток (тот самый переизбыток электрических зарядов). Это будет, пожалуй, самой простой электрической цепью, которая может только создавать короткое замыкание этого самого источника питания. Но все же это электрическая цепь. Более полезной электроцепью будет такая схема — источник питания (обычная батарейка), провода, переключатель и лампочка (рассчитанная на напряжение источника питания). Когда мы все это соединим друг за другом (последовательно) мы уже получим электрическую цепь, где течение тока будет приносить пользу в виде излучения света электрической лампочкой.
Естественно, подобными простыми электрическими цепями электротехника не ограничивается. Если правильно подключать различные электрические и электронные компоненты между собой, подсоединяя к ним источник питания, создавая различные функциональные схемы, можно в итоге получать все то разнообразие электроустройств, которое мы сейчас имеем. И все они имеют различные по сложности электрические цепи.
Классическая формулировка
Этот простой вариант трактовки, известный нам со школы.
Однородный открытый участок электроцепи
Формула в интегральной форме будет иметь следующий вид:
Формула в интегральной форме
То есть, поднимая напряжение, мы тем самым увеличиваем ток. В то время, как увеличение такого параметра, как «R», ведет к снижению «I». Естественно, что на рисунке сопротивление цепи показано одним элементом, хотя это может быть последовательное, параллельное (вплоть до произвольного)соединение нескольких проводников.
В дифференциальной форме закон мы приводить не будем, поскольку в таком виде он применяется, как правило, только в физике.
Трехфазные электрические цепи
Любая трехфазная система состоит из трех отдельных электрических цепей, в каждой из которых действует синусоидальная электродвижущая сила с одинаковой частотой, создаваемая одним и тем же источником энергии. Необходимая энергия обычно создается трехфазным генератором. Между цепями образуется сдвиг на 120 градусов.
Основным преимуществом трехфазной цепи считается ее уравновешенность. Она заключается в суммарной мгновенной мощности, принимающей постоянную величину на все время действия ЭДС. В самом трехфазном генераторе существует три самостоятельные обмотки, сдвинутые относительно друг друга на 120 градусов, так же как и начальные фазы электродвижущей силы.
Если для соединения каждой фазы использовать отдельный провод, то в конечном итоге это привело бы к созданию несвязной системы из шести проводников. Прежде всего, это невыгодно с точки зрения экономии, поскольку получается значительный перерасход материалов. Поэтому были разработаны наиболее оптимальные связанные системы соединения трехфазных электрических цепей.
Одним из таких способов является соединение звездой, когда все три фазы обмоток соединяются в общей нулевой точке. Таким образом, получается трех- или четырехпроводная система. В последнем варианте предполагается использование нулевого провода. Он может не применяться при наличии симметричной системы, с одинаковыми токами фаз. Однако в случае несимметричной нагрузки с разницей фазных токов, в нулевом проводе создается ток, равный сумме векторов этих фазных токов. При выходе из строя одной из фаз, нулевой провод может заменить ее и предотвратить аварийную ситуацию в трехфазной цепи. Однако в этом качестве его можно использовать лишь кратковременно, поскольку данный провод рассчитан на более низкие нагрузки, по сравнению с фазами.
Другой способ – соединение треугольником, когда конец одной обмотки соединяется с началом другой, образуя, таким образом, замкнутый контур. Каждая фаза находится под линейным напряжением, равным фазному напряжению. Однако фазный ток будет отличаться от линейного в меньшую сторону в 1,72 раза.
Схема электрической цепи
Буквенные обозначения элементов на электрических схемах
Мощность электрического тока
Расчет электрической цепи
Трехфазная система переменного тока
Внутренние и внешние части электрической цепи
Составными простейшей электрической цепи являются: источник, один или несколько приемников электроэнергии с последовательным соединением и соединительные провода.
Источник питания контролирует образование внутренней части цепи, а потребитель, в то же время, формирует ее внешнюю часть (в совокупности с измерительными приборами, коммутирующими аппаратами и соединительными проводами).
Замечание 2
Внешний участок (иными словами, внешняя цепь) будет состоять из одного или нескольких приемников электроэнергии, а также из соединительных проводов и разных вспомогательных устройств, включенных в такую цепь. Наряду с тем, внутренний участок (называется также внутренняя цепь) — это и есть сам источник.
При составлении расчетных схем элементы электроцепи, обладающие некоторым сопротивлением, (электролампы, например, или электронагревательные приборы) изображаются схематически в формате сосредоточенных в определенном месте схемы резисторов с сопротивлением. То же касается и элементов с индуктивностью (обмотки генераторов, трансформаторов и электродвигателей) и емкостью (трансформаторы).
На расчетных схемах их изображение будет сосредоточено в соответствующих местах конденсаторов и катушек индуктивности. Источниками электроэнергии в схеме электрической цепи зачастую выступают идеализированные источники с внутренним сопротивлением $Ro=0$. С целью учета внутреннего сопротивления реального источника, в схему вводится изображение резистора с сопротивлением $Ro$ или ставится обозначение $Ro$ рядом с условным обозначением источника.
Вспомогательным элементам электроцепей в виде включающих и выключающих аппаратов, защитных устройств, некоторых электроизмерительных приборов часто свойственно малое сопротивление, при этом они практически не оказывают воздействия на значения напряжений и токов
По этой причине они во внимание не принимаются и не указываются на схемах
В момент образования замкнутого контура во внутренней и внешней части цепи, в ней фиксируют возникновение электрического тока. Силу тока, таким образом, определяет количество электричества (заряда), проходящего за единицу времени через поперечное сечение проводника:
- $I=\frac{q}{t}$ (для постоянного тока);
- $i=\frac{dq}{dt}$ (для переменного тока).
Прохождение в цепи электрического тока взаимосвязано с процессами преобразования энергии в каждом ее элементе, которые происходят в непрерывном режиме. В рамках процесса преобразования иных видов энергии в электрическую мы наблюдаем возбуждение в источнике питания электродвижущей силы (ЭДС).
Внешняя цепь, равно как и сам источник энергии, имеют определенное сопротивление для прохождения электрического тока. Физическую природу сопротивления Ома $R$ представляет – тепловое движение атомов и молекул тела (свойство сверхпроводимости). Величина сопротивления будет зависимой от материала, а также размеров и формы проводника:
$R=P\frac{I}{S}$
Обратная сопротивлению величина называется проводимостью:
$P=\frac{1}{R}$
Напряжение, электродвижущая сила, ток и сопротивление связывает в простейшей цепи закон Ома, который выражается формулой:
$I=\frac{U}{R}$
Электрические цепи: понятие, классификация элементов и источников
Электрическая цепь – это совокупность электротехнических устройств, которые образуют путь для нормального прохождения электрического тока и которые предназначены для распределения, передачи и взаимного преобразования электрической и другой энергии.
Электрические цепи, в которых образуется электрическая энергия, а ее преобразование и передача осуществляется при неизменных напряжениях, называются цепями постоянного тока.
В таких цепях магнитные и электрические поля во времени не изменяются. Поскольку напряжения и токи постоянны, то изменения во времени этих величин приравниваются нулю:
$\frac {d_i}{d_t} = 0$
$\frac {d_u}{d_t} = 0$
Поэтому ток через емкость и напряжение на индуктивности, которые зависят от этих величин, также приравниваются нулю:
$U_L = L \frac {d_l}{d_t} = 0$
$lc = C \frac {dU_C}{dt} = 0$
Исходя из этого, можно сделать вывод, что сопротивление постоянному току в индуктивности равно нулю, а емкость, напротив, – это бесконечно большое сопротивление. Поэтому катушка индуктивности в цепи постоянного тока представляет собой обычный провод, сопротивлением которого можно пренебречь, а емкость – это разрыв электрической цепи.
Все элементы электрической цепи условно можно классифицировать на три составные части:
- Источники питания. Все элементы цепи, что относятся к данной группе, вырабатывают электрическую энергию.
- Преобразующие элементы. Элементы, которые относятся ко второй группе, преобразуют электричество в другие виды энергии. В физике они известны как приемники.
- Передающие устройства. К третьей группе относятся передающие устройства. Это провода и другие установки, которые обеспечивают качество и уровень напряжения.
В источниках электрической энергии происходит преобразование химической, механической, тепловой и других видов энергии в электрическую. К источникам электроэнергии можно отнести:
- гальванические элементы;
- электромагнитные генераторы;
- термопреобразователи.
В приемниках электрической энергии (электротермические устройства, электродвигатели, лампы накаливания, электролизные ванны, резисторы) электроэнергия преобразуется в световую, тепловую, химическую, механическую.
Выключатель ножевого типа
Возможно, лучший вид переключателя для иллюстрации принципа действия — это выключатель ножевого типа:
Рисунок 4 – Выключатель ножевого типа
Ножевой переключатель – это не что иное, как токопроводящий рычаг, свободно поворачивающийся на шарнире, вступающий в физический контакт с одним или несколькими неподвижными контактами, которые также являются токопроводящими. Переключатель, показанный на приведенном выше рисунке, собран на фарфоровом основании (отличный изоляционный материал), с использованием меди (отличный проводник) для «лезвия» и контактов. Ручка сделана из пластика, чтобы изолировать руку оператора от токопроводящего лезвия переключателя при его открытии или закрытии. Ниже показан еще один тип переключателя, с двумя неподвижными контактами вместо одного:
Рисунок 5 – Переключатель ножевого типа с 3-мя контактами
Ножевой переключатель, показанный здесь, имеет одно «лезвие» и два неподвижных контакта, что означает, что он может включать или выключать более одной цепи
На данный момент это не так важно, чтобы просто понять основную идею того, что такое ключ, и как он работает. Ножевые переключатели отлично подходят для иллюстрации основного принципа работы ключа, но они представляют определенные проблемы безопасности при использовании в электрических цепях большой мощности
Открытые проводники переключателя делают очень возможным случайный контакт с цепью, а любая искра, которая может возникнуть между движущимся ножом и неподвижным контактом, может воспламенить любые находящиеся поблизости горючие материалы. В большинстве современных конструкций переключателей движущиеся проводники и контакты закрыты изолирующим кожухом, чтобы уменьшить эти опасности. Фотографии нескольких современных типов переключателей показывают, что механизмы переключения гораздо более скрыты, чем в конструкции ножевого выключателя:
Рисунок 6 – Сравнение размеров переключателей
Основные компоненты
Инвентор электрического тока
Все составные части в цепи участвуют в одном электромагнитном процессе. Условно их разделяют на три группы.
- Первичные источники электрической энергии и сигналов могут преобразовывать энергию неэлектромагнитной природы в электрическую. Например, гальванический элемент, аккумулятор, электромеханический генератор.
- Вторичный тип, как на входе, так и на выходе имеет электрическую энергию. Изменяются только ее параметры – напряжение и ток, их форма, величина и частота. Примером могут быть выпрямители, инверторы, трансформаторы.
- Потребители активной энергии преобразовывают электрический ток в освещение или тепло. Это электротермические устройства, лампы, резисторы, электродвигатели.
- К вспомогательным компонентам относят коммутационные устройства, измерительные приборы, соединительные элементы и провод.
Основой электрической сети является схема. Это графический рисунок, который содержит условные изображения и обозначения элементов и их соединение. Они выполняются согласно ГОСТу 2.721-74 – 2.758-81
Схема простейшей линии включает в себя гальванический элемент. С помощью проводов к нему через выключатель подсоединена лампа накаливания. Для измерения силы тока и напряжения в нее включен вольтметр и амперметр.
Обозначения элементов на схеме
Прежде чем приступить к монтажу оборудования необходимо изучить нормативные сопровождающие документы. Схема позволяет донести до пользователя полную характеристику изделия с помощью буквенных и графических обозначений, занесенных в единый реестр конструкторской документации. К чертежу прилагаются дополнительные документы. Их перечень может быть указан в алфавитном порядке с цифровой сортировкой на самом чертеже, либо отдельным листом. Классифицируют десять видов схем, в электротехнике обычно используют три основные схемы.
- Функциональная имеет минимальную детализацию. Основные функции узлов изображают прямоугольником с буквенными обозначениями.
- Принципиальная схема подробно отображает конструкцию использованных элементов, а также их связи 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.
- В монтажной электрической схеме используют позиционные обозначения элементов, их месторасположение, способ монтажа и очередность.
Для чтения электросхем нужно знать условные графические обозначения. Провода, которые соединяют элементы, изображаются линиями. Сплошная линия – это общее обозначение проводки. Над ней могут быть указаны данные о способе прокладки, материале, напряжении, токе. Для однолинейной схемы группа проводников изображается пунктирной линией. В начале и в конце указывают маркировку провода и место его подключения.
Выключатель на схеме выглядит как кружок с наклоненной вправо чертой. По виду и количеству черточек определяют параметры устройства.
Кроме основных чертежей есть схемы замещения.
