Простейшие схемы электрических цепей

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.

Электрическое напряжение

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

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

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

За единицу мощности принимают 1 ватт (Вт).

1 ватт = 1 вольт * 1 ампер

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

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.

Электротехника, электроника и электропривод

Лекция 1. Электрические цепи постоянного тока

Основные понятия и определения

Электрическая цепь – совокупность устройств и объектов, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью таких понятий, как электродвижущая сила (ЭДС), ток, напряжение, сопротивление.

Читайте также:  Самовольное подключение электроэнергии после отключения за неуплату

Элемент электрической цепи – отдельное устройство, входящее в состав электрической цепи и выполняющее в ней определенную функцию.

Основные элементы электрической цепи – источники и приемники электроэнергии.

В источниках электроэнергии различные виды энергии (химическая – в гальванических элементах; механическая – в генераторах; световая; тепловая) преобразуются в электромагнитную или электрическую.

В приемниках электроэнергии электромагнитная энергия преобразуется в другие виды энергии (химическую – гальванические ванны; тепловую – нагревательные приборы; механическую – электрические двигатели).

Вспомогательные элементы электрической цепи – резисторы, емкости, индуктивности, выключатели, предохранители, измерительные приборы.

Условные графические обозначения:

источник напряжения или ЭДС

Электрические цепи принято изображать в виде различных схем, на которых показываются основные и вспомогательные элементы и их соединения. Различают монтажные, принципиальные схемы и схемы замещения.

На монтажных схемах изображают рисунок (эскиз) элементов цепи и соединения проводов, на принципиальных — условное графическое изображение элементов и схему их соединения. Схема замещения – расчетная модель электрической цепи. На ней реальные элементы заменяются идеальными и исключаются все элементы, не влияющие на результаты расчета.

Классификация электрических цепей

По виду тока (рис. 1):

а) цепи постоянного тока – электрический ток не изменяется во времени;

б) цепи переменного тока:

цепи синусоидального тока;

цепи несинусоидального тока.

а) постоянный ток

б) переменный синусоидальный ток

в) переменный несинусоидальный ток

По характеру параметров элементов:

а) линейные цепи – цепи, у которых сопротивления не зависят от значений и направлений токов;

В зависимости от наличия или отсутствия источника электроэнергии:

а) активные – содержащие источники электроэнергии;

Топологические понятия теории электрических цепей

Топологические понятия электрических цепей рассмотрим на примере схемы рис. 2.

Ветвь электрической цепи – участок, элементы которого соединены друг за другом, т.е. последовательно. Ток в элементах один и тот же (adc, aeb).

Узел электрической цепи – место соединения ветвей (a,b,c).

Контур – любой замкнутый путь вдоль ветвей электрической цепи (cbadc, dabcd).

Основные законы электрических цепей постоянного тока

Электрические цепи постоянного тока — цепи, в которых протекает электрический ток, не изменяющийся во времени ни по величине, ни по направлению. В электрических цепях действуют следующие основные законы: закон Ома и I и II законы Кирхгофа

а) Закон Ома для участка цепи без источника. Сила тока на участке электрической цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка (рис. 3):

б) Обобщенный закон Ома (для участка цепи с ЭДС) (рис. 4):

Если направление тока в ветви совпадает с направлением ЭДС источника (рис. 4а), то

.

Если направление тока в ветви не совпадает с направлением ЭДС источника (рис. 4б), то .

Законы Кирхгофа (рис. 5).

а ) I закон Кирхгофа: алгебраическая сумма токов в узле электрической цепи равна нулю, при этом токи, одинаково направленные относительно узла, записываются с одинаковым знаком.

Для узла а: .

б) II закон Кирхгофа: алгебраическая сумма падений напряжений любого контура равна алгебраической сумме ЭДС этого контура.

Правило знаков: падения напряжения записываются со знаком «+», если направления тока совпадает с направлением обхода контура; ЭДС записываются со знаком «+», если направления ЭДС и обхода контура совпадают.

Читайте также:  Размеры угловых ванн с гидромассажем

Рассмотрим схему электрической цепи, приведенную на рис. 5. Направление обхода контура abca выберем по часовой стрелке. Тогда уравнение II закона Кирхгофа будет иметь следующий вид:

.

Мощность характеризует интенсивность преобразования энергии одного вида в другой за единицу времени.

Для цепи постоянного тока мощность источника: а приемника — , (=Вт). На основании закона сохранения энергии мощность, развиваемая источниками электроэнергии, должна быть равна сумме мощностей всех приемников и потерь в источниках из-за внутренних сопротивлений. При этом: если направление ЭДС и тока совпадают, то EI в сумме записываются со знаком «+». Для схемы рис. 5 при выбранных направлениях токов:

.

М етоды расчета электрических цепей

Постановка задачи: в известной схеме цепи с заданными параметрами необходимо рассчитать токи, напряжения, мощности на отдельных участках. Для этого можно использовать следующие методы:

непосредственного применения законов Кирхгофа;

Будем рассматривать первых два метода.

Метод преобразования цепи. Суть метода: если несколько последовательно или (и) параллельно включенных сопротивлений заменить одним, то распределение токов в электрической цепи не изменится.

а) Последовательное соединение резисторов. Сопротивления включены таким образом, что начало следующего сопротивления подключается к концу предыдущего (рис. 6).

Ток во всех последовательно соединенных элементах одинаков.

З аменим все последовательно соединенные резисторы одним эквивалентным (рис. 7.).

По II закону Кирхгофа:

;

;

т.е. при последовательном соединении резисторов эквивалентное сопротивление участка цепи равно сумме всех последовательно включенных сопротивлений.

б ) Параллельное соединение резисторов. При этом соединении соединяются вместе одноименные зажимы резисторов (рис. 8).

Все элементы присоединяются к одной паре узлов. Поэтому ко всем элементам приложено одно и тоже напряжение U.

По I закону Кирхгофа: .

По закону Ома . Тогда .

Для эквивалентной схемы (см рис. 7): ; .

Величина , обратная сопротивлению, называется проводимостью G.

; = Сименс (См).

Ч астный случай: параллельно соединены два резистора (рис. 9).

в) Взаимное преобразование звезды (рис.10а) и треугольник сопротивлений (рис. 10б).

— преобразование звезды сопротивлений в треугольник:

— преобразование "треугольника" сопротивлений в "звезду":

Метод непосредственного применения законов Кирхгофа. Порядок расчета:

Определить число ветвей (т.е. токов) и узлов в схеме.

Произвольно выбрать условно-положительные направления токов. Общее число уравнений должно быть равно числу неизвестных токов.

Определить, сколько уравнений должно быть составлено по I закону Кирхгофа, а сколько — по II закону Кирхгофа.

Составить уравнения для узлов по I закону Кирхгофа и для независимых контуров (отличающихся друг от друга хотя бы на одну ветвь) — по II закону Кирхгофа.

Решить система уравнений относительно токов. Если в результате ток получился отрицательным, то его действительное направление противоположно выбранному.

Проверить правильность решения задачи, составив уравнение баланса мощности и смоделировав электрическую цепь средствами моделирующего пакета Electronics Workbench.

Примечание: если есть возможность, то перед составлением системы уравнений по законам Кирхгофа, следует преобразовать "треугольник" сопротивлений в соответствующую "звезду".

На картинке нарисована простейшая электрическая цепь постоянного тока. Она состоит из таких элементов как источник питания в виде батарейки, выключатель питания, переменное сопротивление и лампочка (представляющая собой электрическую нагрузку). Неотъемлемыми частями любой электрической схемы являются сам источник питания (постоянного тока или же переменного, без которого любая электросхема всего лишь груда металла), непосредственно нагрузка (ради которой всё и замышлялось, это электродвигатели, лампочки, нагревательные элементы и т.д.), ну и коммутирующие устройства в виде различных выключателей и переключателей (надо же схемой управлять, хотя бы на уровне включить и выключить).

Читайте также:  Прибор для определения фазы и нуля

В нашем случае электрическая схема цепи именно постоянного тока. В чём её специфика и отличия от электроцепи переменного тока? Из самого названия должно быть ясно, что в постоянном токе есть какое-то постоянство! Оно заключается в том, что носители электрического тока (электроны, электрические отрицательно заряженные частицы) движуться строго в одном направлении от минуса к плюсу. Да, стоит ещё внести уточнение. В реальности электричество движется от минуса к плюсу (в твёрдых телах, движение электронов), и от плюса к минусу (в жидких и газообразных веществах, движение ионов).

Электрическая цепь постоянного тока питается от источника с постоянным током, у которого есть положительный вывод (он же плюс) и отрицательный вывод (он же минус). Внутри источника постоянного тока не может, при нормальных условиях, меняться полюса, исключено самим принципом его работы и устройством. В электротехнике и особенно в электронике существует множество функциональных элементов работающие именно на постоянном токе. При подаче на них переменного тока (если не предусмотрено самой схемой) элементы либо просто не работают, либо просто выходят из строя. Это происходит потому, что переменный ток периодически меняет свою полярность с плюса на минус и обратно (в обычной городской сети это происходит 50 раз за секунду).

Как уже было подмечено вначале, самая простая электрическая цепь (будь то переменная или постоянная) состоит из источника питания, нагрузки и устройства коммутации (переключатели). В такой схеме электрической цепи энергия вырабатывается источником, и подаётся на нагрузку, выполняющую конкретную полезную работу. Естественно, без выключателей проблематично будет управлять работой электросхемы. Любая электрическая схема подразумевает функцию включения и выключения. Нарисованный на схеме (наш рисунок схемы простой электрической цепи постоянного тока) дополнительное переменное сопротивление показывает, что имеется некий элемент, способный изменять свое электрическое сопротивление, тем самым влияя на величину тока в электрической цепи.

На рисунке схемы электрической цепи постоянного тока можно заметить, что движение тока направлено от плюса к минусу (обозначено стрелками), а выше было сказано, что в реальности ток движется от минуса к плюсу (в твёрдых телах). Что это за несоответствие? Просто было наукой принято, что в схема должно обозначаться именно такое движение электрического тока. Но это особо не на что не влияет. Просто зная условные обозначения на электрических схемах и физический принцип действия электрического тока мы работаем со схемой, сочиняя её, либо используя при ремонте или сборке. В электронике на схемах можно заметить стрелки, находящиеся на самих функциональных элементах. Они показывают направление движения тока, как было принято в условном обозначении.

В более сложных электрических цепях в схемах добавляются дополнительные устройства и элементы, которые расширяют общий функционал. Каждая деталь, элемент при подаче на него напряжения или прохождении электрического тока имеет свою специфическую особенность. Хотя в целом, что можно сделать с электроэнергией источника питания? Изменить всего лишь исходные характеристики, а именно, увеличить или понизить напряжение, ток, частоту (если это переменный или импульсный ток). Включить или выключить схему электрической цепи.

Видео по этой теме:

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

Adblock detector