Из каких элементов состоит электрическая цепь

Электрическая цепь и ее составные части

Электрической цепью называют совокупность устройств, необходимых для прохождения по ним электрического тока.

Предназначение любой электроцепи – доставка электроэнергии потребителю для ее дальнейшего преобразования в механическую, тепловую, электрохимическую энергию или в световое излучение.

Понимание простых элементов цепей, их характеристик и величин необходимы для каждого образованного человека.

Полученные знания помогут разбираться в электротехнических схемах, делать теоретические расчеты, а в дальнейшем – применять их в быту при ремонте простейшей техники и радиоэлектроники.

Цепи бывают с постоянным и переменным током. Постоянный – имеет постоянную полярность электродвижущей силы и не меняет своего направления. Примером сети постоянного тока может служить электропроводка автомобилей.

Переменный ток меняет свое направление. В потребительской сети график зависимости переменного тока от времени имеет вид синусоиды. Полярность меняется 50 раз в секунду. Другими словами – частота тока равна 50 Гц (герц).

Под внешней частью цепи подразумевают провода, выключатели, электробытовые и измерительные приборы. Под внутренней – источники электропитания.

Элементы цепи

Независимо оттого, из каких частей состоят электрические цепи, их объединяет одно – их составляющие должны производить, передавать или потреблять электричество.

Элементы подразделяются на пассивные и активные. К первым из них относят всё, что потребляет или передает электроэнергию: лампы, нагревательные элементы, электродвигатели и т.д.

Ко вторым – источники, вырабатывающие электроэнергию: генераторы, аккумуляторы, солнечные батареи и т.д. Также элементы делятся на двухполюсные (те, которые имеют 2 вывода) и многополюсные (те, которые имеют 4 и более вывода).

В качестве примера двухполюсника можно привести резистор. В качестве четырехполюсника – повышающий или понижающий трансформатор.

Обязательными составляющими цепи являются:

1. Источник (Source) – в большинстве случаев аккумулятор, гальванический элемент или генератор. Изредка – ветрогенераторы и солнечные батареи.
2. Проводник (Conductor) – необходим для передачи электроэнергии от источника к электропотребителю.
3. Потребитель электроэнергии (Load, consumer) (чаще всего в быту это осветительные приборы, двигатели, нагревательные приборы, электроника, бытовая техника, такая как компьютеры, пылесосы, стиральные машины).
4. Замыкающее/размыкающее устройство (Switch) или выключатель.

Основными электроприемниками являются:

• Резисторы – потребитель, который имеет переменное или постоянное сопротивление.
• Конденсатор – потребитель, который имеет емкость. Он запасает энергию и имеет возможность ее возвратить.
• Катушка индуктивности – потребитель, создающий индуктивное поле.
• Электродвигатель – потребитель, превращающий энергию электронов, двигающихся вдоль проводника, в механическую.

Важно: Электроток протекает лишь по замкнутой цепи. Если ее разомкнуть – движение электронов в ней прекращается.

При чтении схем и расчетах пользуются следующими понятиями: контур, узел и ветвь.

• Ветвью называют участок с одним или несколькими компонентами, соединенными последовательно.
• Узлом называют место соединения двух и более ветвей.
• Контуром называется совокупность ветвей, которые образуют для тока замкнутый путь. При этом один из узлов в контуре должен являться и началом, и концом пути, а остальные узлы должны встречаться не более одного раза.

Облегчить чтение схем можно с помощью вот такой таблички:

Виды цепей

Чтобы успешно пользоваться электросхемами, необходимо иметь представление, какую электрическую цепь называют замкнутой и разомкнутой.

Замкнутой называют непрерывную цепь, состоящую из электроприборов и проводников. Как только она прерывается – становится разомкнутой.

В таком состоянии она неспособна проводить ток, хотя в ней может быть напряжение, так как в ней появляется диэлектрик. В подавляющем большинстве случаев в качестве такого диэлектрика выступает обычный атмосферный воздух.

На этом принципе работают приборы, предназначенные для размыкания – выключатели, рубильники, предохранители, кнопки.

Неразветвленной называют электрическую цепь, состоящую из источника и последовательно соединенных компонентов. Важнейшим признаком здесь является то, что во всех участках ток имеет одинаковую величину. Разветвленной – имеющую в своем составе одно или несколько параллельно соединенных компонентов.

Каждая может иметь одновременно несколько классификаций и названий:

• силовой – называют соединение приборов, необходимых для производства, передачи электроэнергии, ее преобразования или потребления;
• вспомогательной – ту, которая имеет разные функциональные назначения, но которая не является силовой;
• измерительной – называют необходимую для регистрации параметров сети и включенных в нее приборов;
• управляющей – называют приводящую в действие приборы или изменяющую их параметры в зависимости от общего предназначения;
• сигнализирующей называют приводящую в действия сигнальные устройства, показывающие на наличие тех или иных изменений.

Простейшей электрической цепью является источник, соединенный проводниками с электропотребителем, а простой называют любую одноконтурную. Сложными называются цепи, имеющие два и более контура. Они в свою очередь делятся на многоузловые, многоконтурные, объемные и плоскостные.

Физические величины, характеризующие цепь

Величин, которыми можно описать любую электрическую цепь несколько. Основными из них 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. Ёмкость – С (измеряется в Фарадах (Ф).

Знание формул позволяет проводить практические расчеты. К примеру, сопротивление резистора зависит не только от тока, но и от напряжения. Формула, которая это отражает, называется Законом Ома для участка цепи и выглядит так:

I=U/R, где

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

Данная формула является фундаментальной. Она действует для любой среды и прочих параметров, независимо от различных составляющих и рода приборов.

Если резистор имеет постоянное сопротивление независимо от того, какой ток по нему протекает, он имеет название «линейный элемент».

Когда по резистору протекает ток, его сопротивление увеличивается из-за увеличения колебания на молекулярном уровне кристаллической решетки в проводнике. Колебания мешают движению электронов, и в результате энергия теряется понапрасну.

Перегорая, предохранитель уберегает от повреждения всю схему и экономит, порой, часы при ремонте, так как поменять предохранитель легче, чем искать поврежденный компонент среди десятков таких же.

Узнать больше об электрических цепях можно с помощью видео:

Элементы электрической цепи

Каждая электрическая цепь включает в себя различные устройства и объекты, создающие пути для прохождения электрического тока. Для описания электромагнитных процессов, происходящих в каждом из них, применяются такие понятия, как электродвижущая сила, ток и напряжение.

Условно все элементы электрической цепи разделяются на три составные части:

• Первая представлена источниками питания, вырабатывающими электроэнергию.
• Вторая – элементами, преобразующими электричество в другие виды энергии. Они больше известны, как приемники.
• Третья часть состоит из передающих устройств – проводов и других установок, обеспечивающих уровень и качество напряжения.

Схемы электрических цепей

Элементы электрических цепей могут соединяться в схемах различными способами. Для каждого из них существуют определенные закономерности, установленные и сформулированные учеными Омом и Кирхгофом. Соединение потребителей в электрических цепях может быть последовательным, параллельным и комбинированным.

Последовательное соединение. В этом случае с увеличением количества потребителей, происходит рост общего сопротивления цепи. Отсюда следует, что значение общего сопротивления будет состоять из суммы сопротивлений каждой подключенной нагрузки.

Поскольку на всех участках цепи проходит одинаковый ток, в связи с этим на каждый элемент распределяется только часть общего напряжения. Если какой-либо прибор или устройство перестает работать, наступает разрыв цепи. То есть, при выходе из строя хотя бы одной лампочки, остальные тоже не будут работать, как это случается, например, в елочных гирляндах.

Однако в последовательную цепь можно включить большое количество элементов, каждый из которых рассчитан на значительно меньшее сетевое напряжение.

Параллельное соединение. В этом случае к двум точкам электрической цепи подключается сразу несколько потребителей. Напряжение на каждом участке будет равно напряжению, приложенному к каждой узловой точке.

На представленной схеме хорошо просматривается возможность протекания тока различными путями. Ток, притекающий к месту разветвления, далее проходит к двум нагрузкам, имеющим определенное сопротивление. В результате, он оказывается равным сумме токов, расходящихся от данной точки.

Происходит снижение общего сопротивления цепи с увеличением ее общей проводимости, состоящей из проводимостей обеих ветвей. Соединение обеспечивает независимую работу потребителей.

То есть, при выходе из строя одного из них, остальные будут нормально работать, поскольку цепь остается не разорванной.

Комбинированное соединение. На практике большинство приборов могут включаться в цепь сразу обоими способами – последовательно и параллельно. Поэтому такие соединения получили название комбинированных.

Например, выключатели и вся автоматическая защитная аппаратура соединяется последовательно, обеспечивая тем самым разрыв цепи.

Розетки или лампочки, наоборот, всегда включаются параллельно, чтобы исключить их взаимодействие между собой.

Применение такого подключения вызвано еще и различным энергопотреблением бытовых электроприборов. При постоянном напряжении их сопротивления также будут различаться между собой. Таким образом, за счет комбинированного подключения удается равномерно распределить нагрузку на линиях и не допустить перегрузок на отдельных участках цепи.

Активные и пассивные элементы электрической цепи

Элементы, входящие в состав электрических цепей, могут быть активными и пассивными. Основным признаком активных составляющих, считается их способность отдавать электроэнергию.

Типичными представителями являются генераторы и другие источники электроэнергии, усилители электрических сигналов и другие. Пассивными элементами считаются различные виды потребителей и накопителей электрической энергии.

К ним относятся конденсаторы, резисторы, катушки индуктивности и другие двухполюсные устройства. Существует многополюсная аппаратура, функционирующая на базе двухполюсных элементов.

Все активные элементы электрической цепи могут быть независимыми и зависимыми. В первую категорию входят источники напряжения и тока.

В свою очередь, источник напряжения считается идеализированным элементом цепи, у которого напряжение на зажимах не зависит от протекающего через него электрического тока, а внутреннее сопротивление имеет нулевое значение.

Источник тока также является безупречным элементом, у которого ток не зависит от напряжения на зажимах, а значение внутреннего сопротивления стремится к бесконечности.

Зависимые источники напряжения и тока именуются таковыми, когда эти величины зависят от параметров напряжения и тока на другом участке цепи.

Типичными представителями являются электролампы, транзисторы, усилители, функционирующие в линейном режиме.

Резистивное сопротивление относится к идеализированным элементам цепи. Его основным свойством является необратимое рассеивание энергии.

Зависимость напряжения и тока резистивного сопротивления выражается формулами: u = iR, i = Gu, в которых R является сопротивлением, измеряемым в Омах, а G – проводимостью, измеряемой в сименсах.

Соотношение этих величин между собой выражено формулой R = 1/G.

Идеализированные индуктивные элементы цепи способны накапливать энергию магнитного поля. Основным параметром считается линейная индуктивность, находящаяся в линейной зависимости между магнитным потоком и током, графически представляющая собой вебер-амперную черту. Индуктивность является также и коэффициентом пропорциональности, измеряемом в Генри.

Ёмкостные элементы – конденсаторы обладают свойством накапливать энергию электрического поля. Показатель линейной емкости представляет собой линейную зависимость между зарядом и напряжением, выраженной формулой q = Cu.

Условные обозначения элементов электрической цепи

Для удобства анализа и расчетов электрических цепей, все их составляющие отображаются в виде специальных схем. Данные схемы состоят из условных обозначений используемых элементов и способов их соединения.

Условные обозначения в странах СНГ могут отличаться от символики, принятой в других государствах, соответственно, будут различаться и сами схемы, поскольку использовались различные системы графических маркировок.

Все элементы на схемах условно разделяются на три группы:

1. К первой относятся источники питания, преобразующие другие виды энергии в электрическую. В этом случае они считаются первичными. Ко вторичным источникам относятся, например, выпрямительные устройства, у которых электроэнергия имеется на входе и на выходе.
2. Вторая группа представлена потребителями энергии, преобразующими электрический ток в тепло, освещение, движение и т.д.
3. В третью группу входят управляющие элементы, без которых невозможна работа любой цепи. Сюда входят соединительные провода, коммутационная аппаратура, измерительные приборы и другие устройства аналогичного назначения.

Все эти составляющие охвачены единым электромагнитным процессом, поэтому они включаются в общую схему с использованием специальных условных знаков.

Следует учитывать, что вспомогательные элементы могут не указываться на схемах. Не указываются и соединительные провода, если их сопротивление значительно ниже, чем у составных элементов.

Источники питания обозначаются в виде электродвижущей силы. При необходимости проставляются пояснительные надписи.

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 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.

Электрические цепи. Виды и составные части. Режимы работы

Различные элементы, соединенные проводниками электрического тока между собой, образуют электрические цепи. Перечень компонентов цепи может быть довольно большим. Существуют разные виды элементов цепи электрического тока: пассивные и активные, линейные и нелинейные и много других. Всю классификацию перечислить очень трудно.

Виды и составные части

Для работы цепи необходимо наличие соединительных проводников, потребителей, источника питания, выключателя. Контур цепи должен быть замкнут. Это является обязательным условием работы электрической цепи. Иначе ток в цепи протекать не будет.

Не все контуры считаются электрическими цепями. Например, контуры зануления или заземления ими не признаются, так как в обычном режиме в них нет тока. Однако, по принципу действия они также являются электрическими цепями, так как в аварийных случаях в них протекает ток.

Контур заземления и зануления замыкается с помощью грунта.

Внутренние и внешние электрические цепи

Для создания упорядоченного движения электронов, нужно наличие разности потенциалов между каким-либо участком цепи. Это обеспечивается при подключении напряжения в виде источника питания.

Он называется внутренней электрической цепью. Остальные компоненты цепи образуют внешнюю цепь.

Для задания движения зарядов в источнике питания против направления поля требуется приложить сторонние силы.

Напряжение в цепи может быть, как постоянным, так и переменным, в зависимости от свойств источника питания. По этому признаку в электротехнике электрические цепи разделяют на контуры цепей. Такое объяснение вида цепи упрощенное, так как закон изменения движения электронов намного сложнее

Кроме упорядоченного движения, электроны задействованы в хаотичном тепловом движении. Чем выше температура материала, тем больше скорость хаотичного движения носителей заряда. Однако, такой вид движения не участвует в создании электрического тока.

От источника питания зависит и род тока, то есть свойства внешней цепи. Батарея элементов выдает постоянное напряжение, а разные обмотки генераторов или трансформаторов выдают переменное напряжение. Это зависит от внутренних процессов в источнике питания.

Внешние силы, создающие движение электронов, называются электродвижущими силами, которые характеризуются работой, выполненной источником для перемещения единицы заряда, измеряется в вольтах.

Практически в расчетах цепей применяют два класса источников питания:

1. Источники напряжения.
2. Источники тока.

В реальности такие идеальные источники не существуют, но практически их пытаются имитировать.

В бытовой сети мы имеем напряжение 220 вольт с определенными нормированными отклонениями. Это является источником напряжения, так как норма дана именно на этот параметр. Значение тока не играет большой роли.

На электростанции круглосуточно поддерживается постоянная величина напряжения, независимо от запросов.

Источник тока действует по-другому. Он поддерживает определенный закон движения электронов, а величина напряжения не имеет значения. В пример можно привести сварочный аппарат. Для нормального хода сварки необходимо поддерживать постоянное значение тока. Эту функцию выполняет инверторный электронный блок.

Сеть питания может быть, как переменной, так и постоянной. Это не играет большой роли. Важнее выдержать, например, параметр ЭДС.

Выключатель

Это устройство позволяет соединить потребитель с источником питания. При пользовании выключателем, на его контактах образуется искра. Она возникает из-за наличия емкостного сопротивления.

Чтобы избежать искрения, в электрическую цепь добавляются дроссели, а в выключатель устанавливают контакты специального вида.

Электрические цепи могут иметь и другие решения для предотвращения возникновения искры.

Проводники

Электрические провода чаще всего производят из алюминия или меди. Это объясняется низким удельным сопротивлением этих металлов, хотя стоимость их в последнее время повышается. На проводах при работе выделяется тепло, которое зависит от двух параметров:

1. Электрического тока.
2. Сопротивления участка цепи.

Электрический ток определяется необходимостью потребителя, поэтому изменять можно только удельное сопротивление, которое должно быть как можно ниже.

Все металлы при уменьшении температуры уменьшают сопротивление, в результате чего снижаются потери энергии. Если взять полупроводники, то среди них есть образцы с отрицательным и с положительным температурным коэффициентом сопротивления.

Если сравнивать абсолютные значения сопротивления, то у металлов оно намного меньше.

Потребители

Все остальные компоненты электрической цепи, кроме перечисленных выше, считаются потребителями. Полезной нагрузкой является простая лампа накаливания, электродвигатель, нагревательное устройство.

Параметры цепи слишком зависят от потребителей. Электрические цепи имеют обмотки трансформаторов, которые обладают большим индуктивным сопротивлением.

Это отрицательно влияет на передачу электричества от источника.

Направление кроме тока может изменять и мощность. При этом энергия циркулирует в одну и в другую сторону. Такая мощность называется реактивной, и не выполняет полезной работы. Однако, она нагревает проводники и изменяет форму электрического сигнала.

Поэтому в промышленных условиях целесообразно к электродвигателям параллельно подключать конденсаторы, которые будут компенсировать сопротивление с индуктивностью.

В результате реактивная мощность замкнется внутри двигателя, и не выделит чрезмерного тепла в проводах.

Индуктивные потребители имеют важное свойство: они расходуют электроэнергию, которая превращается в магнитное поле и передается дальше.

В электронике существует множество разнообразных потребителей, которые можно разделить на классы:

• Активные потребители. Для своего функционирования им требуется наличие электрической энергии. От основной сети они практически не работают. К ним относятся транзисторы, микросхемы, тиристоры и много других видов, являющихся своеобразными электронными ключами. Электродвигатели имеют отличие в том, что работают непосредственно из сети питания.
• Пассивные потребители не нуждаются во внешнем источнике питания. Они пропускают через себя электрический ток особым образом. Например, полупроводники (тиристоры) начинают пропускать ток только при достижении определенной величины напряжения. Значит, они являются пассивными потребителями, и имеют нелинейные свойства пропускания тока. К таким же видам можно причислить диоды, пропускающие ток только в одну сторону. Другими словами, они имеют свойства вентиля. Также пассивными потребителями являются различные дроссели, конденсаторы, сопротивления. При наличии этих компонентов электрические цепи обретают необычные свойства. Например, контуры резонанса, состоящие из катушек и емкостей, применяют в виде фильтров для разной частоты волн.

Режимы электрической цепи

При подключении разного числа потребителей к источнику питания изменяется мощность, напряжение и ток, вследствие чего возникают различные режимы работы в цепи, и соответственно, компонентов, включенных в нее. Практически можно представить схему цепи в виде пассивного и активного двухполюсника. Это электрические цепи, соединенные с внешней частью двумя выводами с разной полярностью.

Особенностью активного двухполюсника является наличие источника электрического тока, у пассивного двухполюсника его нет. Популярными стали схемы замещения пассивных и активных элементов во время работы. Вид режима работы определяется свойствами элементов цепи.

Холостой ход

Это режим при отключенной нагрузке от питания при помощи ключа. В этом случае ток в цепи равен нулю. Напряжение достигает уровня ЭДС. Элементы цепи не работают.

Короткое замыкание

В этом случае выключатель на схеме замкнут, сопротивление равно нулю, соответственно, напряжение также равно нулю.

При применении двух рассмотренных режимов определяются свойства активного двухполюсника. При изменении тока в некоторых границах, зависящих от элемента цепи, нижняя граница всегда равна нулю.

Этот элемент цепи начинает выдавать энергию в цепь.

Также нужно знать, что если напряжение ниже нуля, это значит, что резисторами активного двухполюсника расходуется энергия источника, связанного по цепи, а также резерв самого прибора.

Номинальный режим

Такой режим необходим для создания технических свойств всей цепи и отдельных компонентов. В этом режиме свойства близки к величинам, указанным на компоненте, или в инструкции.

Нужно учесть, что каждый прибор имеет свои параметры. Однако, три главных показателя есть у всех устройств – это напряжение, мощность и номинальный ток.

Все компоненты электрических цепей также имеют эти показатели.

Согласованный режим

Этот режим применяется для создания наибольшей передачи активной мощности, передаваемой источником питания к потребителю. Когда производится работа в этом режиме, необходимо быть осторожным, во избежание выхода из строя части цепи.

Они применяются в сложных устройствах для проверки работоспособности:

• Ветвь. Это участок цепи с током одинаковой величины. Ветвь может иметь несколько последовательно соединенных элементов.
• Узел. Это место соединения нескольких ветвей.
• Контур. Это любой замкнутый участок цепи, имеющий несколько ветвей.

Электрические цепи для чайников: определения, элементы, обозначения

Эта статья для тех, кто только начинает изучать теорию электрических цепей. Как всегда не будем лезть в дебри формул, но попытаемся объяснить основные понятия и суть вещей, важные для понимания. Итак, добро пожаловать в мир электрических цепей!

Хотите больше полезной информации и свежих новостей каждый день? Присоединяйтесь к нам в телеграм.

Электрические цепи

Электрическая цепь – это совокупность устройств, по которым течет электрический ток.

Рассмотрим самую простую электрическую цепь.  Из чего она состоит? В ней есть генератор – источник тока, приемник (например, лампочка или электродвигатель), а также система передачи (провода). Чтобы цепь стала именно цепью, а не набором проводов и батареек, ее элементы должны быть соединены между собой проводниками. Ток может течь только по замкнутой цепи. Дадим еще одно определение:

Электрическая цепь – это соединенные между собой источник тока, линии передачи и приемник.

Конечно, источник, приемник и провода – самый простой вариант для элементарной электрической цепи. В реальности в разные цепи входит еще множество элементов и вспомогательного оборудования: резисторы, конденсаторы, рубильники, амперметры, вольтметры, выключатели, контактные соединения, трансформаторы и прочее.

Электрическая цепь

Кстати, о том, что такое трансформатор, читайте в отдельном материале нашего блога.

По какому фундаментальному признаку можно разделить все цепи электрического тока? По тому же, что и ток! Есть цепи постоянного тока, а есть – переменного. В цепи постоянного тока он не меняет своего направления, полярность источника постоянна. Переменный же ток периодически изменяется во времени как по направлению, так и по величине.

Сейчас переменный ток используется повсеместно. О том, что для этого сделал Никола Тесла, читайте в нашей статье.

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.

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:

• Ветвь – такой участок цепи, вдоль которого течет один и тот же ток;
• Узел – соединение ветвей цепи;
• Контур – последовательность ветвей, которая образует замкнутый путь. При этом один из узлов является как началом, так и концом пути, а другие узлы встречаются в контуре только один раз.

Чтобы понять, что есть что, взглянем на рисунок:

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

Классификация электрических цепей

По назначению электрические цепи бывают:

• Силовые электрические цепи;
• Электрические цепи управления;
• Электрические цепи измерения;

Силовые цепи предназначены для передачи и распределения электрической энергии. Именно силовые цепи ведут ток к потребителю.

Также цепи разделяют по силе тока в них. Например, если ток в цепи превышает 5 ампер, то цепь силовая. Когда вы щелкаете чайник, включенный в розетку, Вы замыкаете силовую электрическую цепь.

Электрические цепи управления не являются силовыми и предназначены для приведения в действие или изменения параметров работы электрических устройств и оборудования. Пример цепи управления – аппаратура контроля, управления и сигнализации.

Электрические цепи измерения предназначены для фиксации изменений параметров работы электрического оборудования.

Расчет электрических цепей

Рассчитать цепь – значит найти все токи в ней. Существуют разные методы расчета электрических цепей: законы Кирхгофа, метод контурных токов, метод узловых потенциалов и другие. Рассмотрим применение метода контурных токов на примере конкретной цепи.

Сначала выделим контуры и обозначим ток в них. Направление тока можно выбирать произвольно. В нашем случае – по часовой стрелке. Затем для каждого контура составим уравнения по 2 закону Кирхгофа.

Уравнения составляются так: Ток контура умножается на сопротивление контура, к полученному выражению добавляются произведения тока других контуров и общих сопротивлений этих контуров.

Для нашей схемы:

Полученная система решается с подставкой исходных данных задачи. Токи в ветвях исходной цепи находим как алгебраическую сумму контурных токов

Какую бы цепь Вам ни понадобилось рассчитать, наши специалисты всегда помогут справится с заданиями. Мы найдем все токи по правилу Кирхгофа и решим любой пример на переходные процессы в электрических цепях. Получайте удовольствие от учебы вместе с нами!

Электрические цепи и их элементы

Любая электрическая цепь состоит из различных объектов и устройств, которые создают оптимальные условия для прохождения электрического тока. Для того чтобы описать электромагнитные процессы, которые происходят в каждом устройстве, применяются такие понятия, как ток, напряжение и электродвижущая сила.

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:

$\frac {d_i}{d_t} = 0$

$\frac {d_u}{d_t} = 0$

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

$U_L = L \frac {d_l}{d_t} = 0$

$lc = C \frac {dU_C}{dt} = 0$

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:

1. Источники питания. Все элементы цепи, что относятся к данной группе, вырабатывают электрическую энергию.
2. Преобразующие элементы. Элементы, которые относятся ко второй группе, преобразуют электричество в другие виды энергии. В физике они известны как приемники.
3. 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.

Схемы электрических цепей

Элементы электрических цепей соединяются в схемы разными способами. Для каждой из схем существуют определенные закономерности, которые сформулированы и установлены учеными Омом и Кирхгофом.

Соединение потребителей в электрических цепях может быть трех видов:

1. Последовательное соединение. В таком случае с увеличением количества потребителей происходит увеличение общего сопротивления электрической цепи. Из этого следует, что значение общего сопротивления состоит из суммы сопротивлений подключенной нагрузки. Поскольку во всех участках электрической цепи протекает одинаковый ток, то на каждый отдельный элемент распределяется только часть общего напряжения. Если какое-то устройство или прибор останавливает свою работу, то происходит разрыв электрической цепи. Иными словами, если из строя выйдет хотя бы одна лампочка, остальные тоже не будут работать (например, елочная гирлянда). Но в последовательную цепь можно включить огромное количество элементов, каждый из которых рассчитан на меньшее напряжение.
2. Параллельное соединение. При такой схеме к двум точкам электрической цепи подключается несколько потребителей. На каждом участке напряжение будет приравниваться тому напряжению, которое приложено к каждой узловой точке. Данная схема позволяет увидеть возможность протекания электрического тока различными путями. Ток, который протекает у места разветвления, дальше проходит по двум нагрузкам, что имеют определенное сопротивление. В результате этого он приравнивается сумме токов, которые расходятся от данной точки. Происходит снижение сопротивления с увеличением ее общей проходимости. Благодаря соединению обеспечивается независимая работа потребителей. Если из строя выйдет один из них, то остальные потребители будут работать слаженно, поскольку цепь не разрывается.
3. Комбинированное соединение. Большинство приборов на практике включаются в электрическую цепь сразу двумя способами (параллельно и последовательно). Поэтому подобные соединения носят название комбинированные. Например, вся защитная аппаратура соединяется последовательно, тем самым, обеспечивая разрыв цепи. Лампочки и розетки, всегда включаются параллельно, исключая взаимодействие между собой. Частое использование комбинированного соединения вызвано различным энергопотреблением. Их сопротивления при постоянном напряжении будут отличаться между собой. Комбинированное соединение позволяет распределить нагрузку на линиях и предотвратить перегрузку.

Электрическая цепь, которая изображена графически при помощи знаков и символов, носит название «электрическая схема».

Она представлена в виде идеализированной цепи, которая является расчетной моделью реальной электрической цепи. Иногда она называется эквивалентной схемой замещения. По возможности данная схема должна отражать реальные процессы, что происходят в действительности. Каждый реальный элемент цепи при расчетах заменяется элементами схемы.

В цепях постоянного электрического тока используются два элемента: резистивный элемент с сопротивлением $R$ и источник энергии с внутренним сопротивлением $r_0$. Под внутренним сопротивлением генератора понимается сопротивление всех его внутренних элементов электрическому току.

Сопротивление приемника $R$ может охарактеризовать потребление электрической энергии, иными словами, превращение электроэнергии в другие виды энергии с выделением мощности:

$P = l2 R$

Для того чтобы провести анализ электрической цепи важно выделить несколько понятий: ветвь, узел, контур.

Ветвь – это участок цепи, который образуется элементами, что соединены последовательно, и характеризуется собственными значениями электрического тока в определенный момент.

Узлом является точка соединения нескольких ветвей. Если в месте пересечения на электрической схеме отображается точка, то на этом месте существует электрическое соединение двух линий. В противном случае узла нет.

Контур – это замкнутая часть электрической цепи, которая состоит из нескольких узлов и ветвей.

Заземление любой точки схемы говорит о том, что потенциал данной точки приравнивается нулю.

Активные элементы электрической цепи

В качестве источников энергии в линейных электрических цепях различают источники ЭДС и источники электрического тока. Идеальный источник ЭДС имеет неизменную электродвижущую силу и напряжение на выходных зажимах. У реального источника напряжение и ЭДС изменяются при изменении нагрузки. В электрической схеме это можно учесть последовательным включением резистора $r_0$.

Напряжение $U_ab$ напрямую зависит от тока приемника и приравнивается разности между электродвижущей силой генератора и уменьшением напряжения на его внутреннем сопротивлении $r_0$.

$U_ab = \varphi_a – \varphi_b$

Ток, который протекает по электрической цепи, зависит от сопротивления нагрузки:

$I = \frac {E}{R_H + r_0}$

Если принять ЭДС источника, где внутреннее сопротивление и сопротивление приемника не зависит от напряжения и тока, то внешняя характеристика источника энергии $U_12 = f(l)$ и вольтамперная характеристика приемника $U_ab = f(l)$ будут линейными.

Для источника электрического тока характерно бесконечное внутреннее сопротивление и бесконечное значение электродвижущей силы. При этом выполняется следующее равенство:

$\frac {E}{R_0} = l$

Если $r_0\geqslant R_H$ и $l_0\leqslant l$, то источник энергии находится в режиме, который близок к короткому замыканию. Тогда $l_0=0$/

Определение 1

Источник с внутренним сопротивлением $g_0 = 0$ называется идеальным источником.

Пассивные элементы электрической цепи

Главными пассивными элементами электрических цепей являются индуктивные, резистивные и емкостные. Чтобы понять их силовые характеристики, необходимо рассмотреть их при постоянном токе.

Определение 2

Электротехническое устройство, которое обладает сопротивлением и применяется для ограничения электрического тока, называется резистором.

Резистивными элементами называются идеализированные модели резисторов. Основной величиной, которая характеризует резистор, является сопротивление $R$. Определить его можно из следующего соотношения:

$U_ab = RI$ – закон Ома.

Сопротивление можно измерить в Омах: $[R] = [\frac {U}{I}] = \frac {B}{A} = Ом$

К пассивным элементам также можно отнести катушку индуктивности L.

Катушка – это обмотка изолированного провода, который намотан на каркас или без каркаса (имеются выводы для присоединения).

$L$ – это параметр, определяющий способность катушки формировать магнитное поле. Он напрямую зависит от геометрических параметров катушки, количества витков, а также от магнитных свойств сердечника, на который наматывается катушка.

Из-за возникновения магнитного поля электрическая цепь пронизывается магнитным потоком. Для того чтобы охарактеризовать катушку индуктивности, как основного элемента цепи, нужно найти потокосцепление $\psi$. Индуктивность $L$ – это коэффициент пропорциональности между $\psi$ и $l$:

$L = \frac {\psi}{i}$

$L = \frac {2W_M}{l2}$

Между двумя проводниками, которые разделяются диэлектриком, есть электрическая емкость. Коэффициент пропорциональности С в таком случае называют емкостью:

$C = \frac {q}{U}$

$W_э = \frac {CU2}{2} = \frac {q2}{2C}$

1.2. Электрическая цепь и ее элементы

Электрическаяцепь –совокупностьустройств(элементов), предназначенныхдля направленного движения электрическихзарядов(электрического тока) исвязанных с ним электромагнитныхпроцессов.

Электрическаяцепь служитдля генерирования, передачи и преобразованияэлектрической (электромагнитной) энергиии сигналов.

Основные элементыэлектрической цепи – источники, приемникии линии передачи.

Источникэлектрической энергии и сигналов– устройство,преобразующее различные виды энергиинеэлектромагнитной природы вэлектромагнитную(гальванический элемент, аккумулятор,электромеханический генератор).

Приемникэлектрической энергии и электрическихсигналов –устройство,преобразующее электрическую энергиюв другие виды энергии(электротермические устройства,электрические лампы, резисторы,электрические двигатели).

Линияпередачи электрической энергии иэлектрических сигналов– проводники (материалы, среды, имеющиесвободные заряды) и электромагнитныеполя, с помощью которых осуществляетсяпередача электрической энергии исигналов от источников к приемникам.

Кроме того,элементами электрической цепи могутбыть преобразовательные, коммутационныеи измерительные устройства (приборы).

Преобразовательэлектрической энергии– устройство,преобразующее параметры(напряжение, ток, их форму, величину,частоту) электромагнитнойэнергии(трансформаторы, выпрямители, инверторы,преобразователь частоты).

Коммутационныеустройства предназначены для изменения режимаработы электрической цепи: отключениеи включение источников, приемников,изменения параметров участков цепи.Это контакторы, переключатели, выключатели,разъединители.

Измерительныеустройства– приборыдля измерения различных параметровэлектромагнитных процессов, протекающихв электрической цепи(амперметры, вольтметры, ваттметры ит.д.).

Схемаэлектрической цепи– графическоеизображение электрической цепи,содержащее условные изображения ееэлементов и показывающее соединениеэтих элементов.

ЕСКД «Обозначенияусловные графические в схемах». ГОСТ2.721-74 – 2.758-81.

Приемники, источники:

–элементгальванический;

–лампанакаливания;

–генераторпостоянного тока электромеханическоготипа;

–резистор;

–потенциометр;

–реостат;

–катушкаиндуктивности;

–конденсатор.

Коммутационные устройства:

–нормальноразомкнутый контакт;

–нормальнозамкнутый контакт;

–переключающийконтакт.

Показывающиеприборы (A,V, W):

Преобразовательные устройства:

–воздушныйтрансформатор;

–диодныймост (двухполупериодный выпрямитель);

–инвертор.

Принципиальнаясхема электрической цепи– схемаэлектрической цепи, изображающаясоединение реальных элементов этойцепи.

Пример.Простейшая электрическая цепь –гальванический элемент, соединенный слампой накаливания через выключательс помощью соединительных проводов. Дляизмерения напряжения и тока в цепьвключены вольтметр и амперметр.

Функциональная(структурная, блок-схема) – схемаэлектрической цепи, изображающаясоединение отдельных блоков сложнойэлектрической цепи, выполняющихопределенные функции(усиление, выпрямление, инвертированиет.д.)

Двухполюсник– частьэлектрической цепи, которая рассматриваетсяотносительно двух каких-либо зажимов.

Четырехполюсник– частьэлектрической цепи, имеющая два входныхи два выходных зажима.

Активнаяцепь – частьэлектрической цепи, в которой действуютисточники электрической энергии.

Пассивнаяцепь – частьэлектрической цепи, в которой нетисточника электрической энергии.

1. Схема замещения электрической цепи

Ни функциональная, ни принципиальнаясхемы электрических цепей не отражаютколичественную сторону электромагнитныхпроцессов, которые имеют место в элементахцепи и которые определяют режим работыэтой цепи независимо от конструкции ифизической природы этих элементов.

Схема замещения(расчетнаяматематическая модель, эквивалентная)электрической цепи–схемаэлектрической цепи, изображающаясоединения абстрактных, идеальныхэлементов, с достаточным приближениемотображающих электромагнитные процессыв электрической цепи.

В теории электрических цепей реальныеэлементы, из которых составляетсяэлектрическая цепь, заменяютсяабстрактными идеальными элементами сопределенными свойствами.

Какие же это элементы? И какиеэлектромагнитные процессы они отражают?