Электрическая цепь и ее элементы

В электрической цепи должен быть источник движения электрически заряженных частиц, которое и называется электрическим током. Иными словами, электрический ток должен иметь своего возбудителя. Такой возбудитель тока, именуемый источником (генератором), является составным элементом электрической цепи.

Электрический ток может вызывать различные по характеру эффекты — так, он заставляет светиться лампочки накаливания, приводит в действие нагревательные приборы и электродвигатели. Все эти приборы и устройства принято называть приемниками электрического тока. Так как через них протекает ток, т. е. они включены в электрическую цепь, то приемники также являются элементами цепи.

Протекание тока требует, чтобы между источником и приемником существовала связь, которая и реализуется при помощи электрических проводов, представляющих со­ бой третий важный составной элемент электрической цепи.

Электрическая цепь делится на внутреннюю и внешнюю части. К внутренней части электрической цепи относится сам источник электрической энергии. Во внешнюю часть цепи входят соединительные провода, потребители, рубильники, выключатели, электроизмерительные приборы, т. е. все то, что присоединено к зажимам источника электрической энергии.

Электрический ток может протекать только по замкнутой электрической цепи. Разрыв цепи в любом месте вызывает прекращение электрического тока.

Под электрическими цепями постоянного тока в электротехнике подразумевают цепи, в которых ток не меняет своего направления, т. е. полярность источников ЭДС в которых постоянна.

Под электрическими цепями переменного тока имеют ввиду цепи, в которых протекает ток, который изменяется во времени (смотрите, переменный ток).

Электроприемниками постоянного тока являются электродвигатели, преобразующие электрическую энергию в механическую, нагревательные и осветительные приборы, электролизные установки и др.

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

Элементы электрической цепи делятся на активные и пассивные. К активным элементам электрической цепи относятся те, в которых индуцируется ЭДС (источники ЭДС, электродвигатели, аккумуляторы в процессе зарядки и т. п.). К пассивным элементам относятся электроприемники и соединительные провода.

Для условного изображения электрических цепей служат электрические схемы. На этих схемах источники, приемники, провода и все другие приборы и элементы электрической цепи обозначаются при помощи выполненных определенным образом условных знаков (графических обозначений).

Согласно ГОСТ 18311-80:

По топологическим особенностям электрические цепи подразделяют:

на простые (одноконтурные), двухузловые и сложные (многоконтурные, многоузловые, планарные (плоскостные) и объемные);

двухполюсные, имеющие два внешних вывода (двухполюсники и многополюсные, содержащие более двух внешних выводов (четырехполюсники, многополюсники).

Устройства, передающие энергию от источников к приемникам, являются четырехполюсниками, так как они должны обладать, по меньшей мере, четырьмя зажимами для передачи энергии от генератора к нагрузке. Простейшим устройством передачи энергии являются провода.

Активный и пассивный двухполюсники в электрической цепи

Обобщенная эквивалентная схема электрической цепи

Электрическая цепь, электрическое сопротивление хотя бы одного из участков которой зависит от значений или от направлений токов и напряжений в этом участке цепи, называется нелинейной электрической цепью. Такая цепь содержит хотя бы один нелинейный элемент.

При описании свойств электрических цепей устанавливается связь между величинами электродвижущей силы (ЭДС), напряжений и токов в цепи с величинами сопротивлений, индуктивностей, емкостей и способом построения цепи.

При анализе электрических схем пользуются следующими топологическими параметрами схем:

Старый учебный диафильм. Одна из 7 частей старого учебного диафильма «Электротехника с основами электроники», выпущенного в 1973 году фабрикой учебно-наглядных пособий:

Источник

Внутренняя и внешняя электрическая цепь

Вы будете перенаправлены на Автор24

Электрической цепью в физике считается определенный комплекс разного рода элементов, соединенных между собой проводниками, основным назначением которого является протекание тока.

Ассортимент элементов электрической цепи достаточно широк. Так, они бывают:

Элементы электрической цепи

Каждая электрическая цепь будет включать в себя разноплановые объекты и устройства, формирующие специальные пути для прохождения электротока. С целью детального описания электромагнитных процессов, осуществляемых в каждом из них, на практике применяют такие понятия, как:

Согласно условному распределению, все элементы электрической цепи подразделяются на три составные части. Первую представляют источники питания, вырабатывающие электроэнергию. Вторая характеризуется элементами, преобразующими электричество в иные виды энергии, больше известные в виде приемников. Третья часть составляют передающие устройства – провода и прочие установки, отвечающие за обеспечение соответствующего качества и уровня напряжения.

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).

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.

Готовые работы на аналогичную тему

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).

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:

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).

Обратная сопротивлению величина называется проводимостью:

Напряжение, электродвижущая сила, ток и сопротивление связывает в простейшей цепи закон Ома, который выражается формулой:

Основные законы для электрических цепей

При анализе цепей сложного и простого типа широко применимы законы Кирхгофа, Ома, Джоуля Ленца, Фарадея, Ампера. Законы Ома существуют в двух вариациях: для участка цепи и полной цепи. Ток в участке цепи будет прямо пропорциональным напряжению на таком участке и обратно пропорциональным сопротивлению на нем, то есть:

При произведении тока участка цепи на величину сопротивления возникает падение на данном участке. Ток в электроцепи будет прямо пропорционален ЭДС источника и обратно пропорциональным сумме сопротивлений, состоящим из внутреннего и внешнего типа сопротивления источника питания. Таким образом:

Закон Джоуля-Ленца позволяет определять количество тепловой энергии, которое будет выделяться на сопротивление при протекании по нему электрического тока. Согласно формуле, это записывается так:

Под эквивалентными преобразованиями понимается замена участков электрической цепи, содержащая последовательно и параллельно соединенные несколько элементов посредством одного элемента. При этом следствием такой замены становится неизменность общего тока и напряжения цепи.

В качестве основной особенности последовательного соединения выступает наличие общего тока, равного по значению для всех элементов (включая также и последовательные). Это, в свою очередь, способствует прямой пропорциональности напряжения сопротивлению участка цепи на каждом из включенных последовательно элементов.

Источник

Внутренняя и внешняя электрическая цепь

Элементы электрических цепей классифицируют по различным признакам. К примеру, есть пассивные и активные элементы, линейные и нелинейные и так далее.

Элементы электрических цепей

В каждой электроцепи есть набор определенных устройств и приборов, которые формируют путь для течения электрического тока. Для характеристики их работы существует ряд основных параметров:

Внешние и внутренние составляющие цепи

Самая простая электроцепь состоит из источника и приемника, последовательно соединенных проводниками.
Источник является внутренней составляющей цепи, а приемник в комплексе со всеми приборами измерения, коммутационными устройствами и проводами, их соединяющими, является внешней составляющей электроцепи.

Не нашли что искали?

Просто напиши и мы поможем

Дополнительные элементы электроцепей, такие как переключатели, выключатели, приборы измерения, обладают очень низким сопротивлением и не влияют на величину тока и напряжения, поэтому их обычно не берут во внимание и не наносят на электросхемы.

При замыкании внешней и внутренней составляющих в замкнутый контур, по нему начинает течь электрический ток, величина которого определяется количеством заряда, протекающего в единицу времени через поперечное сечение проводника. Для постоянного тока его значение определяют по такой формуле:

Для переменного тока его величина определяется так:

Протекание электрического тока в цепи связано с непрерывными преобразовательными процессами в ее элементах. Например, при преобразовании других видов энергии в электрическую в источнике питания возникает ЭДС, благодаря которой при замыкании цепи, в которую включен источник, по ней течет ток.

Так же, как и источник питания, внешняя цепь обладает определенным сопротивлением протеканию электротока. Физическая природа сопротивления заключается в тепловом движении молекул и атомов. То есть, размер сопротивления будет определяться материалом, размерами и формой проводника:

где \(ρ\) – удельное сопротивление проводника;

\(l \) – длина проводника;

\(S\) – поперечное сечение проводника.

Величину, обратную сопротивлению, называют проводимостью:

Основные параметры простой электрической цепи связаны выражением закона Ома:

Сложно разобраться самому?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Основополагающие законы для электрических цепей

Для расчета и анализа работы электроцепей применяют законы Ома, Кирхгофа, Джоуля-Ленца, Фарадея, Ампера.

Что касается закона Ома, существует два его варианта – для полной цепи и для ее участка. Сила тока участка цепи прямо пропорциональна напряжению на его концах и обратно пропорциональна его сопротивлению:

Для полной цепи сила тока прямо пропорциональна ЭДС источника питания и обратно пропорциональна суммарному сопротивлению цепи:

Для определения количества тепловой энергии, выделяемого при протекании тока через сопротивление, применяют закон Джоуля-Ленца:

Закон электромагнитной индукции Фарадея позволяет установить взаимосвязь между:

Согласно закону Фарадея электродвижущая сила, индуцируемая изменением магнитного потока, что проходит через поверхность, прямо пропорциональна скорости изменения потока:

где \(Ф\) – магнитный поток;

Эквивалентное преобразование цепи – это процесс замещения участков цепи с параллельным или последовательным соединением элементов одним элементом с соответствующим сопротивлением, при котором сила тока и напряжения не меняются. Данный прием используют для упрощения расчетов электроцепей.

Основной особенностью последовательного подключения элементов является общий ток для всех элементов, но напряжение на каждом из них будет падать в соответствии с сопротивлением. При параллельном подключении равным для всех элементов будет напряжение, а ток будет распределяться в соответствии с сопротивлением.

Источник

Что называется внешней частью электрической цепи

В предыдущем параграфе было показано, что электрическая цепь имеет две существенно различные части. Часть цепи, в которой заряды движутся по направлению действия электрических сил на рис. 16.3), называют внешней, а часть цепи, в которой заряды движутся в сторону действия сторонних сил на рис. 16.3), называют внутренней. Иначе говоря, внутренней цепью является источник электрической энергии, а внешней — вся остальная часть цепи.

Те точки, в которых внешняя цепь граничит с внутренней, называют полюсами. Во внешней цепи заряды движутся из одной точки в другую только при наличии разности потенциалов; поэтому, когда в замкнутой цепи идет ток, потенциал во внешней цепи от точки к точке уменьшается (в направлении от А к В на рис. 16.3). Таким образом, у одного из полюсов имеется самый большой потенциал, а у другого — самый маленький потенциал по сравнению с другими точками цепи. Полюс с наибольшим

потенциалом называют положительным и обозначают знаком «+», а полюс с наименьшим потенциалом называют отрицательным и обозначают знаком «-».

В схемах электрических цепей применяются условные обозначения, показанные на рис. 16.4. Принято считать, что тонкая длинная черта в обозначении источника электрической энергии является положительным полюсом, а короткая толстая — отрицательным.

Схема простой электрической цепи с включением измерительных приборов показана на рис. 16.5. Напомним, что за направление тока во внешней цепи принимают движение положительных зарядов от положительного полюса к отрицательному (§ 16.2), а во внутренней — от отрицательного полюса к положительному, хотя в металлах электроны движутся в обратную сторону.

Поскольку во внешней цепи по направлению тока потенциал от точки к точке падает, напряжение на любом участке, составляющем часть внешней цепи (рис. 16.5), меньше, чем напряжение на полюсах источника, т. е. на всей внешней цепи. Заметим, что это справедливо только при наличии тока в цепи. Если цепь разомкнуть, то потенциал всех точек проводника, соединенного с одним из полюсов, будет один и тот же. (Подумайте, существует ли при этом напряжение между полюсами.)

Источник

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.

Такими силами могут выступать:

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:

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.

Обозначения компонентов электрической цепи

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:

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:

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.

Источник