Население земли издавна научилось применять электрические явления природы в собственных практических целях для получения, применения, также преобразования энергии. Такое действие достигается методом использования определенных устройств. Элементы оборудования в совокупы образуют систему. Такая система известна, как электрическая цепь.
Элементы цепи
Электрическая цепь содержит внутри себя такие составляющие, как источники энергии, потребители, также соединяющие их провода.
Есть дополнительные приборы цепи, к примеру, выключатели, измерители тока и защитные аппараты.
Источниками энергии в схеме таковой цепи выступают батареи, генераторы тока и гальванические элементы. Их еще именуют источниками питания.
В приемниках электрической цепи электроэнергия преобразовывается в другой тип энергии. Таким оборудованием бывают движки, нагреватели, лампы и т. д.
Необходимо отметить, что система может быть наружной и внутренней. Они отличаются наличием приемника. Открытая цепь имеет его в собственном составе, а закрытая — только источник тока.
Электрическая цепь неизменного тока
Ток, величина которого не изменяется со временем, именуется неизменным.
Цепь, через которую проходит таковой источник электричества, имеет замкнутую систему. Это электрические цепи неизменного тока. Их составляют разные элементы.
Для обеспечения неизменного источника энергии в системе используются конденсаторы. Они в состоянии копить припасы электрических зарядов.
Емкость конденсатора находится в зависимости от размера его железных пластинок.
Чем они больше, тем больший заряд может накопить этот элемент электрической цепи неизменного тока. Электрическую емкость изменяют в таких единицах, как фарада (ф). На схеме этот элемент смотрится следующим образом.
Совместно с источниками и приемниками тока эти элементы образуют электрические цепи неизменного тока.
Последовательное соединение в цепи
Огромное количество электрических цепей состоят из нескольких приемников тока. Если эти элементы соединены вместе последовательно, то конец 1-го приемника присоединен к началу другого. Это последовательное соединение системы.
Сопротивление в этой электрической цепи равняется к сумме сопротивлений всех проводников системы. Они удлиняют пути прохождения тока, который будет одинаковым на отдельных участках системы.
Схема электрической цепи в традиционном варианте содержит последовательно присоединенные проводники и нагляднее всего описывается таким устройством, как электрогирлянда.
Недочетом таковой системы является тот факт, что в случае выхода из строя 1-го проводника, система не будет работать вся полностью.
Параллельное соединение цепи
Схема электрической цепи параллельного типа соединения частей является системой, в какой начало содержащихся в ней проводников соединяются в одной точке, а концы их — в другой. Электрический ток в таковой электрической системе имеет несколько вариантов пути прохождения. Он распределяется обратнопропорционально сопротивлению приемников энергии.
Если у потребителей величина сопротивления однообразная, то через них будет перейти однообразный ток. В случае когда у 1-го приемника энергии сопротивление меньше, через него может пройти больше тока, чем через другие элементы системы.
Электрическая цепь и электрический ток, протекающий по ней, охарактеризовывают электромагнитные процессы с помощью напряжения и силы тока. Сумма раздельно взятых частей системы будет равна току в точке их соединения.
Присоединяя к таковой цепи новые элементы, сопротивление системы будет уменьшаться. Это связано с повышением общего сечения проводников при соединении нового потребителя электроэнергии. Положительной чертой такового метода соединения цепи является автономность каждого элемента.
При выключении 1-го потребителя, совокупное сечение проводников миниатюризируется, а сопротивление электрической цепи становится огромным.
Смешанное соединение в цепи
Смешанный вариант соединения достаточно распространен в сфере производства электротехники.
Эта цепь содержит внутри себя сразу принцип последовательного и параллельного присоединения проводников.
Дабы найти сопротивление нескольких потребителей таковой схемы, находят раздельно сопротивление всех параллельно и последовательно присоединенных проводников. Их приравнивают к одному проводнику, что в конечном итоге упрощает всю схему.
Режимы работы цепи
Делая упор на характеристики нагрузки, различают такие режимы функционирования цепи: номинальный, холостой ход, замыкание и согласование.
При номинальной работе система делает свойства, заявленные в техпаспорте оборудования. Холостой ход появляется в случае обрыва цепи. Этот режим работы относится к аварийным. Электрическая цепь в режиме недлинного замыкания имеет сопротивление, которое равно нулю. Это также аварийный режим.
Согласование характеризуется перемещением большей мощности от источника энергии к проводнику. В таком режиме нагрузка приравнивается сопротивлению источника питания.
Ознакомившись с основными чертами и видами таковой системы, как электрическая цепь, становится вероятным осознать принцип функционирования любого электрического оборудования. Данное устройство работы системы применяется к хоть какому электрическому бытовому устройству. Применяя приобретенные познания, можно осознать причину поломки оборудования либо оценить корректность его работы в согласовании с техническими чертами, заявленными производителем.
Источники неизменного тока
Неизменный ток — это таковой ток, который практически (так как ничего безупречного в мире нет) не меняется во времени, ни по величине, ни по направлению. Исторически 1-ые источники неизменного тока были только хим. Поначалу они были представлены только гальваническими элементами, а позднее появились и батареи.
Гальванические элементы и батареи имеют строго определенную полярность, и направление тока в них самопроизвольно не меняется, потому хим источники тока — это принципно источники неизменного тока.
Гальванический элемент
Пальчиковая батарейка АА — броский пример современного гальванического элемента. Цилиндрическая щелочная батарейка ( которую обожают именовать алкалиновой, тогда как слово «alkaline» переводится как «щелочная») содержит снутри раствор гидроксида калия в качестве электролита. На положительном полюсе батарейки находится диоксид марганца, а на отрицательном — цинк в виде порошка.
Когда наружняя цепь батарейки замыкается на нагрузку, на аноде (отрицательном полюсе) происходит хим реакция окисления цинка, сразу с этим на катоде (положительном полюсе) идет реакция восстановления оксида марганца четырехвалентного до оксида марганца трехвалентного.
В итоге с отрицательного полюса электроны бегут в сторону положительного полюса через внешнюю цепь нагрузки. Так работает источник неизменного тока — гальванический элемент.
Хим процесс в гальваническом элементе не обратим, другими словами пробовать заряжать его никчемно. Напряжение между полюсами новейшей пальчиковой батарейки 1,5 вольта, что обосновано потенциалами веществ, участвующих в хим реакции в ней.
Аккумулятор
Литий-ионный аккумулятор, в отличие от батарейки, можно после разрядки опять заряжать, так как хим процесс в нем обратим. На вид аккумулятор работает как батарейка, другими словами тоже дает в цепь нагрузки принципно только неизменный ток, но емкость у аккума обычно больше чем у батарейки приблизительно того же размера.
В процессе разрядки литиевого аккума, хим реакция на аноде (отрицательном электроде) состоит в отделении лития от углерода и его переходе в состав соли на катоде (положительном электроде). А при зарядке ионы лития вновь перебегают к углероду на аноде.
Разность потенциалов между полюсами литий-ионного аккума может доходить до 4,2 вольт. Наибольший ток находится в зависимости от площади взаимодействия электродов снутри аккума с электролитом и соответственно вместе.
Генератор
В промышленных масштабах неизменный ток получают с помощью генераторов неизменного тока. Обычно, на статоре таковой машины размещены недвижные магниты или электромагниты, наводящие во крутящихся контурах ЭДС по закону электромагнитной индукции.
Крутящиеся контуры соединены каждый с контактными пластинами щеточно-коллекторного узла, через которые средством недвижных щеток и снимается в цепь нагрузки генерируемый ток. Так как контуры контактируют с положительной и отрицательной щетками только при прохождении мимо определенных магнитных полюсов статора, ток во наружной цепи выходит выпрямленным переменным, другими словами пульсирующим неизменным.
Величина тока находится в зависимости от сечения проводов, индукции магнитного поля статора и площади статора. Величина напряжения — от скорости вращения ротора генератора и от индукции магнитного поля статора.
Солнечный элемент
Солнечные батареи также дают неизменный ток. Фотоны солнечного света попадая на фотоэлемент вызывают движение положительно заряженных дырок и негативно заряженных электронов через p-n-переход, и во наружной цепи выходит таким макаром неизменный ток.
Чем больше совокупная площадь фотоэлементов — тем больше электронов и дырок участвуют в образовании тока, тем больший ток можно получить от солнечной батареи. Генерируемое напряжение солнечной батареи находится в зависимости от интенсивности солнечного света и от количества соединенных последовательно фотоэлементов, входящих в конструкцию солнечной батареи.
Трансформатор с выпрямителем
Ранее в электронной аппаратуре для получения неизменного тока, при питании от бытовой сети переменного тока, сплошь и вблизи использовались блоки питания с трансформаторами на железе. Переменное сетевое напряжение снижалось с помощью трансформатора, а потом выпрямлялось с помощью лампового либо диодного выпрямителя.
После выпрямителя в таковой схеме всегда стоит фильтр, состоящий как минимум из конденсатора, а в наилучшем случае — из конденсатора и дросселя, да к тому же транзисторного стабилизатора напряжения, в особенности если источник тока должен быть регулируемым.
Напряжение на выходе такового блока питания находится в зависимости от количества витков вторичной обмотки трансформатора, а наибольшая величина тока — от номинальной мощности трансформатора.
Импульсный блок питания
Сейчас в радиоэлектронной аппаратуре для получения неизменного тока практически не применяют блоки питания с низкочастотными трансформаторами на железе, на смену им пришли импульсные блоки питания. В них выпрямленное сетевое напряжение поначалу снижается с помощью частотного трансформатора и транзисторных ключей, а потом выпрямляется. Ток направляется через фильтр в конденсатор фильтра.
Конструкция импульсного блока питания выходит еще меньше размером, чем с трансформатором на железе. Но шумов в выходном токе больше. Потому повышенное внимание при конструировании импульсных блоков питания уделяют фильтрации тока на выходе к нагрузке.
Напряжение на выходе импульсного блока питания находится в зависимости от устройства электронной схемы, а наибольший ток — от размера частотного трансформатора и свойства находящихся на схеме радиоэлектронных компонент.
Конденсатор и ионистор
Источником неизменного электрического тока можно именовать в определенном смысле электрический конденсатор. Конденсатор копит электрическую энергию в форме неизменного электрического поля между своими обкладками, а потом может отдавать эту энергию в форме неизменного тока либо импульсного разряда. И то и это на самом деле — неизменный ток, отличающийся только продолжительностью проявления.
Но электролитические конденсаторы сейчас выпускаются на большие емкости в тысячи и поболее микрофарад. Особенная разновидность конденсатора — ионистор (суперконденсатор) — он занимает промежуточное место между аккумом и конденсатором.
Хим процессы в ионисторе протекают фактически с таковой же скоростью как в конденсаторе, но в отличие от аккума, ионистор обладает наименьшим внутренним сопротивлением, что позволяет получать от ионисторов огромные неизменные токи в протяжении более долгого времени. Чем больше емкость конденсатора — тем больший по величине и поболее длительный ток можно получить с его помощью.
Неизменная и переменная электрическая цепь
ГОСТ
В электротехнике изучаются принципы деяния и устройства главных электротехнических устройств, которые применяются в быту и индустрии. Дабы хоть какое электротехническое устройство работало, должна создаваться электрическая цепь. Основное задачей цепи является передача электроэнергии и обеспечение устройству нужного режима работы.
Электрическая цепь: понятие и главные элементы
Электрическая цепь – это совокупа разных объектов и устройств, которые образуют путь для обычного протекания электрического тока. Электромагнитные процессы в цепях могут описываться с помощью понятий об электродвижущей силе, электрическом токе и электрическом напряжении.
Для того дабы проводить расчеты и анализ, электрическую цепь можно представить в виде электрической схемы, которая состоит из условных обозначений ее частей и методов их соединения.
Все устройства и элементы, которые входят в состав электрической цепи, условно можно систематизировать на несколько групп:
- Источники электрического питания (энергии). Общее свойство всех источников питания – это преобразование всех видов энергии в электрическую. Источники, в каких осуществляется трансформация неэлектрической энергии в электрическую, именуются первичными. Вторичными источниками являются те, в каких и на выходе, и на входе электрическая энергия. В качестве примера можно привести выпрямительные устройства.
- Потребители электроэнергии. Общее свойство всех потребителей электроэнергии – это трансформация электроэнергии в другие виды энергии. Пример – нагревательный устройство. Время от времени потребители электроэнергии именуют нагрузкой.
- Вспомогательные элементы электрической цепи. Сюда можно отнести коммуникативные устройства, соединительные провода, защитную аппаратуру, также измерительные приборы, без которых электрическая цепь не работает.
Все элементы электрической цепи охватываются одним электромагнитным процессом.
Готовые работы на аналогичную тему
Получить выполненную работу либо консультацию спеца по вашему учебному проекту Выяснить цена
Электрическая цепь с неизменным током
В электрической цепи неизменного тока электродвижущая сила, которая ориентирована вовнутрь источника электроэнергии от отрицательного полюса к положительному, возбуждает электрический ток того же направления. Его можно найти по закону Ома для всей цепи:
- $R$ — это сопротивление наружной цепи, которая состоит из соединительных проводов и приемника;
- $ R_ $ — сопротивление внутренней цепи, которая состоит из источника электроэнергии.
Если все элементы электрической цепи и их сопротивления не зависят от направления и значения тока и электродвижущей силы, то такие элементы именуют линейными.
Необходимо отметить, что в одноконтурной неизменной электрической цепи, что имеет один источник электроэнергии, ток прямо пропорционален электродвижущей силе и назад пропорционален сопротивлению цепи.
Из этого следует, что $E-R_ L = RI$, откуда:
$U = E – R_ l$ — это напряжение источника электроэнергии, которое направляется от положительного полюса к отрицательному.
При постоянной электродвижущей силе, напряжение зависит только от электрического тока, который определяет падение напряжения $ R_ l$ снутри источника электроэнергии, но только в этом случае, если сопротивление внутренней электрической цепи $ R_ = const $.
Выражение $I = \frac $ — это закон Ома для участка электрической цепи, к зажимам которого приложено напряжение $U$, что совпадает с электрическим током $I $ этого же участка цепи.
Зависимость напряжения от электрического тока $U (I)$ при $E — const$ и $ R_ = const $ именуется наружной (вольтамперной чертой линейного источника электроэнергии). По данной характеристике можно найти соответственное напряжение для любого тока, а по формулам, что приведены ниже, — высчитать мощность приемника электроэнергии:
Мощность источника электроэнергии:
КПД установки в цепи неизменного тока:
Точка Х вольтамперной свойства источника электроэнергии соответствует режиму холостого хода при разомкнутой электрической цепи. В таком случае электрический ток $l_X = 0$, а напряжение $U_X = E$.
Точка К нужна для того, дабы охарактеризовать режим недлинного замыкания, который появляется при соединении зажимов источников электроэнергии. Наружное сопротивление равняется нулю $R=0$. В данном случае формируется электрический ток недлинного замыкания $I_K = \frac >$, который в пару раз превосходит номинальный ток $I_HOM$. Это случается из-за того, что внутреннее сопротивление источника электроэнергии $R_
Точка С соответствует согласованному режиму, при котором сопротивление наружной электрической цепи равняется сопротивлению внутренней цепи $ R_ $ источника электроэнергии. В таком режиме формируется электрический ток $I_c = \frac <2R_>$ наружной цепи и отвечает большей мощности $R2_max = \frac <4R_>$. Коэффициент полезного деяния в таком случае равняется нулю: $\eta c = 0$.
Беря во внимание все вышеизложенное, согласован режим, при котором:
Режимы электрических цепей в электроэнергетических установках существенно отличаются от согласованного режима и характеризуются токами, которые обуславливают сопротивление приемников $R$ и $ R_ $. В итоге этого работа систем на высочайшем КПД.
Исследование явлений, которые протекают в электрических цепях, упрощается, если происходит их замена на схемы замещения. Эти схемы представлены в виде математических моделей с безупречными элементами. Данные схемы тщательно показывают характеристики электрической цепи и при соблюдении определенных критерий делают анализ электрического состояния цепей существенно проще.
Электрическая цепь с переменным током
Фактически во всех случаях электрическая энергия делается, перераспределяется и потребляется в виде электроэнергии переменного тока.
Переменный ток отыскал обширное использование в разных областях техники. Это все разъясняется легкостью его получения, рассредотачивания, преобразования, также простотой устройства движков и генераторов переменного тока, удобством их эксплуатации и надежностью работы.
Переменный ток меняет свое направление и значение определенное количество раз за секунду. Электроны при переменном токе движутся поначалу в одном направлении вдоль провода, после этого останавливаются на мгновение и движутся в оборотную сторону. В проводе электроны совершают колебательные движения. Из-за собственной малой скорости ($V_ = 10^ м/с = 0,1 мм/с$) при таких колебаниях электроны успевают выполнить только маленькие передвижения вдоль провода.
В большинстве случаев встречается синусоидальный переменный ток: изменение электрических величин (силы тока, электродвижущей силы, напряжения) демонстрируют с течением времени плавную кривую линию, что именуется синусоидой.
Электрические цепи, в каких направление электродвижущей силы, тока и напряжения временами меняются по синусоидальному закону, получили название «цепи синусоидального тока». Время от времени их именуют цепями переменного тока.
Для переменного тока выбирается синусоидальная форма, так как она обеспечивает экономичное создание, рассредотачивание, внедрение и передачу электроэнергии. Конкретно переменная форма электрических величин остается постоянной во всех участках цепи. Другими словами, все емкостные и индуктивные элементы, которые входят в состав электрической цепи, не меняют синусоидальной формы напряжения и тока.
Электрические цепи с переменным током, по сопоставлению с цепями неизменного тока, имеют огромное количество особенностей, которые определяются:
- прежде всего тем, что в состав электрических цепей переменного тока входят новые элементы: конденсаторы, трансформаторы, индуктивные катушки;
- тем, что переменный ток и напряжение в данных элементах порождают переменные магнитные и электрические поля, которые приводят к формированию явления самоиндукции, токов смещения и обоюдной индукции.
Все перечисленные выше особенности оказывают осязаемое воздействие на процессы, протекающие в электрической цепи. Анализ процессов в таких цепях существенно усложняется. Огромное значение для цепи переменного тока играет частота f. От ее значения зависит воздействие индуктивностей и емкостей на процессы в электрической цепи.
Особенности цепей переменного тока обуславливают ряд специфичных и новых явлений:
