Активный элемент электрической цепи: Элементы электрических цепей (Лекция N 1) - Санкт-Петербургское государственное бюджетное учреждение социального обслуживания населения

Содержание

Элементы электрической цепи замещения

1.2. Элементы электрической цепи замещения

Как было сказано выше, в электротехнике рассматриваются схемы замещения, в которых элементы представлены своими математическими моделями, с помощью которых, с допустимой точностью, описываются физические процессы, протекающие в электрической цепи. В электротехнике выделяют пять основных элементов схемы замещения, которые делятся на две группы –– пассивные и активные.

Кпассивным элементам относятся те, в которых происходит преобразование энергии электрического тока в другие виды энергии.

Кпассивным элементам относятся резистивный (характеризует процесс необратимого преобразования энергии источника питания в другие виды энергии), индуктивный (обратимого преобразования энергии источника питания в энергию магнитного поля) и емкостного (обратимого преобразования энергии источника питания в энергию электрического поля)

Кактивным элементам относятся те, в которых происходит преобразование различных видов энергии в энергию электрического тока. К активным элементам относятся источник ЭДС (активный элемент, напряжение на выводах которого не зависит от протекающего через него тока) и источник тока (активный элемент, в котором протекающий через него ток не зависит от падения напряжения на его выводах).

1.2.1. Пассивные элементы

1.2.1.1. Резистивный элемент

Сопротивление

Резистивный элемент это идеализированный элемент, характеризующий свойство реальных элементов электрической цепи необратимо преобразовывать энергию электрического тока в другие виды энергии.

Резистивный элемент, в общем случае, представляется в виде куска материала, препятствующего прохождению носителей заряда.

Падение напряжение на концах резистивного элемента пропорционально протекающему через него току:

18	1. Основные положения

u = iR.

Коэффициент

R = ui

называется сопротивлением.

1. 2. Элементы электрической цепи замещения			19
ρ = R	S	,
	l

где S –– площадь поперечного сечения проводника, l –– длинна проводника [3].

Единица измерения удельного сопротивления это ом на метр ––

[ρ] = Омм2 = Ом ∙ м.

Выражение, учитывающие зависимость удельного сопротивления материала от температуры имеет вид:

ρ = ρ0(1 + α T),

где ρ0 –– удельное сопротивление при 273,15К,

T = T − 273,15;

T –– абсолютная температура,

α –– температурный коэффициент сопротивления [3].

Удельная проводимость

Удельная проводимость это величина, обратная удельному сопро-

тивлению:

σ = 1ρ.

Единица измерения удельной проводимости это сименс на метр––

[σ] =	1	=	1	=	См	.

	ρ		Ом ∙ м
					м

Удельная электрическая проводимость связывает напряжённость электрического поля и плотность тока:

σE = j,

где j –– плотность электрического тока проводимости, E –– напряжённость электрического поля [2].

Ток и напряжение

Выражения для тока и напряжения на резистивном элементе имеют следующий вид:

20	1. Основные положения

i = Ru

u = iR

Из полученных выражений для тока и напряжения видно, что протекание тока через резистивный элемент и падение напряжения на нём не зависят от характера изменения тока и напряжения.

Мощность и энергия

Исходя из полученных ранее выражения для мощности и выражений для тока и напряжения на резистивном элементе получим:

p = ui = Ri2 = Gu2.

Из этого выражения видно, что величина мощности, при любых значениях тока и напряжения, будет положительной, т. е. резистивный элемент забирает энергию источника питания, совершая её необратимое преобразование в другие виды энергии.

Количество энергии, преобразуемой резистивным элементом за время t, равно:

W = Z−∞t

pdt = R Z0t i2dt = G Z0t u2dt.

1.2.1.2. Емкостной элемент

Ёмкость

Емкостной элемент это идеализированный элемент, характеризующий свойство реальных элементов электрической цепи запасать энергию электрического поля.

Емкостной элемент, в общем случае, представляется в виде двух проводящих поверхностей (которые называют обкладками), разделённых диэлектриком.

Величина заряда q на обкладках емкостного элемента прямо пропорциональна приложенному к ним напряжению u:

dq = Cdu.

Коэффициент

1.2. Элементы электрической цепи замещения

C = dudq

называется ёмкостью.

Единицей измерения ёмкости является фарад (назван в честь английского физика Майкла Фарадея, 1791–1867 гг.). Один фарад (1 Ф) равен электрической ёмкости конденсатора, при которой заряд в один кулон (1 Кл) создаёт на конденсаторе разность потенциалов один вольт

(1 В) [3].

[C] = КлВ = Ф.

Рис. 1.9. УГО емкостного элемента

Величина ёмкости определяется формой, размером и взаимным расположением обкладок, а также диэлектрической проницаемостью диэлектрика, расположенного между ними.

Условное графическое обозначение емкостного элемента приведено на рис. 1.9.

Ток и напряжение

Исходя из определения тока (i = dq/dt), величина заряда будет равна dq = idt, отсюда C = dq/du = idt/du. Следовательно ток и напряжение будут определятся следующими выражениями:

i = C ddut


u = C Z		idt
1

Из полученного выражения для тока видно, что его величина определяется скоростью изменения напряжения (du/dt). Чем выше эта скорость (т. е. чем больше величина du при данном dt), тем больше будет ток. Если напряжение не будет изменятся (du = 0 u = const, постоянное напряжение), то ток через емкостной элемент протекать не будет (i = 0).

Электрическая цепь. Практическая работа “Исследование электрической цепи”

Электричество

В повседневной жизни мы часто сталкиваемся с таким понятием как «электричество». Что же такое электричество, всегда ли люди знали о нём?

Без электричества представить нашу современную жизнь практически невозможно. Скажите, как можно обойтись без освещения и тепла, без электродвигателя и телефона, без компьютера и телевизора? Электричество настолько глубоко проникло в нашу жизнь, что мы порой и не задумываемся, что это за волшебник помогает нам в работе.

Этот волшебник – электричество. В чём же заключается суть электричества? Суть электричества сводится к тому, что поток заряженных частиц движется по проводнику (проводник – это вещество, способное проводить электрический ток) в замкнутой цепи от источника тока к потребителю. Двигаясь, поток частиц выполняют определённую работу.

Это явление называется «электрический ток». Силу электрического тока можно измерить. Единица измерения силы тока — Ампер, получила своё название в честь французского ученого, который первым исследовал свойства тока. Имя ученого-физика – Андре Ампер.

Открытие электрического тока и других новшеств, связанных с ним, можно отнести к периоду: конец девятнадцатого — начало двадцатого века. Но наблюдали первые электрические явления люди ещё в пятом веке до нашей эры. Они замечали, что потёртый мехом или шерстью кусок янтаря притягивает к себе лёгкие тела, например, пылинки. Древние греки даже научились использовать это явление – для удаления пыли с дорогих одежд. Ещё они заметили, что если сухие волосы расчесать янтарным гребнем, они встают, отталкиваясь друг от друга.

Вернёмся ещё раз к определению электрического тока. Ток – направленное движение заряженных частиц. Если мы имеем дело с металлом, то заряженные частицы – это электроны.

Слово «янтарь» по-гречески – это электрон.

Таким образом, мы понимаем, что всем нам известное понятие «электричество» имеет древние корни.

Электричество – это наш друг. Оно помогает нам во всём. Утром мы включаем свет, электрический чайник. Ставим подогревать пищу в микроволновую печь. Пользуемся лифтом. Едем в трамвае, разговариваем по сотовому телефону. Трудимся на промышленных предприятиях, в банках и больницах, на полях и в мастерских, учимся в школе, где тепло и светло. И везде «работает» электричество.

Как и многое в нашей жизни, электричество, имеет не только положительную, но и отрицательную сторону. Электрический ток, как волшебника-невидимку, нельзя рассмотреть, учуять его по запаху. Определить наличие или отсутствие тока можно только, используя приборы, измерительную аппаратуру. Первый случай поражения электрическим током со смертельным исходом был описан в 1862 году. Трагедия произошла при непреднамеренном соприкосновении человека с токоведущими частями.

В дальнейшем случаев поражения электрическим током произошло немало.

(https://detskiychas.ru/rasskazy/rasskaz_electrichestvo_detyam/)

Электрическая цепь

Электрическая цепь – это совокупность различных устройств и соединяющих их проводников, образующих путь для электрического тока, в которой электромагнитные процессы могут быть описаны с помощью понятий ЭДС, напряжения и тока.

При изучении электрических цепей возможно два подхода – энергетический и информационный. Энергетический подход предполагает изучение процессов получения, преобразования, передачи и использования электромагнитной энергии и связан с определением токов и напряжений на участках цепи. Информационный подход предполагает изучение процессов формирования, преобразования, передачи и приема сигналов и связан с установлением реакции цепи на некоторое воздействие.

В составе электрической цепи можно выделить источники электрической энергии и приемники электрической энергии. К первичным источникам электрической энергии относят различные устройства, в которых происходит преобразование неэлектрической энергии в электрическую (генераторы, гальванические элементы, аккумуляторы, солнечные батареи, микрофоны и т. п.). Приемники электрической энергии – это устройства, в которых электрическая энергия преобразуется в другие виды энергии или накапливается (двигатели, резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, громкоговорители и т.д.).

Особый класс электрических устройств образуют вторичные источники энергии, в которых осуществляются различные преобразования электрической энергии (преобразование переменного тока в постоянный и обратное преобразование, понижение или повышение напряжения и др.). К вторичным источникам энергии относят трансформаторы, выпрямители, стабилизаторы, инверторы и т.п.). По отношению к первичным источникам энергии, вторичные источники являются приемниками энергии, но по отношению к остальной части цепи их можно рассматривать как источники энергии.

При расчетах реальные объекты электрических цепей заменяют их идеализированными моделями или элементами электрической цепи. Под элементом электрической цепи будем понимать идеализированную модель физически существующей части устройства, которой приписаны определенные электрические и магнитные свойства.

По энергетическому признаку все элементы электрических цепей делят на активные и пассивные. К активным относят элементы, которые отдают электрическую энергию в цепь (источники напряжения и источники тока). К пассивным относят элементы, которые преобразуют электрическую энергию в другие виды энергии или накапливают. Таковыми являются сопротивление, индуктивность и емкость.

Если электрическая цепь содержит хотя бы один активный элемент, то такую цепь называют активной. Если цепь состоит только из пассивных элементов, то такую цепь называют пассивной.

Каждый элемент электрической цепи может быть охарактеризован с качественной и с количественной стороны. С качественной стороны элемент характеризуется его физическими свойствами, которые определяют назначение и функцию элемента. С количественной стороны элемент цепи характеризуется своим параметром. Под параметром будем понимать количественную характеристику какого-либо свойства.

Кроме рассмотренных нами основных элементов, электрическая цепь содержит также вспомогательные элементы: соединительные проводники, разъемы, переключатели, зажимы, которые называют элементами соединений и коммутации.

Информацию о составе электрической цепи и связях между ее элементами отображают графически в виде электрической схемы, на которой основные и вспомогательные элементы цепи изображают в виде условных графических обозначений.

(https://znanija.com/task/27429539)

Теперь о наболевшем. Электрический ток совершает работу когда цепь замкнута. Соответственно зная мощность нагрузки и напряжение в цепи мы можем определить силу тока протекающую через цепь и сопротивление замкнутой цепи. Это необходимо знать для подбора компонентов нагузки и для безопасной работы всей электрической цепи.

Практическая работа “Исследование электрической цепи”

Исходная электрическая цепь

электрическая цепь_1

Строим элктрическую цепь_1 в TinkerCad, пример как она должна выглядеть ниже. Начальные установки сети. напряжение 12 вольт. Показания амперметра после замыкания выключателя(ключа) записать в тетрадь с названием электрическая схема_1.

виртуальная электрическая цепь_1

Усложняем электрическую цепь добавив в нее дополнительную нагрузку L2 и L3, вольтметры V1, V2 и амперметры А1, A2. Нагрузка L2 и L3 подключены последовательно нагрузке L1 через амперметры A1 и A2. Напряжение источника 12v. Виртуальную цепь строим самостоятельно отдельным проектом “Электрическая цепь2”. Проводим экспиремент и записываем показания приборов контроля в терадь с коментарием последовательная нагрузка


электрическая цепь_2

Создадим электрическую цепь с паралельным соединением нагрузки. Как показано на схеме ниже в новом проекте “Электрическая цепь3”. Проводим экспиремент и записываем показания приборов контроля в терадь с коментарием паралельная нагрузка.

‘электрическая цепь_3

В тетради ответить на вопрос “что изменилось в показаниях контрольно-измерительных приборов(КИП) при:”

последовательном соединении нагрузки
паралельном соединении нагрузки

активных и пассивных компонентов — в чем разница между ними? — Франчайзинговый дистрибьютор электронных компонентов — Военный сертифицированный производитель

Два типа электронных устройств

Электронные элементы, составляющие цепь, соединены вместе проводниками, чтобы сформировать законченную цепь.

Активные компоненты
Пассивные компоненты

Активные компоненты

Активный компонент — это электронный компонент, который подает энергию в цепь.

Обычные примеры активных компонентов включают:

Источники напряжения
Источники тока
Генераторы (такие как генераторы и генераторы DC)
Все различные виды транзисторов (такие как биполельные прикладные прикладные, трансляции, трансляции, трансляции, трансляции биполяра. МОП-транзисторы, полевые транзисторы и JFET)
Диоды (например, стабилитроны, фотодиоды, диоды Шоттки и светодиоды)

Источники напряжения

Источник напряжения является примером активного компонента в цепи. Когда ток уходит с положительной клеммы источника напряжения, в цепь подается энергия. Согласно определению активного элемента, аккумулятор также можно рассматривать как активный элемент, поскольку он непрерывно подает энергию в цепь во время разрядки.

Источники тока

Источник тока также считается активным компонентом. Ток, подаваемый в цепь идеальным источником тока, не зависит от напряжения в цепи. Поскольку источник тока управляет потоком заряда в цепи, он классифицируется как активный элемент.

Транзисторы

Хотя это и не так очевидно, как источник тока или напряжения, транзисторы также являются активным компонентом схемы. Это связано с тем, что транзисторы способны усиливать мощность сигнала (см. нашу статью о транзисторах в качестве усилителя, если вы хотите точно знать, как это сделать).

Пассивные компоненты

Пассивный компонент представляет собой электронный компонент, который может только получать энергию, которую он может рассеивать, поглощать или хранить в электрическом или магнитном поле. Пассивные элементы не нуждаются в какой-либо форме электроэнергии для работы.

Как следует из названия «пассивный» — пассивные устройства не обеспечивают усиление или усиление. Пассивные компоненты не могут усиливать, генерировать или генерировать электрический сигнал.

Обычные примеры пассивных компонентов включают:

Резисторы
Индукторы
Конденсаторы
Трансформеры

СОВЕТЫ. энергии в цепь. Вместо этого резисторы могут получать только энергию, которую они могут рассеивать в виде тепла, пока через них протекает ток.

Катушки индуктивности

Катушка индуктивности также считается пассивным элементом цепи, поскольку она может накапливать в себе энергию в виде магнитного поля и может передавать эту энергию в цепь, но не непрерывно. Способность индуктора поглощать и отдавать энергию ограничена и имеет временный характер. Поэтому в качестве пассивного элемента цепи взята катушка индуктивности.

Конденсаторы

Конденсатор считается пассивным элементом, поскольку он может накапливать в себе энергию в виде электрического поля. Энергоемкость конденсатора ограничена и непостоянна — он на самом деле не поставляет энергию, а хранит ее для последующего использования.

Как таковой он не считается активным компонентом, поскольку энергия не передается и не усиливается.

Трансформаторы

Трансформатор также является пассивным электронным компонентом. Хотя это может показаться удивительным, поскольку трансформаторы часто используются для повышения уровня напряжения, помните, что мощность поддерживается постоянной.

Когда трансформаторы повышают (или понижают) напряжение, мощность и энергию остаются одинаковыми на первичной и вторичной стороне. Поскольку энергия на самом деле не усиливается, трансформатор классифицируется как пассивный элемент.

Источник: Electrical 4U.com

Основное различие между активными и пассивными компонентами

Следующий базовый пояснительный пост с примерами показывает основное различие между активными и пассивными компонентами.

Активные компоненты:

Те устройства или компоненты, которым для работы в цепи требуется внешний источник, называются активными компонентами.

Например: Диод, транзистор, тринистор и т. д.

Объяснение: Как мы знаем, диод является активным компонентом. Следовательно, для работы в цепи требуется внешний источник.

Это связано с тем, что если мы подключим диод в цепь, которая дополнительно подключена к напряжению питания, диод не будет проводить ток (ни в прямом, ни в обратном направлении), пока уровень напряжения не достигнет 0,3 В (в случае Германий) или 0,7 В (в случае кремния).

Пассивные компоненты:

Те устройства или компоненты, которым не требуется внешний источник для работы в цепи, называются пассивными компонентами.

Например: Резистор, конденсатор, индуктор и т. д.

Пояснение: Пассивные компоненты (такие как резисторы, конденсаторы, индукторы и т. д.) не требуют внешнего источника для своей работы.

Как и Диод, Резистор не требует 0,3В или 0,7В. Т.е. когда мы подключаем резистор к напряжению питания, он начинает работать и мгновенно срабатывает в цепи без использования дополнительного и условного удельного напряжения как в случае диодов и т.п. , То же самое относится к катушкам индуктивности, конденсаторам и т. д.

Сравнение активных и пассивных элементов и устройств Пассивные компоненты

Активный компонент	Пассивный компонент
Активное устройство преобразует и подает мощность или энергию в цепь.	Пассивное устройство использует мощность или энергию в цепи.
Примеры: диод, транзистор, тиристор, ИС, генератор постоянного тока, источники тока и напряжения и т. д.	Примеры: резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы, двигатели и т. д.
Активный элемент вырабатывает энергию в виде напряжения или тока.	Пассивный элемент накапливает энергию в виде напряжения или тока.
Они имеют функцию и обеспечивают усиление мощности (усилитель).	Не имеют функции увеличения мощности.
Может управлять потоком тока.	Он не может управлять потоком тока.
Активным компонентам для работы в цепи требуется внешний и условный источник.	не требуют внешнего источника для работы в цепи.
Коэффициент усиления больше 1, поэтому они могут усиливать сигнал.	Коэффициент усиления меньше 1, поэтому они не могут усилить сигнал.
Они являются донорами энергии.	Они являются акцепторами энергии.
Они относятся к линейной категории.	Они относятся к категории Нелинейные.

Другими словами: