Электрическая цепь элементы электрической цепи: Электрические цепи — урок. Физика, 8 класс. - Санкт-Петербургское государственное бюджетное учреждение социального обслуживания населения

Содержание

Элементы электрических цепей и схем

Для цепи постоянного тока пользуются понятиями двух основных элементов схемы: источника энергии с ЭДС Е и внутренним сопротивлением r_вт (рис. 1.2, а) и резистивного элемента — приемника (нагрузки) с сопротивлением r (рис. 1.2, б). Таким образом, применяя в дальнейшем термин «схема замещения», или, короче, «схема», будем подразумевать и соответствующую цепь. В дальнейшем, если нет специальных указаний, сопротивление соединяющих проводов не будет учитываться, так как оно должно быть много меньше сопротивления приемников.
Электродвижущая сила Е (рис. 1.2, а) численно равна разности потенциалов φ или напряжению U между положительным и отрицательным выводами 1 и 2 источника энергии при отсутствии в нем тока, т. е. как говорят, в режиме холостого хода, независимо от физической природы ее возникновения (контактная ЭДС, термо-ЭДС и т. д.):

Электродвижущую силу Е можно определить как работу сторонних (не электрических) сил, присущих источнику, затрачиваемую на перемещение единицы положительного заряда внутри источника от вывода с меньшим потенциалом к выводу с большим потенциалом. Направление действия ЭДС (от отрицательного вывода к положительному) указывается на схеме стрелкой.

Если к выводам источника энергии присоединить приемник (нагрузить), то в замкнутом контуре этой простейшей цепи возникает ток I (рис. 1.3), при этом напряжение или разность потенциалов на выводах 1 и 2 уже не будут равны ЭДС вследствие падения напряжения U_вт внутри источника энергии, т. е. на его внутреннем сопротивлении r_вт:

На рис. 1.4 представлена одна из наиболее типичных, так называемых внешних характеристик U₁₂(I) = U(I), т.е. зависимость напряжения на выводах нагруженного источника энергии от тока. Как показано на рисунке, при увеличении тока от нуля до

напряжение на выводах источника энергии убывает практически по линейному закону:

Иначе говоря, при Е = const падение напряжения внутри источника энергии U_вт в указанных пределах растет пропорционально току. При дальнейшем росте тока нарушается пропорциональность между его значением и падением напряжения внутри источника энергии — внешняя характеристика не остается линейной. Такое уменьшение напряжения вызвано у одних источников энергии уменьшением ЭДС, у других увеличением внутреннего сопротивления, а у третьих одновременным уменьшением ЭДС и увеличением внутреннего сопротивления.
Развиваемая источником энергии мощность определяется равенством

Здесь следует указать на установившееся в электротехнике неточное применение термина «мощность». Так, например, говорят о генерируемой, отдаваемой, передаваемой, потребляемой мощности. В действительности генерируется, отдается, получается не мощность, а энергия. Мощность характеризует интенсивность энергетического процесса и измеряется количеством генерируемой, отдаваемой, передаваемой и других видов энергии в единицу времени. Поэтому правильно было бы говорить о мощности генерирования энергии, о мощности передачи энергии и т. д. Следуя традициям электротехники, будем применять приведенные выше краткие выражения.
Сопротивление приемника r (см. рис. 1.2,6) характеризует потребление электрической энергии, т. е. превращение электрической энергии в другие виды, при мощности

В общем случае сопротивление приемника зависит от тока в этом приемнике r(I).
По закону Ома напряжение на сопротивлении приемника, которое называется еще сопротивлением нагрузки?

U = rI. (1.4)

Отметим, что к открытию этого закона довольно близко подошел еще в 1801 -1802 гг. акад. В. В. Петров. Позднее, в 1826 г., этот закон был сформулирован Омом.
Наряду с сопротивлением для расчета цепей вводят понятие проводимости

g = 1/r.

Единица измерения тока (силы тока) называется ампер (1 А), ЭДС и напряжения — вольт (1 В), сопротивления — ом (1 Ом), причем 1 Ом = 1 В/1 А, проводимости — сименс (1 См = 1 / Ом), мощности — ватт (1 Вт = 1 В 1 А). При измерении всех величин можно применять кратные и дольные единицы, например килоампер (1 кА = 1000А), милливольт (1 мВ = 0,001 В), мегаом (1 МОм = 1000000 Ом), микроватт и т. д.
На практике часто бывает задана не зависимость сопротивления от тока r(I) приемника или резистивного элемента, представляющего приемник на схеме, а зависимость напряжения на резистивном элементе от тока U_ab(I) = U(I) или обратная зависимость тока от напряжения I (U). Характеристики U (I) и I (U) получили распространенное, хотя и не совсем точное название вольт-амперных (ВАХ).

На рис. 1.5 представлены ВАХ лампы с металлической нитью U₁(I) и лампы с угольной нитью U₂(I). Как показано на рисунке, связь между напряжением и током каждой лампы — нелинейная. Сопротивление лампы с металлической нитью растет с увеличением тока, а сопротивление лампы с угольной нитью с увеличением тока падает.
Электрические цепи, содержащие элементы с нелинейными характеристиками, называются нелинейными.
Если принять ЭДС источников энергии, их внутренние сопротивления и сопротивления приемников не зависящими от токов и напряжений, то внешние характеристики источников энергии U₁₂ (I) = U (I) и ВАХ приемников U_ab(I) = U(I) будут линейными (рис. 1.6).
Электрические цепи, состоящие только из элементов с линейными характеристиками, называют линейными.
Режим работы большого числа реальных электрических цепей дает возможность отнести их к линейным. Поэтому изучение свойств и методов расчета линейных электрических цепей представляет не только теоретический, но и значительный практический интерес.

§ 6. Электрическая цепь и ее элементы

Составные элементы электрической цепи. Электрическую цепь (рис. 12, а) образуют источники электрической энергии 1, ее приемники 3 (потребители) и соединительные провода. В электрическую цепь обычно включают также вспомогательное оборудование: аппараты 4, служащие для включения и выключения электрических установок (рубильники, переключатели и др.), электроизмерительные приборы 2 (амперметры, вольтметры, ваттметры), защитные устройства (предохранители, автоматические выключатели).

В качестве источников электрической энергии применяют главным образом, электрические генераторы и гальванические элементы или аккумуляторы. Источники электрической энергии часто называют источниками питания.

В приемниках электрическая энергия преобразуется в другие виды энергии. К приемникам относятся электродвигатели, различные электронагревательные приборы, лампы накаливания, электролитические ванны и др.

Электрическая цепь может быть разделена на два участка: внешний и внутренний. Внешний участок, или, как говорят, внешняя цепь, состоит из одного или нескольких приемников электри-

Рис. 12. Простейшая электрическая цепь постоянного тока (а) и ее принципиальная схема (б)

ческой энергии, соединительных проводов и различных вспомогательных устройств, включенных в эту цепь. Внутренний участок, или внутренняя цепь,— это сам источник.

Изображение электрических цепей и их элементов. В схемах реальных электрических устройств (электровозов, тепловозов и др.) отдельные элементы имеют свои условные обозначения в соответствии с государственными стандартами.

При составлении расчетных схем элементы электрической цепи, имеющие некоторое сопротивление, например электрические лампы, электронагревательные приборы (в том числе и соединительные провода, если их необходимо учитывать при расчете), изображают в виде сосредоточенных в соответствующем месте схемы резисторов с сопротивлением R (рис. 12, б). То же относится к элементам, имеющим индуктивность (обмотки генераторов, электродвигателей и трансформаторов) и емкость (конденсаторы). На расчетных схемах их изображают в виде сосредоточенных в соответствующем месте катушек индуктивности и конденсаторов. Источники электрической энергии в схеме электрической цепи часто могут быть представлены в виде идеализированных источников, у которых внутреннее сопротивление Ro = 0.

Для того чтобы учесть внутреннее сопротивление реального источника, в схему вводят изображение резистора с сопротивлением Ro или ставят букву Ro возле условного обозначения источника.

Вспомогательные элементы электрических цепей (аппараты для включения и выключения, защитные устройства, некоторые электроизмерительные приборы) в большинстве случаев имеют малые сопротивления и практически не оказывают влияние на значения токов и напряжений, поэтому при расчете электрических цепей их не принимают во внимание и не указывают на схемах.

Направления тока, напряжения и э. д. с. в электрической цепи. В схемах электрических цепей направления тока, напряжения и э. д. с. изображают стрелками. За положительное направление тока принято направление движения положительных зарядов, т. е. ток во внешней цепи изображают стрелкой I, направленной от положительного зажима источника электрической энергии к отрицательному его зажиму (см. рис. 12, б), во внутренней цепи ток направлен от отрицательного зажима к положительному. Положительное направление напряжения совпадает с положительным направлением тока. Стрелка U направлена от положительного зажима источника или приемника к отрицательному зажиму. Положительное направление э. д. с. совпадает с положительным направлением тока внутри источника (стрелка Е направлена от отрицательного зажима источника к положительному).

В сложных электрических цепях бывает затруднительно показать действительные направления тока и напряжения на отдельных участках цепи. В таких случаях принимают произвольно какие-либо их направления, которые считают условно положительными, и для этих направлений выполняют расчет электрической цепи. Если в результате расчета выясняется, что какие-то токи и напряжения имеют положительный знак, то это означает, что выбранные для них направления соответствуют действительности. Если же какие-то токи и напряжения получаются отрицательными, то в действительности они имеют направление, противоположное выбранному.

Элементы цепей и типы цепей

Редакция

Элемент цепи представляет собой идеализированную математическую модель двухполюсного электрического устройства, которое полностью характеризуется соотношением напряжения и тока. Хотя идеальные элементы схемы не являются готовыми компонентами схемы, их важность заключается в том, что они могут быть соединены между собой (на бумаге или на компьютере) для аппроксимации реальных схем, состоящих из неидеальных элементов и различных электрических компонентов. что позволяет проводить анализ таких цепей.

Элементы цепи можно разделить на категории активных или пассивных .

Активные элементы схемы

Активные элементы схемы могут обеспечивать ненулевую среднюю мощность в течение неопределенного времени. Существует четыре типа активных элементов схемы, и все они называются идеальным источником . К ним относятся:

Независимый источник напряжения
Независимый источник тока
Зависимый источник напряжения
Зависимый источник тока

Пассивные элементы цепи

Пассивные элементы цепи не могут обеспечивать ненулевую среднюю мощность в течение неопределенного времени. Некоторые пассивные элементы способны накапливать энергию и, следовательно, возвращать ее обратно в цепь через какое-то время, но они не могут делать это бесконечно.

Существует три типа пассивных элементов схемы. Это:

Резистор
Катушка индуктивности
Конденсатор

Типы цепей

Соединение двух или более элементов цепи образует электрическую сеть . Если сеть содержит хотя бы один замкнутый путь, она также является электрической цепью . Сеть, содержащая хотя бы один активный элемент, то есть независимый или зависимый источник, является активной сетью . Сеть, не содержащая активных элементов, является пассивной сетью .

Независимые источники

Независимые источники — это идеальные элементы цепи, которые обладают значением напряжения или тока, не зависящим от поведения цепей, к которым они принадлежат.

Независимый источник напряжения

Независимый источник напряжения характеризуется напряжением на клеммах, которое полностью не зависит от тока через него. Представление независимого источника напряжения показано ниже:

Если значение источника напряжения постоянно, то есть не меняется со временем, то мы также можем представить его как идеальная батарея :

Хотя «настоящая» батарея не идеальна, во многих случаях идеальная батарея является очень хорошим приближением.

В целом, однако, напряжение, создаваемое идеальным источником напряжения, является функцией времени. В этом случае мы символически представляем напряжение как v ( t ).

Несколько типичных сигналов напряжения показаны ниже. Формы сигналов на (a) и (b) представляют собой типичные сигналы амплитудной модуляции (АМ) и частотной модуляции (ЧМ) соответственно. Оба типа сигналов используются в потребительской радиосвязи. Синусоида, показанная на (c), имеет множество применений; например, это форма обычного бытового напряжения. «Импульсная последовательность», такая как в (d), может использоваться для управления двигателями постоянного тока с переменной скоростью.

Поскольку напряжение, создаваемое источником, в целом является функцией времени, наиболее общее представление идеального источника напряжения показано ниже:

Независимый источник тока устанавливает ток, который не зависит от напряжения на нем. Представление независимого источника тока показано ниже:

Другими словами, идеальный источник тока – это устройство, которое при подключении к чему-либо , всегда будет выталкивать ток ( is) из клеммы 1 и вытягивать i s в клемму 2

Поскольку ток, создаваемый источником, находится в обычно является функцией времени, то наиболее общее представление об идеальном источнике тока показано ниже:

Будьте первым, кто получит эксклюзивный контент прямо на вашу электронную почту.

Обещаем не спамить. Вы можете отписаться в любое время.

Неверный адрес электронной почты

Категории Электронные устройства и схемы
2023 © Воспроизведение без явного разрешения запрещено. – Курсы PLC SCADA – Сообщество инженеров
Основные элементы схемы – резистор, индуктор и конденсатор
В электротехнике и электронике мы часто сталкиваемся с двумя терминами «схема» и «элемент схемы» . Где элемент электрической цепи является самым элементарным строительным блоком электрической цепи, а электрическая цепь представляет собой взаимосвязь различных элементов схемы, соединенных таким образом, что они образуют замкнутый путь для протекания тока.
Технически элемент электрической цепи представляет собой математическую модель электрического устройства и может быть полностью охарактеризован соотношением напряжения и тока. Кроме того, элемент схемы, являющийся основным строительным блоком, не может быть разделен на другие устройства.
Существует три основных элемента схемы, которые мы используем для формирования различных электрических и электронных схем: Резистор, Катушка индуктивности и Конденсатор . В этой статье мы подробно узнаем об этих трех элементах.
Что такое резистор?
Элемент электрической цепи, создающий электрическое трение или сопротивление на пути электрического тока, называется резистором. Характеристика, по которой он противостоит потоку тока, известна как сопротивление . Сопротивление резистора обозначается символом R и измеряется в Ом ($\mathrm{\Omega}$) . Типичный символ цепи резистора показан на следующем рисунке.
Напряжение на резисторе прямо пропорционально току, протекающему через него. Следовательно, с точки зрения отношения напряжения к току, если напряжение на элементе прямо пропорционально току через него, то этот элемент называется 9.0141 резистор .
Типы резисторов
Резисторы можно классифицировать по разным типам на основе разных параметров.
В зависимости от закона Ома резисторы можно разделить на следующие два типа –
Линейные резисторы
Нелинейные резисторы
Резистор, который подчиняется закону Ома, называется линейным резистором или омическим резистором

. С другой стороны, если резистор не подчиняется закону Ома, то он называется 9.0141 нелинейный резистор или неомический резистор .
В зависимости от изменения значения сопротивления существует два типа резисторов –
Постоянные резисторы
Переменные резисторы
Резисторы, значение сопротивления которых остается постоянным и никогда не может быть изменено, известны как постоянные резисторы . Где, резисторы, значение которых может быть изменено, известны переменные резисторы .
Резистор всегда преобразует электрическую энергию в тепловую и, следовательно, рассеивает энергию, которую невозможно получить в более поздний момент времени.
9{2}t}{R}}$$
Эквивалентное сопротивление резисторов, соединенных последовательно, определяется выражением,
$$\mathrm{R_{s}=R_{1}+R_{2}+R_{3 }+…+R_{n}}$$
Эквивалентное сопротивление параллельно соединенных резисторов определяется выражением,
$$\mathrm{\frac{1}{R_{p}}=\frac{1 }{R_{1}}+\frac{1}{R_{2}}+\frac{1}{R_{3}}+…+\frac{1}{R_{n}}}$$
Что такое индуктор?
Катушка индуктивности представляет собой провод конечной длины, скрученный в катушку. Катушка индуктивности также является основным элементом схемы, который используется для введения индуктивности в электрическую или электронную цепь. Катушка индуктивности обладает свойством, известным как индуктивность , которые противодействуют любому изменению электрического тока. Символ цепи типичного индуктора показан на следующем рисунке.
С точки зрения отношения напряжения к току, если элемент цепи с двумя выводами, напряжение на выводах которого прямо пропорционально производной тока по времени, то этот элемент называется катушкой индуктивности . Следовательно, математическое соотношение между напряжением и током катушки индуктивности определяется выражением
$$\mathrm{v∝\frac{di}{dt}}$$
$$\mathrm{\Rightarrow\;v=L\frac{di}{dt}}$$
Из этого выражения видно, что напряжение на индукторе было бы равно нулю, если бы сквозное его оставалось постоянным. Следовательно, катушка индуктивности с постоянным током ведет себя как катушка короткого замыкания. Кроме того, если ток через индуктор заряжается за нулевое время, то он дает бесконечное напряжение на индукторе, что практически невозможно. Следовательно, ток через индуктор не может резко измениться.
Очень важным свойством индуктора является то, что он может хранить конечное количество энергии в виде магнитного поля. Идеальный индуктор не рассеивает энергию, а только накапливает ее. 9{2}}$$
Эквивалентная индуктивность катушек индуктивности, соединенных последовательно, определяется выражением,
$$\mathrm{L_{s}=L_{1}+L_{2}+L_{3}+… +L_{n}}$$
Эквивалентная индуктивность катушек индуктивности, соединенных параллельно, определяется выражением,
$$\mathrm{\frac{1}{L_{p}}=\frac{1}{L_{1 }}+\frac{1}{L_{2}}+\frac{1}{L_{3}}+. ..+\frac{1}{L_{n}}}$$
Что такое Конденсатор?
Элемент электрической цепи, обладающий способностью накапливать электрическую энергию в виде электрического поля, называется конденсатор . Свойство конденсатора, благодаря которому он накапливает электрическую энергию, известно как емкость .
Другими словами, элемент схемы, напряжение на выводах которого прямо пропорционально интегралу тока по времени, называется конденсатором , т. е.
$$\mathrm{v=\int\;i\; dt}$$
Простой конденсатор состоит из двух металлических пластин, разделенных изоляционным материалом. Этот изоляционный материал называется диэлектриком и хранит электрическую энергию в виде электрического поля. В зависимости от типа используемого диэлектрического материала существует несколько типов конденсаторов, таких как бумажный конденсатор, воздушный конденсатор, слюдяной конденсатор, керамический конденсатор, электролитический конденсатор и т. д.
Типы конденсаторов
Могут также классифицироваться на основании их полярности как −
Поляризованные конденсаторы
Неполяризованные конденсаторы

Поляризованный конденсатор имеет фиксированную полярность выводов, а его выводы отмечены фиксированной положительной и отрицательной полярностью. Таким образом, поляризованные конденсаторы можно использовать только в цепях постоянного тока. С другой стороны, неполяризованный конденсатор имеет нефиксированную полярность выводов, поэтому этот тип конденсатора также можно использовать в цепях переменного тока.
В зависимости от изменения емкости конденсаторы могут быть двух типов, а именно постоянные конденсаторы и переменные конденсаторы
.
Выражение тока конденсатора:
$$\mathrm{i=C\frac{dv}{dt}}$$
Из этого выражения видно, что если напряжение на постоянна, то ток через нее равен нулю. Это означает, что конденсатор при подаче постоянного напряжения действует как короткое замыкание. Конденсатор может хранить конечное количество энергии в виде электрического поля. Кроме того, идеальный конденсатор не рассеивает энергию, а только хранит ее. 9{2}}$$
Эквивалентная емкость последовательно соединенных конденсаторов определяется выражением
$$\mathrm{\frac{1}{C_{s}}=\frac{1}{C_{1}} +\frac{1}{C_{2}}+\frac{1}{C_{3}}+.