Электрическая цепь и ее составляющие: основные элементы, пример простой схемы

Общие сведения

Под электрической схемой понимают совокупность различных радиоэлектронных блоков, соединенных между собой проводниками. Задача такой комбинации — обеспечить протекание электрического тока с заданными свойствами. Параметры такой системы описываются тремя основными величинами:

• ток — упорядоченное движение носителей заряда, вызванное действием внешних сил, например, электромагнитного поля;
• напряжение — работа, совершаемая для перемещения заряженной частицы из одной точки тела в другую;
• сопротивление — величина, которая зависит от импеданса каждого элемента в цепи.

Существует два способа анализа электрической цепи — энергетический и информационный. Первый относится к изучению процессов, связанных с преобразованием и переносом энергии. Найти токи и напряжения в различных точках цепи. Второй предполагает уточнение реакции при изменении внешнего воздействия.

В электрической цепи есть два состояния — замкнутое и разомкнутое. Если где-то есть щель, через нее не будет течь ток. Это означает, что не будет разности потенциалов (напряжения) между двумя точками на открытом участке. С другой стороны, замкнутая цепь обеспечивает циркуляцию электрических зарядов. Соединение между элементами схемы осуществляется с помощью проводников. То есть тела с небольшим сопротивлением.

Для того, чтобы произошло движение электронов, необходим источник энергии — энергия. Это генератор, который вырабатывает ток или напряжение. Они называют это источником. Отличие генераторов в том, что токовый способен поддерживать постоянную силу тока на выходе вне зависимости от остальной схемы. Источник напряжения создает постоянную электродвижущую силу (ЭДС), на величину которой не влияет сила тока в цепи.

Генерируемая энергия должна быть куда-то направлена, то есть где-то использована. Устройство, которое забирает себе энергию, называется потребителем. Это может быть любой элемент цепи, не являющийся генератором и обладающий сопротивлением.

Таким образом, простейшая электрическая цепь состоит из трех элементов — источника энергии, проводников и потребителя. Реальная электрическая цепь может содержать любое количество потребителей. Некоторые из них могут накапливать энергию, а затем отдавать ее, а другие просто потребляют ее и трансформируют в другую форму.

Элементы электрической цепи

Источники тока и напряжения являются активными элементами электрической цепи. К ним также относятся полупроводниковые приборы, такие как транзисторы, диоды. Индуктивность, конденсатор, сопротивление, наоборот, считаются пассивными элементами.

В зависимости от частей, входящих в цепь, она может быть пассивной или активной. В первом случае она состоит только из электрически независимых элементов, но если в ней есть хотя бы один активный, то цепь считается энергозависимой.

Каждый узел в электрической цепи можно охарактеризовать с двух сторон:

• качество – зависит от физических параметров, определяет назначение и функцию элемента;
• количественный — характеризует размер подразделения.

Источники питания делятся на первичные и вторичные. К первой относятся генераторы, то есть устройства, преобразующие различные виды энергии в электричество. Это могут быть аккумуляторы, электрические машины, гальванические батареи. Вторичные источники преобразуют электричество из одной формы в другую. К ним относятся блоки с выпрямлением, инверсией, преобразованием.

Вспомогательные элементы – это те, которые обеспечивают правильную работу электрической цепи. Это всевозможные проводники, коммутационные аппараты, измерительная и защитная аппаратура. Потребителем является оборудование, преобразующее электроэнергию в полезную работу. Например, отопительный агрегат, вентиляция, моторы, различная бытовая и промышленная техника.

Другими словами, от источника ток начинает течь по проводникам через ряд электронных устройств, приводя свою характеристику к нужному виду. Затем он подвергается нагрузке, которая сопротивляется и работает. Далее через потребителя ток возвращается к источнику. Замыкание линии, вне зависимости от используемых элементов, необходимо, так как в противном случае разности потенциалов нет.

Соединение элементов в цепи может быть реализовано тремя способами:

• параллельно – начала разных устройств соединяются в одной точке, а концы в другой;
• последовательный – все части схемы соединяются друг с другом по очереди;
• смешанный – сочетание двух предыдущих типов.

Перечислить все радиоэлементы достаточно сложно, так как их очень много. Но можно выделить самые важные: сопротивление, индуктивность, конденсатор, транзистор, диод, интегральная схема, излучатели света и фотоприемники.

Классификация электрических цепей

По договоренности электрические схемы бывают:

• Силовые электрические цепи;
• Электрические цепи управления;
• Электрические измерительные схемы;

Силовые цепи предназначены для передачи и распределения электрической энергии. Именно силовые цепи проводят питание к потребителю.

Также цепи делятся по силе тока в них. Например, если сила тока в цепи превышает 5 ампер, цепь является токовой. Когда вы щелкаете чайником, подключенным к розетке, вы замыкаете цепь.

Электрические цепи управления не являются электрическими и предназначены для включения или изменения рабочих параметров электрических устройств и оборудования. Примером схемы управления является оборудование контроля, управления и сигнализации.

Схемы электрических измерений предназначены для регистрации изменений параметров электрооборудования.

Вариант 3

1. Выразите в амперах силу тока, равную 4250 мА и 0,8 кА.

1) 42,5 А и 80 А 2) 42,5 А и 800 А 3) 4,25 А и 800 А 4) 4,25 А и 80 А

2. В какой электрической лампе амперметр измеряет ток, включенный, как показано на схеме?

1) Нет. 1 2) Нет. 2 3) в некоторых из них

3. Какую работу совершит электрический ток в реостате, напряжение которого 35 В, если через него пройдет заряд, равный 10 Кл?

1) 35 Дж 2) 350 Дж 3) 70 Дж 4) 700 Дж

4. Как включается в цепь вольтметр?

1) параллельно участку цепи, где измеряется напряжение 2) последовательно участку цепи, где измеряется напряжение 3) однозначного ответа нет: в разных цепях по-разному

5. В каких единицах измеряется сопротивление проводников?

1) в вольтах (В) 2) в кулонах (C) 3) в омах (Ом) 4) в амперах (A)

6. Какая из приведенных здесь формул выражает закон Ома?

1) U = A/q 2) ​​I = q/t 3) P = A/t 4) I = U/R

7. Сила тока в электрической лампе 0,44 А, сопротивление ее горячей нити накала 500 Ом. При каком напряжении горит?

1) 220 В 2) 22 В 3) 8,8 В 4) 88 В

8. Сопротивление проводника 450 Ом, напряжение на концах 90 В. Найти силу тока в этом проводнике.

1) 0,5 А 2) 5 А 3) 20 А 4) 0,2 А

9. Какая физическая величина характеризует зависимость сопротивления проводника от вещества, из которого он состоит?

1) сила тока 2) напряжение 3) удельное сопротивление 4) количество электричества

См также: Эквивалентные схемы прямой, обратной и нулевой последовательностей. Сопротивления различных последовательностей для элементов в электрических системах

10. Сплав манганина имеет достаточно большое удельное сопротивление, а серебро – маленькое. Какое из этих веществ является лучшим проводником электричества?

1) манганин 2) серебро 3) сравнение удельного сопротивления веществ недостаточно для ответа на вопрос

11. Рассчитайте сопротивление реостата, для изготовления которого было использовано 100 м константановой проволоки сечением 0,5 мм2.

1) 10 Ом 2) 25 Ом 3) 100 Ом 4) 250 Ом

12. Как изменится сила тока в цепи, если ползунок входящего в нее реостата сдвинуть вправо?

1) уменьшится 2) увеличится 3) останется прежним

13. В цепи, схема которой изображена на рисунке, сопротивление лампы 25 Ом, сопротивление 45 Ом, звонка 10 Ом. Найти сопротивление этой цепи и силу тока в лампе, если ток в резисторе равен 0,6 А.

1) 80 Ом; 0,2 А 2) 55 Ом; 0,6 А 3) 35 Ом; 0,2 А 4) 80 Ом; 0,6 А

14. Лампа и резистор, сопротивление которых одинаково, включены в цепь по приведенной схеме. Ток в лампе 2 А, напряжение на полюсах источника тока 10 В. Каково сопротивление резистора и сила тока в нем?

1) 5 Ом; 2 А 2) 20 Ом; 2 А 3) 20 Ом; 1 А 4) 5 Ом; 1 А

15. В каких единицах измеряется работа электрического тока?

1) в омах (Ом) 2) в амперах (А) 3) в джоулях (Дж) 4) в вольтах (В)

16. Какие приборы надо иметь, чтобы уметь измерять величины, позволяющие определить действие электрического тока?

1) амперметр и реостат 2) амперметр и вольтметр 3) вольтметр и часы 4) вольтметр и реостат

17. В проводнике сопротивлением 15 Ом сила тока 0,4 А. Какова мощность электрического тока в нем? Какую работу совершает ток в этом проводнике за 10 мин?

1) 2,4 Вт; 1,44 кДж 2) 6 Вт; 3,6 кДж 3) 6 Вт; 60 Дж 4) 2,4 Вт; 24 Дж

18. По какой формуле рассчитывается количество теплоты, выделяющееся в проводнике при прохождении по нему электрического тока?

1) Q = cm(t2 — t1) 2) Q = I2Rt 3) A = IUt

19. Во сколько раз нужно увеличить сопротивление в цепи, чтобы при уменьшении силы тока в 4 раза количество выделяющегося в ней тепла осталось неизменным?

1) 4 раза 2) 8 раз 3) 16 раз

20. Сила тока в проводнике сопротивлением 125 Ом равна 0,1 А. Какое количество теплоты выделяется в нем за 1 минуту?

1) 750 Дж 2) 75 Дж 3) 1,25 Дж 4) 12,5 Дж

Читайте также: Насадка-диффузор для фена: как выбрать и использовать, видео, отзывы

Виды потребителей тока

Среди потребителей, используемых в быту, можно выделить:

• электродвигатели;
• осветительные приборы – светильники, люстры, бра, торшеры и т.п.;
• обогреватели, электроплиты, утюги;
• холодильник;
• и другие сложные электронные устройства — радиоприемники, телевизоры, плееры, компьютеры, принтеры, мобильные телефоны, планшеты;

История открытия

Будущий ученый с ранних лет интересовался природой электрического тока. Он провел множество испытаний, связанных с измерением напряжения и силы тока. Из-за несовершенства измерительных приборов того времени первые результаты исследований были ошибочными и препятствовали дальнейшему развитию проблемы. Георг опубликовал первую научную статью, в которой описал возможную связь между напряжением и током.

Его последующие работы подтвердили предположения, и Ом сформулировал свой знаменитый закон. Все работы вошли в отчет 1826 г., но научная общественность работ молодого физика не заметила.

Пять лет спустя, когда к такому же выводу пришел известный французский ученый Пулье, Жорж Ом был награжден медалью Копли за большой вклад в развитие физики как науки.

Сегодня во всем мире используется закон Ома, признанный истинным законом природы.

Как элементы электрической цепи обозначают на схемах

Для наглядности способы соединения элементов изображены графически. Такие чертежи называются принципиальными схемами. Чтобы не прорисовывать элементы в деталях, придумали упрощенные обозначения.

Обозначение каждого элемента было стандартизировано. Благодаря стандартам принципиальная схема, составленная в одной стране, может быть прочитана и воспроизведена в другой части мира.

Буквы указаны рядом с графическим символом. Элементы на схемах обычно обозначаются латинскими буквами следующим образом:

• гальваническая батарея ГБ или Б. Аккумуляторы или батарейки часто используются в качестве источника питания для компактных электронных устройств;
• переключатель — СА, кнопка — СБ; Для кнопок и переключателей иногда используется только одна S;
• проводник с сопротивлением — R;
• клеммы подключения — буквами ХТ;
• символ FU — предохранитель. Он служит для защиты цепи и первым выходит из строя, как только ток превышает определенный порог, указанный на таком предохранителе;
•  нагревательный элемент электроплит и других обогревателей — с символом ЕК;
• лампа накаливания – HL или HA;
• розетка — XS;
• двигатель постоянного тока — М;
• электромеханический звонок — ХА.

Нередко диаграммы содержат элементы, отмеченные одинаковыми графическими значками. Для их различия дополнительно вводится цифровая нумерация.

Например, первая лампа — HL1, вторая — HL2 и так далее.

Примечание. В Северной Америке и Японии графические символы для некоторых предметов отличаются.

Есть еще одно правило, которое пригодится разработчику схем.

Элемент схемы можно перемещать по цепи по соединительному проводнику, если при этом не меняются электрические соединения.

Закон Ома для замкнутой цепи

Закон Ома для замкнутой цепи показывает зависимость силы тока от электродвижущей силы, сопротивления источника тока и сопротивлений нагрузки.

Самому сложно разобраться?

Попробуйте обратиться за помощью к учителям

Решение проблем Экзамены Эссе

Величина силы тока равна отношению ЭДС источника к суммарной величине внешнего и внутреннего сопротивления цепи. Эта зависимость была эмпирически выведена ученым Георгом Омом в начале XIX века и описана следующим математическим выражением:

См также: Определение частот вращения и моментов на валах.

(I={εнад R+r},)

где (I) — сила тока;

(ε) – ЭДС источника питания;

(R) — внешнее сопротивление цепи;

(r) — внутреннее сопротивление источника.

Чтобы рассчитать ток через один резистор, используйте следующее выражение:

(I_1 = {ε over R_1+r};) (I_2 = {ε over R_2+r};) и так далее

После преобразований ЭДС замкнутого источника питания с несколькими внешними резисторами (потребителями) будет выглядеть так:

(ε= {I_1 I_2 (R_2-R_1) над I_2-I_1 }.)

Смешанное соединение

Смешанное соединение проводников, как следует из названия, может быть комбинацией любого сочетания последовательных и параллельных соединений, причем эти соединения могут включать как отдельные резисторы, так и более сложные составные части.

Расчет смешанного соединения основан на уже известных характеристиках последовательного и параллельного соединений. Здесь уже нет ничего нового: нужно просто аккуратно разделить эту схему на более простые участки, соединенные последовательно или параллельно.

Рассмотрим пример смешанного соединения проводников (рис. 6).

Рис. 6. Смешанное соединение

Расчет электрических цепей

расчет цепи означает нахождение всех токов 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 цепи и обозначим ток в них. Текущее направление может быть выбрано произвольно. В нашем случае по часовой стрелке. Итак, для каждого контура составим уравнения по второму закону Кирхгофа. Уравнения составляются следующим образом: ток контура умножается на сопротивление контура, к полученному выражению добавляются произведения тока других контуров и суммарные сопротивления этих контуров. Для нашей формы:

Полученная система решается путем подстановки исходных данных задачи. Токи в ветвях исходной цепи находятся как алгебраическая сумма петлевых токов

Независимо от того, какую цепь вам нужно рассчитать, наши специалисты всегда помогут вам справиться с поставленными задачами. Мы найдем все токи по правилу Кирхгофа и решим любой пример для переходных процессов в электрических цепях. Наслаждайтесь обучением вместе с нами!

Параллельное соединение

При параллельном соединении проводников их начала соединяют с одной точкой цепи, а концы с другой точкой.

Снова рассмотрим два резистора, на этот раз соединенных параллельно (рис. 5).

Рис. 5. Параллельное соединение

Графическое изображение

На рисунке может быть изображена реальная или виртуальная электрическая цепь. Это называется принципом или электрической цепью. Отличие их в том, что на первом рисуются основные блоки и их соединение, а на втором указывается расположение и соединение.

По сути, схема представляет собой графическое изображение электрической цепи. Для обозначения тех или иных элементов используются специальные условные символы. Их чертеж имеет свой стандарт, так что любой разбирающийся в электронике или электрике сможет понять, для чего предназначена та или иная схема.

В России чертеж всех типов электронных компонентов выполняется по ГОСТ 2.702-2011.

Например, у выносок самое простое обозначение — прямая линия. Они показывают, как элементы связаны. Они являются основой любой электрической цепи. Кроме проводников и самих элементов в схеме всегда есть еще два условных параметра:

• ответвление — участок, по которому протекает один и тот же ток;
• узел — это точка, в которой соединяются более двух ветвей.

Исходя из этой терминологии, можно сказать, что ответвления, соединенные с одной парой точек, будут параллельны, а проходящий через них замкнутый путь образует цепь. Простейшая электрическая цепь состоит из одной цепи, а сложные цепи включают несколько цепей.

Часто в условном графическом обозначении общий провод, то есть проводник, по которому ток возвращается к генератору, обозначают специальным символом. Они называют это «минус». Нарисуйте такое соединение, используя две перпендикулярные линии, соединенные с выходом блока. На схемах не указывают направление тока, а возле некоторых элементов ставят знак плюс или используют другое обозначение плюсовой клеммы.

Отдельно следует отметить схемы замещения. Их используют для удобства, заменяя реальное устройство эквивалентными им пассивными радиоэлементами. Этот подход используется, когда необходимо рассчитать параметры полной электрической цепи или ее части. Отдельные блоки на схемах обведены пунктирными линиями. С их помощью части цепочки объединяются по функциональному признаку. Например, отделяют силовую часть от вторичной, логическую часть от преобразователя.

Смысл

Закон Ома для полной цепи тесно связан с законом сохранения энергии. Предположим, что источник тока не имеет внутреннего сопротивления. Что должно произойти в этом случае? Получается, что если бы не было сопротивления, то во внешнюю цепь подавался бы больший ток, соответственно и мощность была бы больше.

Теперь пришло время рассмотреть понятие электродвижущей силы. Это значение представляет собой разницу между электрическими потенциалами на клеммах источника, но только без нагрузки. В качестве примера возьмем давление воды в приподнятом резервуаре. Уровень воды останется на месте до тех пор, пока она не начнет потребляться. При открытии крана уровень жидкости будет падать, так как прокачки нет. Поступающая в трубу вода испытывает сопротивление, то же самое происходит и с электрическими зарядами в проводе.

При отсутствии нагрузки выводы находятся в разомкнутом состоянии, получается, что ЭДС и напряжение одинаковы по величине. Например, если мы включим лампочку, то цепь замкнется, и электродвижущая сила создаст в ней напряжение, совершающее полезную работу. Часть энергии исчезает из-за внутреннего сопротивления (это называется потерями).

В том случае, если сопротивление потребителя меньше внутреннего, на источник тока выделяется больший ток. И тогда происходит падение ЭДС во внешней цепи, и значительная часть энергии теряется на внутреннем сопротивлении. Суть законов сохранения в том, что природа не может брать больше, чем отдает.

Суть внутреннего сопротивления хорошо известна жителям хрущевок, у которых в квартирах есть кондиционеры, а старая проводка не заменена. Электросчетчик вращается с бешеной скоростью, розетка и стена нагреваются в местах прохождения старых алюминиевых проводов, в результате чего кондиционер еле охлаждает воздух в помещении.

Ток, протекающий через нить накала лампы

Одним из практических и популярных применений электрического тока является электрическое освещение. Простейшая форма электрической лампы представляет собой небольшую металлическую «нить накала» внутри колбы из прозрачного стекла, которая светится белым от тепловой энергии, когда через нее проходит достаточный электрический ток. Как и батарея, он имеет две проводящие точки подключения: одну для входа тока и одну для выхода тока. Схема электрической лампы, подключенной к источнику напряжения, выглядит примерно так:

Рисунок 1 – Ток через лампу

Когда ток проходит по тонкому металлическому проводу лампы, он встречает большее сопротивление движению, чем в обычном толстом проводе. Это сопротивление электрическому току зависит от типа материала, площади его поперечного сечения и температуры. Технически это сопротивление известно как сопротивление (можно сказать, что проводники имеют низкое сопротивление, а диэлектрики имеют очень высокое сопротивление).

Этот резистор служит для ограничения величины тока, проходящего через цепь при заданном напряжении, подаваемом от батареи, по сравнению с «коротким замыканием», когда у нас не было ничего, кроме провода, соединяющего один конец источника напряжения (батареи) с другим. Когда ток движется против сопротивления, возникает «трение». Как и при механическом трении, трение, создаваемое током, протекающим через резистор, проявляется в виде тепла.

Концентрированное сопротивление нити накала лампы приводит к тому, что относительно большое количество тепловой энергии распределяется по нити накала. Этой тепловой энергии достаточно, чтобы нить накала раскалилась добела и засветилась, в то время как провода, соединяющие лампу с батареей (имеющие гораздо меньшее сопротивление), вряд ли станут еще более горячими при таком же токе. Как и в случае короткого замыкания, если непрерывность цепи нарушается в какой-либо точке, ток через всю цепь прекращается. Когда лампа установлена, это означает, что она перестанет гореть:

Рисунок 2 – Ток не проходит через лампу

Как и раньше, ток не течет, и в точках разрыва доступен полный потенциал (напряжение) батареи, ожидающий подключения, чтобы преодолеть этот разрыв и позволить току снова течь. Это состояние известно как разомкнутая цепь, когда разомкнутая цепь препятствует протеканию тока повсюду. Все, что требуется, чтобы «разомкнуть» цепь, — это один разрыв. Когда любые разрывы воссоединяются и непрерывность восстанавливается, говорят, что цепь замкнута.

Функции различных частей цепи

Каждый элемент электрической цепи выполняет свои определенные функции.

Источник питания подает энергию к энергоприемникам — потребителям.

Соединительные линии доставляют энергию от источника к потребителям.

Всевозможные кнопки, выключатели, рубильники, используются в нужный момент для подключения потребителей к источнику тока, а также отключения их от источника.

Чтобы ток циркулировал в электрической цепи, цепь должна быть замкнута.

Поэтому любая замкнутая цепь состоит из элементов, способных проводить электрический ток — проводников.

Если разомкнуть (разорвать) цепь в какой-либо ее части, то по ней перестанет течь электрический ток. Они разрывают цепь в нужный момент с помощью различных переключателей.