Для того чтобы электроток мог протекать длительное время, необходимо выполнение нескольких условий. Одним из них является замкнутость электрической цепи. Её составные части обеспечивают создание контура, позволяющего протекать носителям зарядов. Минимальное количество необходимых для этого элементов равняется трём. Но реальная цепочка может быть сколь угодно большой, хотя некоторые части должны в ней быть обязательно.
Общие сведения
Под электрической цепью понимают объединение различных радиоэлектронных устройств, соединённых между собой проводниками. Задача такой совокупности заключается в обеспечении протекания электрического тока заданных характеристик. Параметры такой системы описывают с помощью трёх основных величин:
- тока — упорядоченного движения носителей заряда, вызванного под действием внешних сил, например, электромагнитным полем;
- напряжения — работой, выполняемой для перемещения заряженной частицы из одной точки тела в другую;
- сопротивления — величины, зависящей от импеданса каждого элемента цепи.
Существует два способа анализа электроцепи — энергетический и информационный. Под первым понимается изучение процессов, связанных с преобразованием и передачей энергии. Нахождением токов и напряжений в различных местах схемы. Второй же предполагает выяснение реакции при изменении внешнего воздействия.
Существует два состояния электрической схемы — замкнутая и разомкнутая. Если имеется разрыв в каком-то месте, через него ток течь не будет. Значит, между двумя точками разомкнутого участка не появится разность потенциалов (напряжение). Замкнутый же контур обеспечивает возможность циркулирования электрических зарядов. Связь между элементами цепи выполняется с помощью проводников. То есть тел, обладающих незначительным сопротивлением.
Для того чтобы возникло движение электронов необходим источник силы — энергии. Это генератор вырабатывающий ток или напряжение. Называют его источником. Различие между генераторами в том, что токовый умеет поддерживать постоянную силу тока на своём выходе, вне зависимости от остальной части схемы. Источник же напряжения выдаёт постоянную электродвижущую силу (ЭДС), на величину которой не влияет ток в цепи.
Вырабатываемая энергия должна куда-то направляться, то есть где-то использоваться. Устройство, забирающее себе электроэнергию, называют потребителем. В качестве его может быть любой элемент схемы, не являющийся генератором и обладающий сопротивлением.
Таким образом, простейшая электрическая цепь состоит из трёх элементов — источника энергии, проводников, потребителя. Реальная электроцепь может содержать сколь угодное количество потребителей. Одни из них могут накапливать энергию, а после отдавать, другие же только потребляют, преобразовывая её в другой вид.
Условия работы источников тока
Любой источник тока работает при определенных условиях. В отсутствие химической реакции внутри элементов не смогут образовываться заряженные частицы. Если будет отсутствовать анод и катод, то движения частиц не возникнет даже при наличии реакции.
В аккумуляторах происходит похожий процесс, но толчком для возникновения химической реакции является замыкание во внешней электрической цепи. Заряженные элементы начинают двигаться от анода к катоду и наоборот, создавая постоянный поток.
Идеальный и реальный
Световые типы не могут работать без наличия источника света. КПД зависит от типа используемого диэлектрического элемента. Дополнительно необходимо иметь в наличии приспособление ля преобразования полученной энергии.
Тепловой вариант не будет работать, если в его основу входит 1 тип металла. Если будет отсутствовать источник тепла, то ни о каком возникновение движущихся частиц не может быть и речи.
Источники
Для выработки электрической энергии требуется выбрать источник тока, соответствующий потребностям в конкретной сфере применения. Существует несколько вариантов таких приспособлений, каждый из которых имеет определенное строение, принцип работы и индивидуальные технические показатели.
Элементы электрической цепи
Источники тока и напряжения относятся к активным элементам электрической схемы. К ним же причисляют полупроводниковые приборы, например, транзисторы, диоды. Индуктивность, конденсатор, сопротивление, напротив, считают пассивными элементами.
В зависимости от частей, входящих в схему она может быть пассивной или активной. В первом случае она состоит только из электрически независимых элементов, если же в ней есть хотя бы один активный, то цепь считается энергозависимой.
Каждый прибор в электрической схеме можно охарактеризовать с двух сторон:
- качественной — зависит от физических параметров, определяет назначение и функцию элемента;
- количественной — характеризует величину прибора.
Источники питания разделяют на первичные и вторичные. К первым относят генераторы, то есть устройства, преобразующие энергию различного вида в электричество. Ими могут быть аккумуляторы, электромашины, гальванические батареи. Вторичные же источники преобразуют электричество из одного вида в другой. К ним можно отнести блоки выпрямления, инвертирования, трансформирования.
Вспомогательные элементы — это те, что обеспечивают правильную работу электрической схемы. Это всевозможные проводники, коммутационные устройства, измерительная и защитная аппаратура. Потребителем же является оборудование преобразующее электричество в полезную работу. Например, устройство нагрева, вентилирования, двигатели, различная бытовая и промышленная техника.
Другими словами, от источника ток начинает течь по проводникам через ряд электронных устройств, приводящих его характеристику к нужному виду. Затем он подаётся на нагрузку оказывающую сопротивление и выполняющую работу. Далее через потребитель ток возвращается к источнику. Замкнутость линии, вне зависимости от используемых элементов необходима, так как в ином случае не возникает разность потенциалов.
Подключение элементов в цепи может быть реализована тремя способами:
- параллельным — начало различных устройств соединены в одной точке, а концы в другой;
- последовательным — все части цепи подключаются поочерёдно друг к другу;
- смешанным — комбинация двух предыдущих видов.
Перечислить все радиоэлементы довольно сложно, так как их много. Но из основных можно выделить: резистор, индуктивность, конденсатор, транзистор, диод, интегральную микросхему, светоизлучатели и фотоприемники.
Особенности использования формулы
В формулировку закона Ома для замкнутой цепи входит только одно сопротивление и одно значение ЭДС. Однако в реальных цепях много элементов, и возможны несколько источников ЭДС. В этом случае используется эквивалентное сопротивление цепи, которое находится по специальным формулам преобразования цепей. В качестве значения внутреннего сопротивления используется сумма сопротивлений источников. А в качестве значения ЭДС используется алгебраическая сумма ЭДС источников.
Если цепь очень сложна и составлена из многих узлов, связанных в сложное «кружево», для нахождения тока по такой цепи используются законы Кирхгофа и составление систем уравнений.
Рис. 3. Законы Кирхгофа.
Графическое изображение
Реальную или виртуальную электрическую цепь можно изобразить на рисунке. Называется она принципиальной или электрической схемой. Различие между ними в том, что на первой чертят основные блоки и их соединение, а на второй — указывают расположение и подключение.
По сути, схема является графическим изображение электрической цепи. Для обозначения тех или иных элементов используют специальные условные символы. Их рисунок имеет свой стандарт, так что любой разбирающийся в электронике или электрике сможет понять для чего предназначена та или иная схема.
В России черчение всех типов электронных узлов выполняют согласно ГОСТ 2 .702−2011.
Например, простейшее обозначение имеют проводники — прямая линия. С их помощью показывают, как соединяются элементы. Они являются основой для любой электрической схемы. Кроме проводников и непосредственно самих элементов, в схеме всегда есть ещё два условных параметра:
- ветвь — участок по которому протекает одинаковый ток;
- узел — точка в которой присоединяются более двух ветвей.
Исходя из этой терминологии, можно сказать, что ветви, подключаемые к одной паре точек, будут параллельными, а замкнутый путь, проходящий по ним, образует контур. Простейшая электрическая цепь состоит из одноконтурной схемы, сложные же включают несколько контуров.
Часто в условно-графическом обозначении общий провод, то есть проводник, по которому ток возвращается к генератору, обозначают специальным символом. Называют его «минус». Рисуют такое соединение с помощью двух перпендикулярных линий, подключённых к выводу блока. Направление тока на схемах не указывают, но возле некоторых элементов ставят знак плюс или используют другое обозначение положительного вывода.
Отдельно следует отметить схемы замещения. Их используют для удобства, заменяя реальное устройство эквивалентными пассивными радиоэлементами. Такой подход применяют, когда нужно выполнить расчёт параметров полной электросхемы или какой-то её части. Отдельные блоки на схемах очерчивают пунктирными линиями. С их помощью объединяют части цепи по функциональному признаку. Например, разделяют силовую часть от вторичной, логическую от преобразовательной.
Пример реальной цепи
Самую простую электрическую цепь можно сделать самостоятельно. Её часто собирают на уроке физики. При этом не стоит опасаться поражения током, так как в ней будет использоваться низковольтный источник напряжения. Но всё же перед тем как приступить к сборке, следует знать о коротком замыкании. Под ним понимают состояние, при котором происходит закорачивание выхода.
Другими словами, вся энергия источника тока оказывается приложенной к нему же. В результате разность потенциалов снижается до нуля, а в цепи возникает максимальная сила тока. Непреднамеренное короткое замыкание может привести к выходу из строя генератор и радиодетали. Именно для защиты от этого пагубного воздействия в цепи ставят предохранитель.
Схема для самостоятельного повторения будет представлять собой узел управления освещением. Для её сборки необходимо подготовить:
- Источник питания на 12 вольт. Это может быть аккумулятор, регулируемый лабораторный блок, батарейки. Главное, чтобы источник смог выдавать нужное напряжение. Например, нужную величину можно получить соединив последовательно несколько батареек со стандартным номиналом 1,5 В (1,5 * 4 = 12 В).
- Лампочка. Подойдёт накаливания. Здесь важно обратить внимание на её характеристики. Она должна быть рассчитанной на нужное напряжение.
- Ключ. Это обыкновенный выключатель, имеющий два устойчивых состояния — разомкнутое и замкнутое.
- Провода. В сборке можно использовать любые медные проводники сечением от 0,25 мм2.
Сборка конструкции выполняют следующим образом. К плюсу батарейки подсоединяют провод, подключённый другим концом к выключателю. Затем свободный конец ключа подпаивают к любому из выводов лампы. Другой электрод осветительного устройства подсоединяют к минусу источника. Схема готова. Если теперь перевести ключ в положение «вкл» появится свет.
