Как составить электрическую цепь по физике

Эта статья для тех, кто только начинает изучать теорию электрических цепей. Как всегда не будем лезть в дебри формул, но попытаемся объяснить основные понятия и суть вещей, важные для понимания. Итак, добро пожаловать в мир электрических цепей!

Хотите больше полезной информации и свежих новостей каждый день? Присоединяйтесь к нам в телеграм.

Электрические цепи

Электрическая цепь – это совокупность устройств, по которым течет электрический ток.

Рассмотрим самую простую электрическую цепь.  Из чего она состоит? В ней есть генератор – источник тока, приемник (например, лампочка или электродвигатель), а также система передачи (провода). Чтобы цепь стала именно цепью, а не набором проводов и батареек, ее элементы должны быть соединены между собой проводниками. Ток может течь только по замкнутой цепи. Дадим еще одно определение:

Электрическая цепь – это соединенные между собой источник тока, линии передачи и приемник.

Конечно, источник, приемник и провода – самый простой вариант для элементарной электрической цепи. В реальности в разные цепи входит еще множество элементов и вспомогательного оборудования: резисторы, конденсаторы, рубильники, амперметры, вольтметры, выключатели, контактные соединения, трансформаторы и прочее.

Кстати, о том, что такое трансформатор, читайте в отдельном материале нашего блога.

По какому фундаментальному признаку можно разделить все цепи электрического тока? По тому же, что и ток! Есть цепи постоянного тока, а есть – переменного. В цепи постоянного тока он не меняет своего направления, полярность источника постоянна. Переменный же ток периодически изменяется во времени как по направлению, так и по величине.

Сейчас переменный ток используется повсеместно. О том, что для этого сделал Никола Тесла, читайте в нашей статье.

Элементы электрических цепей

Все элементы электрических цепей можно разделить на активные и пассивные. Активные элементы цепи – это те элементы, которые индуцируют ЭДС. К ним относятся источники тока, аккумуляторы, электродвигатели. Пассивные элементы – соединительные провода и электроприемники.

Приемники и источники тока, с точки зрения топологии цепей, являются двухполюсными элементами (двухполюсниками). Для их работы необходимо два полюса, через которые они передают или принимают электрическую энергию. Устройства, по которым ток идет от источника к приемнику, являются четырехполюсниками. Чтобы передать энергию от одного двухполюсника к другому им необходимо минимум 4 контакта, соответственно для приема и передачи.

Резисторы – элементы электрической цепи, которые обладают сопротивлением. Вообще, все элементы реальных цепей, вплоть до самого маленького соединительного провода, имеют сопротивление. Однако в большинстве случаев этим можно пренебречь и при расчете считать элементы электрической цепи идеальными.

Существуют условные обозначения для изображения элементов цепи на схемах.

Кстати, подробнее про силу тока, напряжение, сопротивление и закон Ома для элементов электрической цепи читайте в отдельной статье.

Вольт-амперная характеристика – фундаментальная характеристика элементов цепи. Это зависимость напряжения на зажимах элемента от тока, который проходит через него. Если вольт-амперная характеристика представляет собой прямую линию, то говорят, что элемент линейный. Цепь, состоящая из линейных элементов – линейная электрическая цепь. Нелинейная электрическая цепь – такая цепь, сопротивление участков которой зависит от значений и направления токов.

Какие есть способы соединения элементов электрической цепи? Какой бы сложной ни была схема, элементы в ней соединены либо последовательно, либо параллельно.

При решении задач и анализе схем используют следующие понятия:

• Ветвь – такой участок цепи, вдоль которого течет один и тот же ток;
• Узел – соединение ветвей цепи;
• Контур – последовательность ветвей, которая образует замкнутый путь. При этом один из узлов является как началом, так и концом пути, а другие узлы встречаются в контуре только один раз.

Чтобы понять, что есть что, взглянем на рисунок:

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Классификация электрических цепей

По назначению электрические цепи бывают:

• Силовые электрические цепи;
• Электрические цепи управления;
• Электрические цепи измерения;

Силовые цепи предназначены для передачи и распределения электрической энергии. Именно силовые цепи ведут ток к потребителю.

Также цепи разделяют по силе тока в них. Например, если ток в цепи превышает 5 ампер, то цепь силовая. Когда вы щелкаете чайник, включенный в розетку, Вы замыкаете силовую электрическую цепь.

Электрические цепи управления не являются силовыми и предназначены для приведения в действие или изменения параметров работы электрических устройств и оборудования. Пример цепи управления – аппаратура контроля, управления и сигнализации.

Электрические цепи измерения предназначены для фиксации изменений параметров работы электрического оборудования.

Расчет электрических цепей

Рассчитать цепь – значит найти все токи 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 контуры и обозначим ток в них. Направление тока можно выбирать произвольно. В нашем случае – по часовой стрелке. Затем для каждого контура составим уравнения по 2 закону Кирхгофа. Уравнения составляются так: Ток контура умножается на сопротивление контура, к полученному выражению добавляются произведения тока других контуров и общих сопротивлений этих контуров. Для нашей схемы:

Полученная система решается с подставкой исходных данных задачи. Токи в ветвях исходной цепи находим как алгебраическую сумму контурных токов

Какую бы цепь Вам ни понадобилось рассчитать, наши специалисты всегда помогут справится с заданиями. Мы найдем все токи по правилу Кирхгофа и решим любой пример на переходные процессы в электрических цепях. Получайте удовольствие от учебы вместе с нами!

Обозначение элементов электрической цепи

Чтобы можно было использовать электрические приборы, их надо соединить с источником тока. Такие соединения называют электрической цепью.
В электрических цепях имеются источники тока, электроприборы, провода и выключатели.

Рис. (1). Обозначения элементов цепи

1 — амперметр;
2 — вольтметр;
3 — выключатель;
4 — резистор;
5 — реостат;

6 — витой провод;
7 — источник питания
8 — батарея источников питания;
9 — лампочка накаливания;
10 — пересечение проводов без взаимного контакта.

Рис. (2). Схема

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.

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.

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:

1. 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).
2. Лампочка. Подойдёт накаливания. Здесь важно обратить внимание на её характеристики. Она должна быть рассчитанной на нужное напряжение.
3. Ключ. Это обыкновенный выключатель, имеющий два устойчивых состояния — разомкнутое и замкнутое.
4. 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.

Содержание:

• § 1  Электрическая цепь, ее составные части
• § 2  Схема электрической цепи
• § 3  Простая электрическая цепь. Пример
• § 4  Виды соединения элементов цепи
• § 5  Краткие итоги урока