«Компоненты, составляющие основную электрическую цепь, и основные составляющие несложной электрической цепи»

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:

• 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.

Использовать электрическую энергию возможно, лишь подключив потребитель к источнику тока. При этом к одному источнику часто подключают несколько потребителей.

Чтобы правильно соединять приборы между собой, нужно разбираться в схемах и уметь составлять электрическую цепь из используемых элементов.

Обычно сначала рисуют электрическую схему цепи на бумаге. На такой схеме указывают, как именно должны соединяться между собой всевозможные элементы, включаемые в цепь.

Затем на нарисованной схеме проверяют правильность соединений. И, только затем подключают различные потребители, соединительные провода и прочие части цепи к источнику тока.

Умение составлять электрические схемы на бумаге позволит избежать ошибок, коротких замыканий и выхода из строя различных звеньев цепи.

Рис. 1. Порядок действий: сначала составь схему, затем проверь ее правильность, и только затем соединяй электроприборы в цепь

Из каких частей состоит простейшая электрическая цепь

Простейшая электрическая цепь содержит:

• источник тока;
• соединительные провода;
• приемники тока (потребители электроэнергии);
• ключ;

Примечание: Источник создает и поддерживает электрическое поле для длительного протекания тока.

Рис. 2. Простейшая электрическая цепь состоит из батарейки, выключателя, проводов и лампочки. Батарейка – источник тока, а лампочка – потребитель

Виды потребителей тока

Среди потребителей, используемых в быту, можно выделить:

• электрические двигатели;
• осветительные приборы – лампы, люстры, бра, торшеры и т. п.;
• обогреватели, электроплиты, утюги;
• холодильники;
• и другие сложные электронные приборы – радио, телевизоры, плееры, компьютеры, принтеры, мобильные телефоны, планшеты;

Рис. 3. Различные электрические устройства — потребители тока, служат нагрузкой для источника тока

Функции различных частей цепи

Каждый элемент электрической цепи выполняет свои специфические функции.

Источник тока снабжает энергией приемники тока – потребители.

Соединительные провода доставляют энергию от источника к потребителям.

Всевозможные кнопки, выключатели, рубильники, применяют в нужные моменты времени для подключения потребителей к источнику тока, а, так же, их отключения от источника.

Рис. 4. Каждый элемент электрической цепи выполняет определенные функции

Чтобы по электрической цепи циркулировал ток, эта цепь должна быть замкнутой.

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

Если разомкнуть (разорвать) цепь в какой-либо ее части, то электрический ток перестанет по ней протекать. Разрывают цепь в нужные моменты времени с помощью всевозможных выключателей.

Рис. 5. Если цепь разомкнуть, ток прекратится

Как элементы электрической цепи обозначают на схемах

Для наглядности способы соединения элементов изображают графически. Такие чертежи называют принципиальными электрическими схемами (рис. 6). Чтобы не рисовать элементы в подробностях, для них придумали упрощенные обозначения.

Рис. 6. Пример цепи и ее электрической схемы

Обозначение каждого элемента стандартизировали. Благодаря стандартам, схема цепи, составленная в какой-либо стране, может быть прочитана и воспроизведена в другой части мира.

На рисунке 7 приведены обозначения, принятые в странах СНГ и некоторых странах Европы.

Рис. 7. Условные обозначения некоторых элементов электрической цепи

Рядом с графическим символом указывают буквенные обозначения. Элементы на схемах принято обозначать латинскими буквами так:

• гальваническую батарею GB или B. В качестве источника тока для компактных электронных устройств часто применяют аккумуляторы, или батарейки;
• выключатель – SA, кнопка —  SB; Для кнопок и выключателей иногда используют только одну букву S;
• проводник, обладающий сопротивлением – R;
• соединительные клеммы — буквами XT;
• символом FU — плавкий предохранитель. Он служит для защиты схемы и из строя первым, как только ток превысит определенный порог, указанный на таком предохранителе;
• нагревательный элемент электроплит и других обогревателей — символом EK;
• лампу накаливания – HL или HA;
• разъем вилка-розетка – XS;
• электродвигатель постоянного тока – M;
• электромеханический звонок – HA.

Часто бывает так, что на схемах присутствуют элементы, обозначаемые одинаковыми графическими значками. Чтобы различать их, дополнительно вводят цифровую нумерацию (рис. 8).

Рис. 8. Для нескольких одинаковых элементов цепи применяют цифровую нумерацию

Например, первую лампу обозначают HL1, вторую – HL2, и так далее.

Примечание: В Северной Америке и Японии графические обозначения некоторых элементов отличаются.

Существует еще одно, полезное для составителя схем, правило.

Элемент цепи можно передвигать по схеме вдоль соединительного проводника, если это не изменяет электрические соединения.

Благодаря такому правилу, одну и ту же схему можно нарисовать различными способами (рис. 9).

Рис. 9. Элементы цепи можно передвигать по схеме, если это не нарушает соединений

Для чего рисуют точки на схемах

Чтобы обозначить соединение элементов на схемах, используют точки. Нарисованная точка указывает на наличие контакта между токоведущими проводниками (рис. 10).

Рис. 10. Ставьте точку там, где проводники соединяются

Если в каком-либо месте цепи соединяются три или более проводящих линии, их соединение обозначают точкой.

На следующем рисунке приведен пример использования точек на простых схемах, состоящих из батареек и лампочек. Рисунок 11а содержит соединение нескольких проводящих дорожек. Благодаря соединениям заряды во время протекания тока могут перемещаться из одного проводника в другой.

При построении электрических схем применяют различные способы соединения элементов, наиболее распространенные — последовательное и параллельное соединение, а так же, смешанное.

Рис. 11. А) – две лампы подключены к общему источнику тока. Б) – каждая лампа подключена с своему собственному источнику, проводники не соединяются

А на рисунке 11б представлено пересечение изолированных проводников. Соединений между такими проводниками нет и, ток из одного проводника во второй проводник проникать не будет.

Обязательно на схемах обозначайте точками соединения проводников. Если точку на схеме не поставить, то другие люди, читающие ваши схемы, подумают, что проводники не соединяются, а скрещиваются без соединения.

Выводы

• Простейшая электрическая цепь содержит источник тока, соединительные провода, приемники тока и ключ.
• Источник тока снабжает цепь энергией. Эта энергия к приемникам поступает по соединительным проводам. А выключатели используют для подключения и отключения приемников от источника.
• Чтобы по электрической цепи циркулировал ток, эта цепь должна быть замкнутой.
• На электрических схемах указывают, как соединяются между собой всевозможные элементы, включаемые в цепь.
• Умение составлять на бумаге электрические схемы избавляет от коротких замыканий и выхода из строя различных звеньев цепи.
• Обозначение каждого элемента цепи стандартизировали. Рядом с графическим символом указывают буквенно-цифровые обозначения. Для одинаковых элементов вводят цифровую нумерацию.
• Графические обозначения некоторых элементов в Японии и Северной Америке отличаются от принятых в Европе.
• Элемент цепи можно передвигать по схеме вдоль соединительного проводника, если это не изменяет соединения элемента. Благодаря этому, одну и ту же схему можно нарисовать по-разному.
• Нарисованная на схеме точка указывает на наличие контакта между проводниками.

Электрическая цепь и её составные части

Чтобы в цепи существовал электрический ток, она должна содержать определенные элементы. Кроме того, для протекания тока должны выполняться некоторые условия.

Основные элементы электрической цепи

В предыдущем разделе описано, что для поддержания тока нужен источник тока любой природы. Это один из основных элементов электрической цепи.

Другим необходимым элементом цепи является потребитель тока (его также называют приемником или нагрузкой). Примером нагрузки в быту служат электрические лампочки, электроплиты, бытовые электроприборы и т.п.

Для транспортировки электроэнергии от источника для нагрузки предназначены провода. В их качестве обычно используют проводники из меди или алюминия. Таким образом, простая электрическая цепь в минимально возможной конфигурации состоит из:

• источника тока;
• соединительных проводов;
• потребителя тока.

Одним из основных условий протекания тока в цепи является ее замкнутость, то есть, ток, вытекая из одного полюса источника должен по проводу дойти до нагрузки, вытечь из нее и по другому проводу дотечь до другого полюса источника. Если в одном или нескольких местах цепи будет разрыв, ток не будет течь во всей цепи.

Это свойство используется для управления током. В цепь включают элемент, позволяющий размокнуть цепь и прекратить ток посредством внешнего воздействия. В быту таким элементом является выключатель освещения. Также коммутирующим элементом может быть рубильник, кнопка, тумблер, высоковольтный разъединитель и т.п. Выключатель не является обязательным элементом электрической цепи, но обычно он устанавливается – так проще управлять током.

Условные графические обозначения (УГО)

Чтобы проектировать и анализировать электрические цепи, во многих случаях достаточно не собирать их «вживую», а рисовать на бумаге, производить расчеты, а уж потом только собирать «в железе». Чертеж электрической цепи называется схемой. Каждый элемент цепи на схеме имеет собственное графическое обозначение.

Электрохимические единичные источники тока (батарейки или аккумуляторы) обозначаются двумя параллельными полосами. Длинная полоса символизирует положительный вывод, короткая – отрицательный. Рядом с полосой можно указать знаки «плюс» и «минус», но их часто не ставят. Для мнемонического запоминания полюсов электрохимических источников можно запомнить правило «чем больше, тем лучше» (термин «положительный» употребляется и в значении «хороший»). Если элементы соединяют в батарею, указывают каждый элемент, либо (если батарея содержит больше двух элементов) два крайних, а остальные заменяют штриховой чертой.

Генератор переменного или постоянного тока обозначается кружком с буквой G внутри. Свои обозначения имеют и другие источники тока.

Приемники электрической энергии

Условные графические обозначения электроприемников разнообразны и зависят от типа. На рисунке показаны УГО самых распространенных элементов, которые могут быть использованы в качестве электрической нагрузки.

Провода и коммутационные элементы

Провода на схемах обозначаются линиями, а коммутационные элементы (рубильники, кнопки, тумблеры) символом, имеющим разрыв. Даже если выключатель на схеме показан в замкнутом положении, все равно понятно, что он может разорвать электрическую цепь.

В качестве примера можно рассмотреть схему карманного фонаря. Он содержит:

• батарейку в качестве источника тока;
• лампочку в качестве нагрузки;
• выключатель.

Все элементы соединены проводами.

Электрическая цепь и ее элементы

Электрическая цепь это совокупность устройств, соединенных определенным образом, которые обеспечивают путь для протекания электрического тока.

Рисунок 1. Простейшая электрическая цепь.

В состав электрической цепи могут входить и другие элементы, таки как устройства коммутации, устройства защиты.

Как известно, для возникновения тока необходимо соединить две точки, одна из которых имеет избыток электронов в сравнении с другой. Другими словами необходимо создать разность потенциалов между этими двумя точками. Как раз для создания разности потенциалов в цепи применяется источник тока. Источником тока в электрической цепи могут быть такие устройства, как генераторы, батареи, химические элементы и т.д.

Нагрузкой в электрической цепи считается любой потребитель электрической энергии. Нагрузка оказывает сопротивление электрическому току и от величины сопротивления нагрузки зависит величина тока. Ток от источника тока к нагрузке течет по проводникам. В качестве проводников стараются использовать материалы с наименьшим сопротивлением (медь, серебро, золото).

Важно, что для протекания тока в цепи, цепь должна быть замкнута!

Типы электрических цепей

В электротехники по типу соединения элементов электрической цепи существуют следующие электрические цепи:

• последовательная электрическая цепь;
• параллельная электрическая цепь;
• последовательно-параллельная электрическая цепь.

Последовательная электрическая цепь.

В последовательной электрической цепи (рисунок 2.) все элементы цепи последовательно друг с другом, то есть конец первого с началом второго, конец второго с началом первого и т.д.

Рисунок 2. Последовательная электрическая цепь.

При таком соединении элементов цепи ток имеет только один путь протекания от источника тока к нагрузке.При этом общий ток цепи Iобщ будет равен току через каждый элемент цепи:

Падение напряжения вдоль всей цепи, то есть на участке А-Б (Uа-б), будет равно приложенному к этому участку напряжению E и равно сумме падений напряжений на всех участках цепи (резисторах):

Параллельная электрическая цепь.

В параллельной электрической цепи (рисунок 3.) все элементы соединены таким образом, что их начало соединены в одну общую точку, а концы в другую.

Рисунок 3. Параллельная электрическая цепь.

В этом случае у тока имеется несколько путей протекания от источника к нагрузкам, а общий ток цепи Iобщ будет равен сумме токов параллельных ветвей:

Падение напряжения на всех резисторах будет равно приложенному напряжению к участку с параллельным соединением резисторов:

Последовательно-параллельная электрическая цепь.

Последовательно-параллельная электрическая цепь является комбинацией последовательной и параллельной цепи, то есть ее элементы включаются и последовательно и параллельно (рисунок 4).

Рисунок 4. Последовательно-параллельная электрическая цепь.

Независимо оттого, из каких частей состоят электрические цепи, их объединяет одно – их составляющие должны производить, передавать или потреблять электричество.

Элементы подразделяются на пассивные и активные. К первым из них относят всё, что потребляет или передает электроэнергию: лампы, нагревательные элементы, электродвигатели и т.д. Ко вторым – источники, вырабатывающие электроэнергию: генераторы, аккумуляторы, солнечные батареи и т.д. Также элементы делятся на двухполюсные (те, которые имеют 2 вывода) и многополюсные (те, которые имеют 4 и более вывода). В качестве примера двухполюсника можно привести резистор. В качестве четырехполюсника – повышающий или понижающий трансформатор.

Обязательными составляющими цепи являются:

• Проводник (Conductor) – необходим для передачи электроэнергии от источника к электропотребителю.
• Потребитель электроэнергии (Load, consumer) (чаще всего в быту это осветительные приборы, двигатели, нагревательные приборы, электроника, бытовая техника, такая как компьютеры, пылесосы, стиральные машины).
• Замыкающее/размыкающее устройство (Switch) или выключатель.

Основными электроприемниками являются:

• Резисторы – потребитель, который имеет переменное или постоянное сопротивление.
• Конденсатор – потребитель, который имеет емкость. Он запасает энергию и имеет возможность ее возвратить.
• Катушка индуктивности – потребитель, создающий индуктивное поле.
• Электродвигатель – потребитель, превращающий энергию электронов, двигающихся вдоль проводника, в механическую.

При чтении схем и расчетах пользуются следующими понятиями: контур, узел и ветвь.

• Ветвью называют участок с одним или несколькими компонентами, соединенными последовательно.
• Узлом называют место соединения двух и более ветвей.
• Контуром называется совокупность ветвей, которые образуют для тока замкнутый путь. При этом один из узлов в контуре должен являться и началом, и концом пути, а остальные узлы должны встречаться не более одного раза.

Облегчить чтение схем можно с помощью вот такой таблички:

Режимы работы цепи

Опираясь на показатели нагрузки, различают такие режимы функционирования цепи: номинальный, холостой ход, замыкание и согласование.

При номинальной работе система выполняет характеристики, заявленные в техпаспорте оборудования. Холостой ход образуется в случае обрыва цепи. Этот режим работы относится к аварийным. Электрическая цепь в режиме короткого замыкания имеет сопротивление, которое равно нулю. Это также аварийный режим.

Согласование характеризуется перемещением наибольшей мощности от источника энергии к проводнику. В таком режиме нагрузка равняется сопротивлению источника питания.

Ознакомившись с основными характеристиками и видами такой системы, как электрическая цепь, становится возможным понять принцип функционирования любого электрооборудования. Данное устройство работы системы применяется к любому электрическому бытовому прибору. Применяя полученные знания, можно понять причину поломки оборудования или оценить правильность его работы в соответствии с техническими характеристиками, заявленными производителем.

Законы электрических цепей

Пусть имеется однородный участок цепи — им может служить кусок металла постоянного сечения, все точки которого имеют одинаковую температуру, и пусть на концах этого проводника поддерживается неизменная разность потенциалов U. Тогда, согласно закону Ома, в однородном участке цепи сила тока пропорциональна разности потенциалов на концах участка:

U = IR, I = U/R, R = U/I

Существуют участки цепи, в которых зависимость силы тока от разности потенциалов на их концах нелинейна. В этом случае рассматривают среднее значение сопротивления:

Первый закон Кирхгофа — закон баланса токов в узле

Реальные электрические цепи включают в себя комбинации последовательно и параллельно соединенных нагрузок и генераторов. В рассчитывать разности потенциалов на всех участках цепи и силы токов в них, а также электродвижущие силы источников тока, входящих в данную цепь, можно с помощью закона Ома и закона сохранения заряда. Однако для упрощения расчетов Г. Кирхгофом были предложены два простых правила, нашедших широкое применение в электротехнике.

Первое из них относится к узлам разветвления цепи, в которых сходятся и из которых расходятся токи. Токи, подходящие к узлу, условились считать положительными, а токи, исходящие из узла — отрицательными. В этом случае в каждой точке разветвления проводов алгебраическая сумма всех сил токов равна нулю (первое правило Кирхгофа):

Электрический заряд в узле не накапливается.

Второй закон Кирхгофа

Алгебраическая сумма ЭДС источников питания в любом контуре равна алгебраической сумме падений напряжения на элементах этого контура:

Второе закон, по существу, является следствием закона Ома для неоднородного участка цепи.

Закон Джоуля — Ленца

Количество теплоты, выделяемое проводником с током I на сопротивлении R, прямопропорционально произведению квадрата силы тока, на сопротивление и на время прохождения тока:

Электрическая цепь — совокупность устройств, предназначенных для прохождения электрического тока. Цепь образуется источниками энергии (генераторами), потребителями энергии (нагрузками), системами передачи энергии (проводами).
Электрическая цепь — совокупность устройств и объектов, образующих путь для электрического тока. Её задача – передавать энергию устройству и обеспечивать требуемый режим работы.

Простейшая электрическая установка состоит из источника (гальванического элемента, аккумулятора, генератора и т. п.), потребителей или приемников электрической энергии (ламп накаливания, электронагревательных приборов, электродвигателей и т. п.) и соединительных проводов, соединяющих зажимы источника напряжения с зажимами потребителя.

Электрическая цепь делится на внутреннюю и внешнюю части. 
К внутренней части электрической цепи относится сам источник электрической энергии. Источники питания цепи — это гальванические элементы, электрические аккумуляторы, электромеханические генераторы, термоэлектрические генераторы, фотоэлементы и др. В современной технике в качестве источников энергии применяют главным образом электрические генераторы.
Во внешнюю часть цепи входят  потребители энергии и вспомогательные элементы. 
Потребители энергии  преобразовывают  электрическую энергию в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую, и т. д.)  К ним относятся: электродвигатели, нагревательные и осветительные приборы и др.

В качестве вспомогательного оборудования в электрическую цепь входят аппараты для включения и отключения (например, рубильники), приборы для измерения электрических величин (например, амперметры и вольтметры), аппараты защиты (например, плавкие предохранители).

Электрический ток может протекать только по замкнутой электрической цепи. Разрыв цепи в любом месте вызывает прекращение электрического тока.

Чтобы удобнее было анализировать и рассчитывать электрическую цепь, её изображают в виде схемы. В ней содержатся условные обозначения элементов, а также способы из соединения.
Ниже приведены некоторые элементы электрической цепи:

А теперь помотрим как применяются эти обозначения при составлении схемы:

Задание 1. Начертите в тетради схему последовательного соединения потребителей электроэнергии из 2-х лампочек.

Задание 2. Начертите в тетради схему  параллельного соединения потребителей электроэнергии из 2-х лампочек.

Виды электрических цепей

Рисунок 1 — Разветвлённая цепь

Электрические цепи подразделяют на неразветвлённые и разветвлённые. Во всех элементах неразветвлённой цепи течёт один и тот же ток. Простейшая разветвлённая цепь изображена на рисунке 1. В ней имеются три ветви и два узла. В каждой ветви течёт свой ток. Ветвь можно определить как участок цепи, образованный последовательно соединенными элементами (через которые течёт одинаковый ток) и заключённый между двумя узлами. В свою очередь, узел есть точка цепи, в которой сходятся не менее трёх ветвей. Если в месте пересечения двух линий на электрической схеме поставлена точка (рисунок 1), то в этом месте есть электрическое соединение двух линий, в противном случае его нет. Узел, в котором сходятся две ветви, одна из которых является продолжением другой, называют устранимым или вырожденным узлом.

Линейные и нелинейные электрические цепи

Линейной электрической цепью называют такую цепь, все компоненты которой линейные. К линейным компонентам относятся зависимые и независимые идеализированные источники токов и напряжений, резисторы (подчиняющиеся закону Ома), и любые другие компоненты, описываемые линейными дифференциальными уравнениями, наиболее известны электрические конденсаторы и катушки индуктивности.
Если цепь содержит отличные от перечисленных компоненты, то она называется нелинейной.

Изображение электрической цепи с помощью условных обозначений называют электрической схемой. Функция зависимости тока, протекающего по двухполюсному компоненту, от напряжения на этом компоненте называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Часто ВАХ изображают графически в декартовых координатах. При этом по оси абсцисс на графике обычно откладывают напряжение, а по оси ординат — ток.

В частности, омические резисторы, ВАХ которых описывается линейной функцией и на графике ВАХ являются прямыми линиями, называют линейными.

Примерами линейных (как правило, в очень хорошем приближении) цепей являются цепи, содержащие только резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности без ферромагнитных сердечников.

Некоторые нелинейные цепи можно приближенно описывать как линейные, если изменение приращений токов или напряжений на компоненте мало, при этом нелинейная ВАХ такого компонента заменяется линейной (касательной к ВАХ в рабочей точке). Этот подход называют «линеаризацией». При этом к цепи может быть применён мощный математический аппарат анализа линейных цепей. Примерами таких нелинейных цепей, анализируемых как линейные, являются практически любые электронные устройства, работающие в линейном режиме и содержащие нелинейные активные и пассивные компоненты (усилители, генераторы и др.).

Виды цепей

Чтобы успешно пользоваться электросхемами, необходимо иметь представление, какую электрическую цепь называют замкнутой и разомкнутой.

Замкнутой называют непрерывную цепь, состоящую из электроприборов и проводников. Как только она прерывается – становится разомкнутой. В таком состоянии она неспособна проводить ток, хотя в ней может быть напряжение, так как в ней появляется диэлектрик. В подавляющем большинстве случаев в качестве такого диэлектрика выступает обычный атмосферный воздух. На этом принципе работают приборы, предназначенные для размыкания – выключатели, рубильники, предохранители, кнопки.

Неразветвленной называют электрическую цепь, состоящую из источника и последовательно соединенных компонентов. Важнейшим признаком здесь является то, что во всех участках ток имеет одинаковую величину. Разветвленной – имеющую в своем составе одно или несколько параллельно соединенных компонентов.

Каждая может иметь одновременно несколько классификаций и названий:

• силовой – называют соединение приборов, необходимых для производства, передачи электроэнергии, ее преобразования или потребления;
• вспомогательной – ту, которая имеет разные функциональные назначения, но которая не является силовой;
• измерительной – называют необходимую для регистрации параметров сети и включенных в нее приборов;
• управляющей – называют приводящую в действие приборы или изменяющую их параметры в зависимости от общего предназначения;
• сигнализирующей называют приводящую в действия сигнальные устройства, показывающие на наличие тех или иных изменений.

Простейшей электрической цепью является источник, соединенный проводниками с электропотребителем, а простой называют любую одноконтурную. Сложными называются цепи, имеющие два и более контура. Они в свою очередь делятся на многоузловые, многоконтурные, объемные и плоскостные.

Основные компоненты

Инвентор электрического тока

Все составные части в цепи участвуют в одном электромагнитном процессе. Условно их разделяют на три группы.

• Первичные источники электрической энергии и сигналов могут преобразовывать энергию неэлектромагнитной природы в электрическую. Например, гальванический элемент, аккумулятор, электромеханический генератор.
• Вторичный тип, как на входе, так и на выходе имеет электрическую энергию. Изменяются только ее параметры – напряжение и ток, их форма, величина и частота. Примером могут быть выпрямители, инверторы, трансформаторы.
• Потребители активной энергии преобразовывают электрический ток в освещение или тепло. Это электротермические устройства, лампы, резисторы, электродвигатели.
• К вспомогательным компонентам относят коммутационные устройства, измерительные приборы, соединительные элементы и провод.

Основой электрической сети является схема. Это графический рисунок, который содержит условные изображения и обозначения элементов и их соединение. Они выполняются согласно ГОСТу 2.721-74 – 2.758-81

Схема простейшей линии включает в себя гальванический элемент. С помощью проводов к нему через выключатель подсоединена лампа накаливания. Для измерения силы тока и напряжения в нее включен вольтметр и амперметр.

Трехфазные электрические цепи

Трехфазная цепь в рабочем режиме

Среди электрических цепей распространены как однофазные, так и многофазные системы. Каждая часть многофазной цепи характеризуется одинаковым значением тока и называется фазой. Электротехника различает два понятия этого термина. Первое – непосредственная составляющая трехфазной системы. Второе – величина, изменяющаяся синусоидально.

Трехфазная цепь – это одна из многофазных систем переменного тока, где действуют синусоидальные ЭДС (электродвижущая сила) одинаковой частоты, которые сдвинуты во времени относительно друг друга на определенный фазовый угол. Она образована обмотками трехфазного генератора, тремя приемниками электроэнергии и соединительными проводами.

Такие цепи служат для обеспечения генерации электрической энергии, для ее передачи, распределения, и имеет следующие преимущества:

• экономичность выработки и транспортировки электроэнергии в сравнении с однофазной системой;
• простое генерирование магнитного поля, которое необходимо для работы трехфазного асинхронного электродвигателя;
• одна и та же генераторная установка выдает два эксплуатационных напряжения – линейное и фазное.

Что называется электрической цепью

ЭЦ – это комплекс элементов, при помощи которых создаётся, передаётся и потребляется электрическая энергия. Данные элементы, или участки, содержат источники электрической энергии, а также промежуточные устройства и проводники между ними, обеспечивающие неразрывность соединений.

Как по другому называется электрическая цепь

Источниками электрической энергии являются устройства, вырабатывающие ток путём физических, химических или световых преобразований.

Важно! Приемниками электроэнергии являются устройства, работа которых напрямую зависит от активности источника. Промежуточные элементы с функциональными устройствами служат для передачи электрической энергии от источников к приемникам

В зависимости от назначения, они непосредственно передают энергию с конкретными параметрами источника

Промежуточные элементы с функциональными устройствами служат для передачи электрической энергии от источников к приемникам. В зависимости от назначения, они непосредственно передают энергию с конкретными параметрами источника.

Обозначения элементов на схеме

Прежде чем приступить к монтажу оборудования необходимо изучить нормативные сопровождающие документы. Схема позволяет донести до пользователя полную характеристику изделия с помощью буквенных и графических обозначений, занесенных в единый реестр конструкторской документации.

К чертежу прилагаются дополнительные документы. Их перечень может быть указан в алфавитном порядке с цифровой сортировкой на самом чертеже, либо отдельным листом. Классифицируют десять видов схем, в электротехнике обычно используют три основные схемы.

• Функциональная имеет минимальную детализацию. Основные функции узлов изображают прямоугольником с буквенными обозначениями.
• Принципиальная схема подробно отображает конструкцию использованных элементов, а также их связи и контакты. Необходимые параметры могут быть отображены непосредственно на схеме или в отдельном документе. Если указана только часть установки, это однолинейная схема, когда указаны все элементы – полная.
• В монтажной электрической схеме используют позиционные обозначения элементов, их месторасположение, способ монтажа и очередность.

Выключатель на схеме выглядит как кружок с наклоненной вправо чертой. По виду и количеству черточек определяют параметры устройства.

Кроме основных чертежей есть схемы замещения.

Энергия электрического поля

Рассмотрим систему из двух проводников, на которых распределены равные по модулю, но противоположные по знаку заряды. Опыт показывает, что разность потенциалов между этими проводниками пропорциональна модулю заряда: U=q/C, где С — постоянный коэффициент, определяемый в общем случае размерами проводников, их формой и расположением в пространстве, а также диэлектрической проницаемостью среды, в которую помещены проводники. Величину С, равную отношению заряда системы проводников к разности потенциалов между ними, называют электрической емкостью (короче — электроемкостью) данной системы проводников:

C = q/U

Единицей электроемкости является кулон на вольт (Кл/В). В честь М. Фарадея эта единица получила название фарад (Ф): 1 Ф = 1 Кл/В.

Систему из двух изолированных друг от друга металлических проводников, между которыми находится диэлектрик, называют конденсатором.

Накопление энергии в электрическом поле конденсатора

— заряд, Кл;

— напряжение, В;

— электрическая емкость конденсатора, Ф.

Если напряжение источника в цепи конденсатора изменяется, то происходит перераспределение зарядов на его пластинах, что приводит к возникновению тока в цепи:

Мощность конденсатора положительна при его заряде и отрицательна при разряде конденсатора.

При убывании напряжения ток также уменьшается, энергия возвращается обратно к источнику.

Величины R(OM), L(Гн), С(Ф) зависят от свойств самого устройства, его конструкции и являются параметрами этого устройства.

Энергия электромагнитного поля

Опыт показывает, что в контуре из двух электроламп, соленоида и реостата при отключении источника тока еще некоторое время течет электрический ток, причем сила тока со временем уменьшается от некоторого начального значения до нуля.

Одновременно с током, как известно, исчезает и магнитное поле тока. Так как никаких других источников энергии, которые поддерживали бы электрический ток в контуре, нет, то остается предположить, что энергией обладает само магнитное поле. Найдем начальную энергию W магнитного поля, считая, что она расходуется на индуцирование э. д. с. и тока самоиндукции в контуре, когда магнитный поток убывает от некоторого начального значения до нуля.

Бесконечно малое изменение энергии поля равно элементарной работе тока в контуре:

Но э. д. с. самоиндукции , а сила тока i=dQ/dt. Отсюда

dW = — Lidi

Знак минус указывает, что энергия поля уменьшается. Интегрируя это выражение, находим

— индуктивность или коэффициент пропорциональности между током и потокосцеплением;

— ток через катушку.

Потокосцеплением самоиндукции y цепи называется сумма произведений магнитных потоков, обусловленных только током в этой цепи, на число витков, с которыми они сцеплены.

Если все витки пронизываются одним и тем же магнитным потоком Ф, то потокосцепление равно произведению магнитного потока на число витков y=Фw, а w = nI, где I-длина соленоида, n — густота обмотки.

В СИ потокосцепление измеряется в веберах, индуктивность — в генри.

Генри — это индуктивность соленоида, в котором при силе тока 1 А создается магнитный поток 1 Вб.

Зависимость потокосцепления от тока может быть постоянной (линейная зависимость) или нелинейной.

При изменении тока изменяется потокосцепление и в катушке наводится ЭДС самоиндукции:

Знак минус показывает, что ЭДС противодействует изменению тока в цепи.

Напряжение и мощность индуктивности равны:

Мощность может быть как положительной (при намагничивании), так и отрицательной (при размагничивании).

При нарастании тока , направления тока и напряжения совпадают, в индуктивности запасается энергия магнитного поля.

При убывании тока , направления тока и напряжения не совпадают, энергия магнитного поля в индуктивности убывает, возвращается обратно к источнику.

Явление самоиндукции можно наблюдать на опыте, собрав цепь с источником постоянного тока и двумя параллельными ветвями (смотри рисунок выше). Одна ветвь состоит из электролампы Л1 и реостата R, другая — из такой же электролампы Л2 и соленоида. С помощью реостата в обеих ветвях устанавливают одинаковую силу постоянного тока. После включения рубильника видно, что лампа Л2 начинает светиться позже, чем лампа Л1. Это объясняется тем, что в соленоиде индуцируется э. д. с. самоиндукции, препятствующая некоторое время нарастанию силы тока. У разных соленоидов время нарастания силы тока оказывается различным, так как вокруг каждого из них создаются разной величины магнитные потоки, которые индуцируют различные э. д. с. самоиндукции.

Физические величины, характеризующие цепь

Величин, которыми можно описать любую электрическую цепь несколько. Основными из них являются:

• Напряжение – U (измеряется в вольтах (В)).
• Сила тока – I (измеряется в амперах (А)).
• Сопротивление – R (измеряется в омах (Ом)).
• Мощность – P (измеряется в Ваттах (Вт)).
• Ёмкость – С (измеряется в Фарадах (Ф).

Знание формул позволяет проводить практические расчеты. К примеру, сопротивление резистора зависит не только от тока, но и от напряжения. Формула, которая это отражает, называется Законом Ома для участка цепи и выглядит так:

• I – сила тока;
• U – напряжение;
• R – сопротивление.

Если резистор имеет постоянное сопротивление независимо от того, какой ток по нему протекает, он имеет название «линейный элемент».

Когда по резистору протекает ток, его сопротивление увеличивается из-за увеличения колебания на молекулярном уровне кристаллической решетки в проводнике. Колебания мешают движению электронов, и в результате энергия теряется понапрасну. Для того чтобы предотвратить перегорание резистора в цепь последовательно ему часто устанавливают предохранитель. Он содержит внутри легкоплавкий проводник, рассчитанный на перегорание при превышении параметров. Перегорая, предохранитель уберегает от повреждения всю схему и экономит, порой, часы при ремонте, так как поменять предохранитель легче, чем искать поврежденный компонент среди десятков таких же.

https://youtube.com/watch?v=-NKZNUUzR-Q%3Ffeature%3Doembed

• Кто изобрел электрическое уличное освещение
• Статическое электричество и защита от него
• 6 простейших способов определения полярности светодиодов

Помогла ли вам статья?

Пишите ваши рекомендации и задавайте вопросы в комментариях

Сергей Феликсович Савельев

Эксперт по предмету «Физика»

Задать вопрос автору статьи

Любая электрическая цепь состоит из различных объектов и устройств, которые создают оптимальные условия для прохождения электрического тока. Для того чтобы описать электромагнитные процессы, которые происходят в каждом устройстве, применяются такие понятия, как ток, напряжение и электродвижущая сила.

Понятие, классификация элементов и источников

Электрическая цепь – это совокупность электротехнических устройств, которые образуют путь для нормального прохождения электрического тока и которые предназначены для распределения, передачи и взаимного преобразования электрической и другой энергии.

Электрические цепи, в которых образуется электрическая энергия, а ее преобразование и передача осуществляется при неизменных напряжениях, называются цепями постоянного тока.

В таких цепях магнитные и электрические поля во времени не изменяются. Поскольку напряжения и токи постоянны, то изменения во времени этих величин приравниваются нулю:

Поэтому ток через емкость и напряжение на индуктивности, которые зависят от этих величин, также приравниваются нулю:

Исходя из этого, можно сделать вывод, что сопротивление постоянному току в индуктивности равно нулю, а емкость, напротив, – это бесконечно большое сопротивление. Поэтому катушка индуктивности в цепи постоянного тока представляет собой обычный провод, сопротивлением которого можно пренебречь, а емкость – это разрыв электрической цепи.

Все элементы электрической цепи условно можно классифицировать на три составные части:

• Источники питания. Все элементы цепи, что относятся к данной группе, вырабатывают электрическую энергию.
• Преобразующие элементы. Элементы, которые относятся ко второй группе, преобразуют электричество в другие виды энергии. В физике они известны как приемники.
• Передающие устройства. К третьей группе относятся передающие устройства. Это провода и другие установки, которые обеспечивают качество и уровень напряжения.

«Электрические цепи и их элементы» 👇

В источниках электрической энергии происходит преобразование химической, механической, тепловой и других видов энергии в электрическую. К источникам электроэнергии можно отнести:

• гальванические элементы;
• электромагнитные генераторы;
• термопреобразователи.

В приемниках электрической энергии (электротермические устройства, электродвигатели, лампы накаливания, электролизные ванны, резисторы) электроэнергия преобразуется в световую, тепловую, химическую, механическую.

Схемы электрических цепей

Элементы электрических цепей соединяются в схемы разными способами. Для каждой из схем существуют определенные закономерности, которые сформулированы и установлены учеными Омом и Кирхгофом.

Соединение потребителей в электрических цепях может быть трех видов:

• Последовательное соединение. В таком случае с увеличением количества потребителей происходит увеличение общего сопротивления электрической цепи. Из этого следует, что значение общего сопротивления состоит из суммы сопротивлений подключенной нагрузки. Поскольку во всех участках электрической цепи протекает одинаковый ток, то на каждый отдельный элемент распределяется только часть общего напряжения. Если какое-то устройство или прибор останавливает свою работу, то происходит разрыв электрической цепи. Иными словами, если из строя выйдет хотя бы одна лампочка, остальные тоже не будут работать (например, елочная гирлянда). Но в последовательную цепь можно включить огромное количество элементов, каждый из которых рассчитан на меньшее напряжение.
• Параллельное соединение. При такой схеме к двум точкам электрической цепи подключается несколько потребителей. На каждом участке напряжение будет приравниваться тому напряжению, которое приложено к каждой узловой точке. Данная схема позволяет увидеть возможность протекания электрического тока различными путями. Ток, который протекает у места разветвления, дальше проходит по двум нагрузкам, что имеют определенное сопротивление. В результате этого он приравнивается сумме токов, которые расходятся от данной точки. Происходит снижение сопротивления с увеличением ее общей проходимости. Благодаря соединению обеспечивается независимая работа потребителей. Если из строя выйдет один из них, то остальные потребители будут работать слаженно, поскольку цепь не разрывается.
• Комбинированное соединение. Большинство приборов на практике включаются в электрическую цепь сразу двумя способами (параллельно и последовательно). Поэтому подобные соединения носят название комбинированные. Например, вся защитная аппаратура соединяется последовательно, тем самым, обеспечивая разрыв цепи. Лампочки и розетки, всегда включаются параллельно, исключая взаимодействие между собой. Частое использование комбинированного соединения вызвано различным энергопотреблением. Их сопротивления при постоянном напряжении будут отличаться между собой. Комбинированное соединение позволяет распределить нагрузку на линиях и предотвратить перегрузку.

Электрическая цепь, которая изображена графически при помощи знаков и символов, носит название «электрическая схема».

Она представлена в виде идеализированной цепи, которая является расчетной моделью реальной электрической цепи. Иногда она называется эквивалентной схемой замещения. По возможности данная схема должна отражать реальные процессы, что происходят в действительности. Каждый реальный элемент цепи при расчетах заменяется элементами схемы.

В цепях постоянного электрического тока используются два элемента: резистивный элемент с сопротивлением $R$ и источник энергии с внутренним сопротивлением $r_0$. Под внутренним сопротивлением генератора понимается сопротивление всех его внутренних элементов электрическому току.

Сопротивление приемника $R$ может охарактеризовать потребление электрической энергии, иными словами, превращение электроэнергии в другие виды энергии с выделением мощности:

$P = l^2 R$

Для того чтобы провести анализ электрической цепи важно выделить несколько понятий: ветвь, узел, контур.

Ветвь – это участок цепи, который образуется элементами, что соединены последовательно, и характеризуется собственными значениями электрического тока в определенный момент.

Узлом является точка соединения нескольких ветвей. Если в месте пересечения на электрической схеме отображается точка, то на этом месте существует электрическое соединение двух линий. В противном случае узла нет.

Контур – это замкнутая часть электрической цепи, которая состоит из нескольких узлов и ветвей.

Заземление любой точки схемы говорит о том, что потенциал данной точки приравнивается нулю.

Активные элементы электрической цепи

В качестве источников энергии в линейных электрических цепях различают источники ЭДС и источники электрического тока. Идеальный источник ЭДС имеет неизменную электродвижущую силу и напряжение на выходных зажимах. У реального источника напряжение и ЭДС изменяются при изменении нагрузки. В электрической схеме это можно учесть последовательным включением резистора $r_0$.

Напряжение $U_ab$ напрямую зависит от тока приемника и приравнивается разности между электродвижущей силой генератора и уменьшением напряжения на его внутреннем сопротивлении $r_0$.

$U_ab = arphi_a – arphi_b$

Ток, который протекает по электрической цепи, зависит от сопротивления нагрузки:

Если принять ЭДС источника, где внутреннее сопротивление и сопротивление приемника не зависит от напряжения и тока, то внешняя характеристика источника энергии $U_12 = f(l)$ и вольтамперная характеристика приемника $U_ab = f(l)$ будут линейными.

Для источника электрического тока характерно бесконечное внутреннее сопротивление и бесконечное значение электродвижущей силы. При этом выполняется следующее равенство:

Если $r_0geqslant R_H$ и $l_0leqslant l$, то источник энергии находится в режиме, который близок к короткому замыканию. Тогда $l_0=0$/

Источник с внутренним сопротивлением $g_0 = 0$ называется идеальным источником.