Электричество для детей

Содержание

Электрическая цепь и ее составные части

Тема: Электромагнитные явления

Урок: Электрическая цепь и ее составные части

1. Условия существования электрического тока. Электрическая цепь

Вспомним, что на прошлом уроке мы оговаривали три условия наличия электрического тока:

1. наличие зарядов;

2. наличие источника тока (гальванического элемента и др.). Источник тока создает электрическое поле внутри проводника, что является причиной движения зарядов;

3. наличие электрической цепи. О последнем понятии мы будет говорить сегодня.

Электрическая цепь должна содержать источник тока (рис. 1–3), т. е. элемент, который создает в цепи электрическое поле и обеспечивает движение заряженных частиц, и потребитель тока, т. е. например, любой бытовой прибор (рис. 4): лампочку, фонарик, компьютер, телевизор, стиральную машину, холодильник и т. п. Источник тока и потребители всегда соединяются проводами (проводниками), т. е. такими элементами, которые способны проводить электрический ток и обладают большим количеством свободных заряженных частиц.

Рис. 1. Гальванический элемент (Источник)

Рис. 2. Аккумулятор (Источник)

Рис. 3. Электростанция (Источник)

Рис. 4. Потребители тока (Источник) (Источник) (Источник) (Источник) (Источник) (Источник)

Таким образом, электрическая цепь имеет следующие основные составные элементы: источник тока, потребители тока, соединительные провода.

Конечно же, потребители тока сами по себе состоят из более мелких элементов, каждый из которых имеет свое название, функцию и особенности. Электрические цепи бывают сложными и простыми, мы начнем их изучение с простейших вариантов, например, с устройства карманного фонарика. В его составные части входят: источник питания, лампочка, соединительные провода и выключатель. В конце урока мы соберем электрическую цепь, аналогичную цепи внутри фонарика и обсудим ее принцип работы.

Для удобства электрические цепи принято изображать в виде схем, в которых приняты определенные обозначения различных элементов. Условные обозначения элементов электрических цепей известны и классифицированы определенным образом, их достаточно много, но мы познакомимся с основными из них.

Определение. Электрическая цепь, изображенная на рисунке, называется электрической схемой.

2. Условные обозначения элементов электрических цепей

Гальванический элемент (источник тока)

Как видно из рисунка, длинной полоской обозначают положительный полюс источника, а короткой – отрицательный

Гальваническая батарея (аккумулятор)

Таким образом обозначается соединение нескольких гальванических элементов

Соединяющиеся провода

Место соединения проводов обозначается жирной точкой, которую еще зачастую именуют узлом

Несоединяющиеся провода

Провода, которые не соединяются, в точке пересечения никак особо не выделяются

Лампа накаливания (лампочка)

Зажимы для подключения электроприборов

К подобному элементу на схеме можно подключать какой-либо электроприбор

Ключ (выключатель)

Элемент цепи для ее замыкания и размыкания

Электрический звонок

Для запоминания этого обозначения можно заметить, что оно похоже на грибочек

Резистор

Этот элемент цепи имеет большое сопротивление

Нагревательный элемент

Плавкий предохранитель

Прибор, который обеспечивает безопасность работы электрической цепи

Указанные в таблице элементы являются составными частями простейших электрических цепей.

3. Устройство электрической цепи карманного фонарика

Рассмотрим простейшую электрическую цепь на примере устройства карманного фонарика. В нее входят источник питания, лампочка накаливания, соединительные провода и выключатель (ключ).

Собирать цепь удобно в следующей последовательности: сначала подключим лампочку к одному из полюсов источника тока (батарейки), затем второй контакт на лампочке подключаем к разомкнутому предварительно ключу (выключателю) и, чтобы замкнуть цепь, второй контакт ключа соединяем со свободным полюсом источника тока.

После сбора цепи видно, что лампочка не горит, т. к. она все еще разомкнута с помощью ключа, и электрический ток не идет (не выполнено условие замкнутости электрической цепи). Теперь замыкаем ключ, и лампочка загорается (рис. 5), т. к. цепь становится замкнутой и все условия существования электрического тока выполнены.

Рис. 5.

Изобразим схему собранной нами электрической цепи с использованием приведенных в таблице условных обозначений (рис. 6).

Рис. 6.

Конечно же, бессмысленно рассматривать с практической точки зрения те электрические цепи, в которых не выполняется работа электрического тока. О действии электрического тока и о выполнении им работы мы поговорим позже.

На следующем уроке нашей темой будет «Электрический ток в металлах».

Список литературы

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

  1. Академик (Источник).
  2. Интернет-портал Mukhin.ru (Источник).
  3. YouTube (Источник).

Домашнее задание

  1. Стр. 78: вопросы № 1–4, стр. 79: упражнение № 13. Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
  2. В вашем распоряжении есть гальванический элемент, лампочка, два ключа и соединительные провода. Нарисуйте принципиальную схему электрической цепи, в которой лампочка загорается только тогда, когда включены оба ключа.
  3. Железный гвоздь и отрезок медного провода воткнули в лимон. Потечет ли ток через провод, которым соединяют гвоздь и медный провод?
  4. С потолка в месте крепления люстры свисают три провода, по которым после подключения люстры идет ток. Если люстру подключить правильно, два выключателя работают таким образом, что один из них включает и выключает одну лампу, а другой – остальные три. Нарисуйте схему соединения ламп в люстре, выключателей и источника тока.

Опыты с электричеством для детей: охранная сигнализация своими руками

Если вы когда-нибудь смотрели на некое электронное устройство и задавались вопросом «Как оно работает?» и «Могу ли я сделать это сам?» — или если ваш ребенок уже вырос из электронного конструктора «Знаток» и готов двигаться дальше, книга «Электроника для детей» — то, что вам нужно, особенно таким дождливым летом, как нынешнее. Если вы в детстве с упоением разбирали радиоприемник, а сейчас ваш сын спрашивает, как устроен компьютер, эта книга для вас. Отрывок, который мы публикуем сегодня, даст детям первое представление об электричестве и поможет собрать первое собственное устройство — охранную сигнализацию.

Прежде чем мы приступим к опытам с электричеством — немного физики. Как электричество заставляет лампочку гореть? Здесь действует сочетание четырех понятий. Это:

  • Электроны
  • Ток
  • Напряжение
  • Сопротивление

Что такое электрон

Все, что нас окружает, состоит из атомов — частиц настолько малых, что разглядеть их можно только с помощью особого типа микроскопа. Но сами атомы состоят из еще меньших частиц — протонов, нейтронов и электронов.

Протоны и нейтроны образуют ядро атома (его центр), а электроны вращаются вокруг этого ядра, как планеты вокруг Солнца. Протоны и электроны несут электрические заряды, протоны имеют положительный заряд, а электроны — отрицательный.

Именно поэтому электроны удерживаются в атоме: положительный и отрицательный заряды притягивают друг друга подобно разноименным полюсам магнитов.

Некоторые вещества обладают проводимостью: если воздействовать на них энергией (например, запасенной в батарейке), то электроны в них начинают перемещаться от атома к атому!

Напряжение заставляет электроны двигаться

Присоединив к лампочке батарейку, вы подали на нить лампочки напряжение. Это напряжение, измеряемое в вольтах (В или V), толкает электроны в одном направлении, заставляет их двигаться по нити. Чем оно выше, тем больше электронов будет передвигаться по нити.

Представьте себе нить в виде трубы, целиком заполненной шариками. Если с одного конца трубы втолкнуть шарик, с ее противоположного конца тут же без всякой задержки выпадет другой шарик.

Чем больше шариков вы будете заталкивать в один конец трубы, тем больше их будет выпадать из другого. Именно так ведут себя электроны в нити накаливания лампочки, когда на нее подается напряжение.

Электрический ток

Электрический ток — это течение потока электронов по нити лампочки. Вы могли слышать слово течение применительно к реке: «У этой реки сильное течение». Это значит, что по реке протекает много воды. Электрический ток подобен этому течению: если говорят «сильный ток», это значит, что по проволоке протекает много электронов.

Сила тока измеряется в амперах (А). При увеличении напряжения в цепи увеличивается и сила тока. Как вода течет по склону под действием силы тяготения, так ток течет от положительного вывода батарейки (+) к отрицательному (—). При этом сами электроны движутся в противоположном направлении — от отрицательного вывода к положительному. Однако применительно к току всегда говорят, что он течет от плюса к минусу.

Сопротивление уменьшает силу тока

Напряжение заставляет электроны двигаться и тем самым создавать электрический ток, а сопротивление препятствует этому току. Это подобно игре с садовым шлангом: если сжать его, сопротивление потоку воды увеличится и поток ослабнет, т. е. воды станет протекать меньше. Но если открыть кран еще больше, увеличится давление (это будет подобно повышению напряжения), и поток воды увеличится, даже если шланг останется сжатым в той же степени. Сопротивление в электричестве действует подобно сжатию шланга, а измеряется оно в омах (Ом или Ω).

Теперь я объясню вам, как электроны, ток, напряжение и сопротивление действуют вместе, заставляя светиться лампочку.

Зажигаем лампочку

Концы нити накаливания лампочки соединены с деталями ее цоколя: один — с боковой поверхностью его корпуса, другой — с центральным контактом. Когда вы присоединяете лампочку к батарейке, вы создаете то, что называется электрической цепью. Цепь — это путь, по которому ток может течь от плюса батарейки к минусу.

Создаваемое батарейкой напряжение заставляет электроны двигаться по цепи, частью которой является нить накаливания лампочки. Нить обладает сопротивлением, ограничивающим силу тока в цепи. Когда электроны преодолевают сопротивление нити, она становится такой горячей, что начинает светиться, т.е. испускать свет.

Чтобы батарейка могла заставить электроны двигаться, цепь между ее выводами не должна иметь разрывов, т. е. должна быть замкнутой.

Чтобы электричество могло работать, всегда необходимы замкнутые цепи. Достаточно разомкнуть цепь — создать в ней хоть один разрыв в каком-либо месте, и лампочка сразу погаснет! Давайте рассмотрим электрические цепи более подробно.

В чем электрическая цепь подобна системе труб

Давайте продолжим рассматривать электричество, сравнивая его с течением воды в трубах. Представьте себе систему труб в виде замкнутой петли с насосом, которая целиком заполнена водой. В одном месте эта система имеет сужение.

Насос играет роль батарейки, которая питает цепь энергией. Сужение в трубе уменьшает поток воды. Так же действует сопротивление в электрической цепи.

Теперь вообразите, что вы можете ввести в эту систему труб некое измерительное устройство, которое позволит определять количество воды, протекающей через него за одну секунду. Обратите внимание, что здесь я говорю лишь о том, сколько воды протекает через одно случайно выбранное место в трубе, а не об общем количестве воды в трубах. Точно так же мы будем говорить о силе тока в цепи: сила тока — это количество электронов, протекающих через определенную точку цепи в секунду.

Знакомьтесь: выключатель

Вы пользуетесь выключателями каждый раз, когда зажигаете или гасите свет. Когда свет в комнате горит, выключатель составляет часть замкнутой цепи, раз по лампе проходит ток. Но что происходит, когда выключатель размыкают? Происходит то же самое, что при разъединении провода в цепи: ток через лампу прерывается, и лампа гаснет, так же как в разомкнутой цепи, показанной выше.

Вокруг себя вы можете найти самые разные выключатели, и это очень простые устройства. Они соединяют два провода, чтобы замкнуть цепь, и разъединяют их, чтобы разомкнуть ее. Даже зная лишь это, можно создавать неплохие схемы, чем мы и собираемся заняться.

Проект: охранная сигнализация

Выключатель можно сделать из самых разных вещей — даже из двери. В этом проекте вы превратите дверь в огромный выключатель, чтобы создать охранную сигнализацию, которая будет издавать предупредительный сигнал каждый раз, когда кто-нибудь попытается войти в комнату.

Чтобы создать такую сигнализацию, нужно прикрепить к двери несколько проводов и полоску алюминиевой фольги таким образом, чтобы при закрытой двери цепь была разомкнутой и ничего не происходило, а при открывании двери цепь замыкалась, включая зуммер.

Над дверью мы повесим оголенный (неизолированный) провод, а на верхний край двери наклеим полоску фольги и соединим эти элементы с разными концами электрической цепи, в состав которой входит зуммер. При открывании двери свисающий оголенный провод коснется фольги и тем самым замкнет цепь, заставив зуммер звучать.

Материалы и инструменты:

  • Зуммер. Зуммеры бывают пассивными и активными. Пассивным нужен входной сигнал звуковой частоты, а активным — только напряжение. Для этого проекта вам понадобится активный зуммер, который работает от напряжения 9–12 В (например, KPIG2330E от KEPO. Подойдет также зуммер, который продается в магазинах автозапчастей под названием «Индикатор звуковой (повторитель)» или «Звуковой повторитель поворотов», рассчитанный на напряжение 12 В).
  • Стандартная батарейка 9 В для питания цепи.
  • Разъем для подключения батарейки к цепи (колодка или клемма для «Кроны» с проводами).
  • Алюминиевая фольга.
  • Неизолированный провод. Подойдут гибкая медная проволока без изоляции (не перепутайте с обмоточным эмалированным проводом, такой не годится), старая гитарная струна или что-нибудь подобное.
  • Лента для крепления всех элементов. Это может быть изолента, скотч и т.п.
  • Кусачки (бокорезы) для обрезания проволоки и удаления изоляции с проводов.
  • Ножницы (не обязательны). Ими удобно резать фольгу.

Шаг 1. Проверка зуммера. Прежде всего проверьте, работает ли зуммер. Прижмите его красный провод к положительному (+) выводу батарейки, а его черным проводом коснитесь ее отрицательного (—) вывода. Зуммер должен издать громкий звук. Если отсоединить любой из его проводов от батарейки, звук должен прекратиться, поскольку цепь будет разомкнута.

Шаг 2. Подготовка фольги. Отрежьте ножницами полоску фольги шириной около 2,5 см и длиной во всю ширину рулона.

Шаг 3. Закрепление фольги на двери. Закрепите оба конца полоски фольги на верхнем крае двери двумя кусочками клейкой ленты. Эта полоска будет служить контактом для проводов от батарейки и зуммера.

Шаг 4. Подготовка контактного провода. Возьмите кусок неизолированного провода длиной около 25 см.

Шаг 5. Соединение зуммера с контактным проводом. Соедините один конец контактного провода с оголенным концом черного провода разъема для подключения батарейки. Сделать это просто: скрутите вместе неизолированные концы этих проводов и обмотайте скрутку куском изоленты.

После этого тем же способом соедините красный провод разъема для подключения батарейки с красным проводом зуммера.

Шаг 6. Установка зуммера и контактного провода. Теперь установите зуммер и контактный провод над дверным проемом. Сначала клейкой лентой прикрепите контактный провод к притолоке двери таким образом, чтобы, когда дверь закрыта, он свисал перед дверью, а при ее открывании ложился на полоску фольги.

Теперь клейкой лентой закрепите над притолокой зуммер так, чтобы его черный провод мог касаться полоски фольги на двери. Неизолированный конец этого провода прикрепите клейкой лентой к фольге.

Шаг 7. Подключение источника питания. Закрепите над дверью батарейку и подключите к ней разъем. Теперь ваша сигнализация должна выглядеть примерно так:

Шаг 8. Проверка сигнализации. Проверьте работу сигнализации. При открывании двери оголенный контактный провод должен коснуться фольги на двери, включив тем самым зуммер, который издаст громкий звук. Чтобы проверка была более достоверной, попросите кого-нибудь другого открыть дверь.

Шаг 9. Если сигнализация не работает. Если при открывании двери зуммер не включается, надо попытаться отрегулировать положение контактного провода так, чтобы при открывании двери он точно касался фольги. Если касание происходит правильно, попробуйте заменить батарейку. Если и это не поможет, проверьте соединения проводов разъема батарейки с проводами схемы и, если понадобится, выполните их заново.

Что такое электричество и что значит работа тока? Объясняем доступным языком!

Как известно всем, электрический ток — это упорядоченное движение определенных заряженных частиц. Для того чтобы грамотно использовать весь потенциал электричества, необходимо четко понимать все принципы устройства и работы электрического тока. Итак, давайте разберемся, что же такое работа и мощность тока.

Откуда вообще берется электрический ток?

Несмотря на кажущуюся простоту вопроса, немногие способны дать на него вразумительный ответ. Конечно, в наши дни, когда технологии развиваются с неимоверной скоростью, человек особо не задумывается о таких элементарных вещах, как принцип действия электрического тока. Откуда берется электричество? Наверняка многие ответят «Ну, из розетки, ясное дело» или же просто пожмут плечами. А между тем, очень важно понимать, как происходит работа тока. Это следует знать не только ученым, но и людям, никак не связанным с миром наук, для их же всеобщего разностороннего развития. А вот уметь грамотно использовать принцип работы тока под силу не каждому.

Итак, для начала следует понять, что электричество не возникает ниоткуда: его вырабатывают специальные генераторы, которые находятся на различных электростанциях. Благодаря работе вращения лопастей турбин паром, полученным в результате нагрева воды углями или нефтью, возникает энергия, которая впоследствии с помощью генератора превращается в электричество. Генератор устроен очень просто: в центре устройства находится огромный и очень сильный магнит, который заставляет электрические заряды двигаться по медным проводам.

Каким образом электрический ток доходит до наших домов?

После того как с помощью энергии (тепловой или ядерной) было получено определенное количество электрического тока, его можно подавать людям. Работает такая подача электричества следующим образом: чтобы электричество успешно дошло до всех квартир и предприятий, его нужно «подтолкнуть». А для этого потребуется увеличить силу, которая и будет это делать. Она называется напряжением электрического тока. Принцип действия выглядит так: ток проходит через трансформатор, который увеличивает его напряжение. Далее электрический ток идет по кабелям, установленным глубоко под землей или же на высоте (ибо напряжение порой достигает 10000 Вольт, что является смертельно опасным для человека). Когда ток добирается до места своего назначения, он снова должен пройти через трансформатор, который теперь уже уменьшит его напряжение. Затем он проходит по проводам к установленным щитам в многоквартирных домах или других зданиях.

Проведенное через провода электричество можно использовать благодаря системе розеток, подключая к ним бытовые приборы. В стенах же проводятся дополнительные провода, через которые течет электрический ток, и благодаря именно ему работает освещение и вся техника в доме.

Что такое работа тока?

Энергия, которую несет в себе электрический ток, с течением времени преобразуется в световую или же тепловую. Например, когда мы включаем лампу, электрический вид энергии превращается в световую.

Если говорить доступным языком, то работа тока — это то действие, которое произвело само электричество. При этом ее можно очень легко подсчитать по формуле. Исходя из закона о сохранении энергии, можем сделать вывод, что электрическая энергия не пропала, она полностью или частично перешла в другой вид, отдав при этом определенное количество теплоты. Эта теплота и есть работа тока, когда он проходит по проводнику и нагревает его (происходит теплообмен). Так выглядит формула Джоуля-Ленца: A = Q = U*I*t (работа равна количеству теплоты или же произведению мощности тока на время, за которое он протекал по проводнику).

Что означает постоянный ток?

Электрический ток бывает двух видов: переменный и постоянный. Они различаются тем, что последний не меняет своего направления, он имеет два зажима (положительный «+» и отрицательный «-«) и начинает свое движение всегда из «+». А переменный ток имеет две клеммы — фазу и ноль. Именно из-за наличия одной фазы на конце проводника, его называют также однофазным.

Принципы устройства однофазного переменного и постоянного электрического тока абсолютно разные: в отличие от постоянного, переменный меняет и свое направление (образуя поток как из фазы в направлении к нулю, так из нуля по направлению к фазе), и свою величину. Так, например, переменный ток периодически меняет значение своего заряда. Получается, что при частоте 50 Гц (50 колебаний в секунду) электроны меняют направление своего движения ровно 100 раз.

Где используется постоянный ток?

Постоянный электрический ток обладает некоторыми особенностями. Ввиду того, что он течет строго по одному направлению, его сложнее трансформировать. Источниками постоянного тока можно считать следующие элементы:

  • аккумуляторы (как щелочные, так и кислотные);
  • обычные батарейки, используемые в мелких приборах;
  • генераторы постоянного тока;
  • а также различные устройства типа преобразователей.

Работа постоянного тока

Каковы его главные характеристики? Это работа и мощность тока, причем оба эти понятия очень тесно связаны друг с другом. Мощность подразумевает под собой скорость работы в единицу времени (за 1 с). По закону Джоуля-Ленца получаем, что работа постоянного электрического тока равна произведению силы самого тока, напряжения и времени, в течение которого была совершена работа электрического поля по переносу зарядов вдоль проводника.

Так выглядит формула по нахождению работы тока с учетом закона Ома о сопротивлении в проводниках: A = I2*R*t (работа равна квадрату силы тока умноженному на значение сопротивления проводника и еще раз умноженному на значение времени, за которое совершалась работа).

Электричество — совокупность явлений, обусловленных существованием, взаимодействием и движением электрических зарядов.

Название «электричество» произошло от греческого слова «электрон», так по-гречески называется янтарь. Еще в древности люди заметили, что если потереть янтарь о шерсть, он начинает притягивать различные тела: кусочки бумаги, соломинки, пушинки и т. д. Ученые решили, что при трении янтарю сообщается электрический заряд…

Эту тему можно развернуть не на одну страницу, но сейчас у нас другие цели. Мы должны научиться собирать и настраивать не сложные электронные схемы. Как они будут работать на физическом уровне, мы пока особо рассматривать не будем, сделаем упор на техническую сторону процесса, ну а тем, кто жаждет теоретических основ – поиск «Google» и «Яндекс» в помощь.

Давайте разберем, как работает простая электрическая цепь, состоящая из батарейки (источник тока), лампочки и выключателя. С помощью медных проводов нужно соединить лампочку с батарейкой и выключателем, пока выключатель находится в разомкнутом состоянии, ток по проводам не течет и лампочка не светится.

Если выключатель перевести в замкнутое состояние, то разность потенциалов (напряжение) между полюсами батарейки заставит электрический ток двигаться от минуса батарейки через лампочку, через выключатель к плюсу батарейки. В этом случае лампочка будет светиться, но очень слабо, а может и вовсе не будет. Дело в том, что наша лампочка рассчитана на напряжение 3.3 вольта, а наша батарейка дает только 1.5 вольта.

Для того, что бы лампочка светила, мы используем две батарейки соединенных последовательно. При последовательном соединении батареек напряжение увеличится вдвое и составит 3 вольта. Этого напряжения хватит для яркого свечения лампочки.

Электрическое напряжение

Разность электрических потенциалов – это есть напряжение. Напряжение обозначают буквой U. Единица напряжения названа вольтом (В). Что бы измерить напряжение в нашей схеме, нужно подключить вольтметр параллельно нагрузке (лампочке).

Сила электрического тока

Сила электрического тока обозначается буквой I, измеряется в амперах, единица силы тока обозначается буквой «А». Меньшие токи измеряются в миллиамперах, обозначаются «мА». Один ампер равен 1000 миллиампер. В нашей схеме электрический ток движется всегда в одном направлении, поэтому он называется – «постоянный электрический ток». Что бы измерить силу тока в нашей схеме, нужно подключить амперметр последовательно с нагрузкой (лампочкой).

Мощность электрического тока

Мощность электрического тока в ваттах выражается произведением напряжения в вольтах на ток в амперах.

P = UI

За единицу мощности принимают 1 ватт (Вт).

1 ватт = 1 вольт * 1 ампер

Мощность электрического тока можно так же выражать в киловаттах (кВт).

1 кВт = 1000 Вт.

Давайте посчитаем мощность тока в нашей лампочке. Пусть напряжение на лампочке будет 3 вольта, а ток проходящий через лампу будет равен 0.1 ампера (100 мА).

P = 3 вольта * 0.1 ампера = 0.3 ватта

Мощность тока питающего лампочку в нашей схеме равна 0.3 Вт.

Электрические цепи. Виды и составные части. Режимы работы

Различные элементы, соединенные проводниками электрического тока между собой, образуют электрические цепи. Перечень компонентов цепи может быть довольно большим. Существуют разные виды элементов цепи электрического тока: пассивные и активные, линейные и нелинейные и много других. Всю классификацию перечислить очень трудно.

Виды и составные части

Для работы цепи необходимо наличие соединительных проводников, потребителей, источника питания, выключателя. Контур цепи должен быть замкнут. Это является обязательным условием работы электрической цепи. Иначе ток в цепи протекать не будет. Не все контуры считаются электрическими цепями. Например, контуры зануления или заземления ими не признаются, так как в обычном режиме в них нет тока. Однако, по принципу действия они также являются электрическими цепями, так как в аварийных случаях в них протекает ток. Контур заземления и зануления замыкается с помощью грунта.

Внутренние и внешние электрические цепи

Для создания упорядоченного движения электронов, нужно наличие разности потенциалов между каким-либо участком цепи. Это обеспечивается при подключении напряжения в виде источника питания. Он называется внутренней электрической цепью. Остальные компоненты цепи образуют внешнюю цепь. Для задания движения зарядов в источнике питания против направления поля требуется приложить сторонние силы.

Такими силами могут выступать:
  • Выход вторичной обмотки трансформатора.
  • Батарея (гальванический источник).
  • Обмотка генератора.

Кроме упорядоченного движения, электроны задействованы в хаотичном тепловом движении. Чем выше температура материала, тем больше скорость хаотичного движения носителей заряда. Однако, такой вид движения не участвует в создании электрического тока.

От источника питания зависит и род тока, то есть свойства внешней цепи. Батарея элементов выдает постоянное напряжение, а разные обмотки генераторов или трансформаторов выдают переменное напряжение. Это зависит от внутренних процессов в источнике питания.

Внешние силы, создающие движение электронов, называются электродвижущими силами, которые характеризуются работой, выполненной источником для перемещения единицы заряда, измеряется в вольтах.

Практически в расчетах цепей применяют два класса источников питания:
  1. Источники напряжения.
  2. Источники тока.

В реальности такие идеальные источники не существуют, но практически их пытаются имитировать. В бытовой сети мы имеем напряжение 220 вольт с определенными нормированными отклонениями. Это является источником напряжения, так как норма дана именно на этот параметр. Значение тока не играет большой роли. На электростанции круглосуточно поддерживается постоянная величина напряжения, независимо от запросов.

Источник тока действует по-другому. Он поддерживает определенный закон движения электронов, а величина напряжения не имеет значения. В пример можно привести сварочный аппарат. Для нормального хода сварки необходимо поддерживать постоянное значение тока. Эту функцию выполняет инверторный электронный блок.

Сеть питания может быть, как переменной, так и постоянной. Это не играет большой роли. Важнее выдержать, например, параметр ЭДС.

Обозначения компонентов электрической цепи
Выключатель

Это устройство позволяет соединить потребитель с источником питания. При пользовании выключателем, на его контактах образуется искра. Она возникает из-за наличия емкостного сопротивления. Чтобы избежать искрения, в электрическую цепь добавляются дроссели, а в выключатель устанавливают контакты специального вида. Электрические цепи могут иметь и другие решения для предотвращения возникновения искры.

Проводники

Электрические провода чаще всего производят из алюминия или меди. Это объясняется низким удельным сопротивлением этих металлов, хотя стоимость их в последнее время повышается. На проводах при работе выделяется тепло, которое зависит от двух параметров:

  1. Электрического тока.
  2. Сопротивления участка цепи.

Электрический ток определяется необходимостью потребителя, поэтому изменять можно только удельное сопротивление, которое должно быть как можно ниже. Все металлы при уменьшении температуры уменьшают сопротивление, в результате чего снижаются потери энергии. Если взять полупроводники, то среди них есть образцы с отрицательным и с положительным температурным коэффициентом сопротивления. Если сравнивать абсолютные значения сопротивления, то у металлов оно намного меньше.

Потребители

Все остальные компоненты электрической цепи, кроме перечисленных выше, считаются потребителями. Полезной нагрузкой является простая лампа накаливания, электродвигатель, нагревательное устройство. Параметры цепи слишком зависят от потребителей. Электрические цепи имеют обмотки трансформаторов, которые обладают большим индуктивным сопротивлением. Это отрицательно влияет на передачу электричества от источника.

Направление кроме тока может изменять и мощность. При этом энергия циркулирует в одну и в другую сторону. Такая мощность называется реактивной, и не выполняет полезной работы. Однако, она нагревает проводники и изменяет форму электрического сигнала. Поэтому в промышленных условиях целесообразно к электродвигателям параллельно подключать конденсаторы, которые будут компенсировать сопротивление с индуктивностью. В результате реактивная мощность замкнется внутри двигателя, и не выделит чрезмерного тепла в проводах.

Индуктивные потребители имеют важное свойство: они расходуют электроэнергию, которая превращается в магнитное поле и передается дальше.

В электронике существует множество разнообразных потребителей, которые можно разделить на классы:
  • Активные потребители. Для своего функционирования им требуется наличие электрической энергии. От основной сети они практически не работают. К ним относятся транзисторы, микросхемы, тиристоры и много других видов, являющихся своеобразными электронными ключами. Электродвигатели имеют отличие в том, что работают непосредственно из сети питания.
  • Пассивные потребители не нуждаются во внешнем источнике питания. Они пропускают через себя электрический ток особым образом. Например, полупроводники (тиристоры) начинают пропускать ток только при достижении определенной величины напряжения. Значит, они являются пассивными потребителями, и имеют нелинейные свойства пропускания тока. К таким же видам можно причислить диоды, пропускающие ток только в одну сторону. Другими словами, они имеют свойства вентиля. Также пассивными потребителями являются различные дроссели, конденсаторы, сопротивления. При наличии этих компонентов электрические цепи обретают необычные свойства. Например, контуры резонанса, состоящие из катушек и емкостей, применяют в виде фильтров для разной частоты волн.

Режимы электрической цепи

При подключении разного числа потребителей к источнику питания изменяется мощность, напряжение и ток, вследствие чего возникают различные режимы работы в цепи, и соответственно, компонентов, включенных в нее. Практически можно представить схему цепи в виде пассивного и активного двухполюсника. Это электрические цепи, соединенные с внешней частью двумя выводами с разной полярностью.

Особенностью активного двухполюсника является наличие источника электрического тока, у пассивного двухполюсника его нет. Популярными стали схемы замещения пассивных и активных элементов во время работы. Вид режима работы определяется свойствами элементов цепи.

Холостой ход

Это режим при отключенной нагрузке от питания при помощи ключа. В этом случае ток в цепи равен нулю. Напряжение достигает уровня ЭДС. Элементы цепи не работают.

Короткое замыкание

В этом случае выключатель на схеме замкнут, сопротивление равно нулю, соответственно, напряжение также равно нулю.

При применении двух рассмотренных режимов определяются свойства активного двухполюсника. При изменении тока в некоторых границах, зависящих от элемента цепи, нижняя граница всегда равна нулю. Этот элемент цепи начинает выдавать энергию в цепь. Также нужно знать, что если напряжение ниже нуля, это значит, что резисторами активного двухполюсника расходуется энергия источника, связанного по цепи, а также резерв самого прибора.

Номинальный режим

Такой режим необходим для создания технических свойств всей цепи и отдельных компонентов. В этом режиме свойства близки к величинам, указанным на компоненте, или в инструкции. Нужно учесть, что каждый прибор имеет свои параметры. Однако, три главных показателя есть у всех устройств – это напряжение, мощность и номинальный ток. Все компоненты электрических цепей также имеют эти показатели.

Согласованный режим

Этот режим применяется для создания наибольшей передачи активной мощности, передаваемой источником питания к потребителю. Когда производится работа в этом режиме, необходимо быть осторожным, во избежание выхода из строя части цепи.

Основные элементы цепи
Они применяются в сложных устройствах для проверки работоспособности:
  • Ветвь. Это участок цепи с током одинаковой величины. Ветвь может иметь несколько последовательно соединенных элементов.
  • Узел. Это место соединения нескольких ветвей.
  • Контур. Это любой замкнутый участок цепи, имеющий несколько ветвей.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *