Электрическая цепь и ее элементы

Виды электрических цепей

Неразветвлённые и разветвлённые электрические цепи

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.).

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!

Реле коммутации и защиты

Реле представляют собой электрические аппараты, замыкающие или размыкающие свои контакты при изменении контролируемой ими физической величины. Значение контролируемой величины, при которой реле срабатывает, называется уставкой реле.

Реле различают: по принципу действия (электромагнитные, индукционные, тепловые и т. д.), по времени срабатывания (мгновенного действия и с выдержкой времени), по способу возврата реле в исходное состояние (с самовозвратом, с принудительным ручным или электромагнитным возвратом), по назначению (реле управления, защиты, блокировки и сигнализации).

Важной характеристикой реле является коэффициент возврата, представляющий собой отношение значений величины отпускания к величине срабатывания. Он обычно меньше единицы

Особое место в распределительных устройствах занимают реле защиты, которые могут быть максимального тока, обратной мощности, тепловые.

Устройство такого реле (типа ДТ) показано на рис. 2. Это электромагнитное поляризованное реле, реагирующее на изменение направления протекающего по катушке тока.

Рис. 2. Реле обратного тока

На сердечнике 8 его магнитопровода находится токовая катушка 7, включаемая последовательно в защищаемую цепь. Между полюсами N—S на оси, перпендикулярной плоскости рисунка, может поворачиваться якорь 6 с намотанной на него катушкой напряжения 5. Ток к ней подается гибкими проводниками от выводов Л1 и Л2. Направление тока в этой катушке неизменно, а в последовательной может изменяться. Если ток по катушке 7 течет в нормальном, заранее предусмотренном направлении, якорь поворачивается по часовой стрелке, рычаг 4 доходит до упора. При изменении направления тока якорь поворачивается против часовой стрелки. Пружина 3 растягивается. Подвижный контакт 2 замкнется с контактом 1, включит расцепитель автомата, который отключит генератор от шин щита.

Регулировку реле обратного тока выполняют натяжением пружины 3. Настройку реле в системе защиты генераторов производят согласно Правилам Регистра на обратный ток 2—15% номинального.

Индукционное реле мощности типа ИМ-149 (рис. 3) осуществляет направленную защиту генераторов переменного тока от перехода их в двигательный режим. Индукционная система реле состоит из двух электромагнитов: трехстержневого верхнего 4 и подковообразного нижнего 1 и расположенного между ними алюминиевого диска 2, закрепленного на оси 9.

Рис. 3. Индукционное реле обратной мощности ИМ-149

На нижнем электромагните находится обмотка напряжения, на верхнем — токовая. Подвижный контакт 8 через шестеренчатую пару связан с осью диска. Пружина 7 удерживает контакты 6 и 8 в разомкнутом состоянии. Постоянные магниты 3 обеспечивают обратнозависимую характеристику реле: чем больше обратная мощность, тем быстрее поворачивается диск и быстрее замыкаются контакты 6, закрепленные на колодке 5.

При нормальном направлении мощности (от генератора к шинам) обмотки создают вращающий момент в диске, направленный в ту же сторону, что и момент, создаваемый пружиной 7 (на размыкание контактов). При обратном направлении мощности (от шин к генератору) ток в катушке электромагнита 4 изменяет свою фазу на обратную, а в обмотке напряжения фаза не изменяется.

Вращающий момент диска поменяет свой знак на обратный и, преодолевая противодействие пружины 7, повернет подвижный контакт 8 в сторону неподвижных и замкнет их.

Реле ИМ-149 допускает регулировку по уровню обратной мощности (6, 9 и 12% номинальной) перестановкой штепсельного устройства в отпайках токовой обмотки и по выдержке времени в пределах от 0 до 10 — с зазором между подвижным и неподвижным контактами, т. е. изменяя положение упора подвижного контакта.

На новых судах синхронные генераторы от обратной мощности обычно защищают бесконтактным реле обратного активного тока типа РОТ-51. Это реле обладает ступенчатым регулированием по току 5, 10, 15% номинального.

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

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.

Электрическая цепь и ее элементы

Теория > Физика 8 класс > Электрические явления

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.

Теория | Калькуляторы | ГДЗ | Таблицы и знаки | Переменка | Главная Карта Сайта

Предохранители и их селективность

Плавкие предохранители представляют собой аппараты, служащие для защиты электрических цепей от токов КЗ и значительных перегрузок. Предохранитель любого типа состоит из трех основных частей: патрона, плавкой вставки и конструкции для установки патрона и присоединения проводов.

Длительный ток, на который рассчитана плавкая вставка, называется номинальным током плавкой вставки. Он обозначается на плавкой вставке заводом-изготовителем. Для большинства предохранителей плавкие вставки изготовляют из свинца, сплавов свинца с оловом, цинка, меди, серебра и других металлов на следующие номинальные токи: 6, 10, 15, 20, 25, 35, 60, 80, 100, 125, 160, 200, 225, 260, 300, 350, 430, 500, 600, 700, 850, 1000 А.

Номинальным током предохранителя называют длительный ток, на который рассчитаны патрон и конструкция для его установки. В данный предохранитель могут быть установлены плавкие вставки на различные номинальные токи, но не более, чем номинальный ток предохранителя. Например, в предохранитель на 15 А могут быть установлены плавкие вставки на 6, 10 или 15 А.

Обозначают предохранители на схемах дробью: в числителе — номинальный ток предохранителя, в знаменателе — номинальный ток плавкой вставки.

При протекании через предохранитель тока КЗ или при перегрузке плавкая вставка расплавляется и разрывает цепь. Чем больше ток, протекающий через плавкую вставку, тем быстрее юна расплавляется и отключает цепь.

Способность предохранителя защищать цепь от перегрузки и обеспечивать селективность (избирательность) действия в общей совокупности защиты сети определяется ампер-секундной характеристикой. Она представляет собой (рис. 1, а) зависимость времени разрыва цепи от кратности перегрузки по отношению к номинальной. Из характеристики видно, что ток перегрузки 1,3 Iн может не вызвать разрыва цепи длительно. В то же время перегрузка в 30% может быть опасна для защищаемой установки. В этом смысле предохранители нельзя считать надежной защитой от перегрузок.

Важной характеристикой предохранителей является их разрывная способность, определяемая тем наибольшим током КЗ, который предохранитель может отключить без каких-либо деформаций, препятствующих его дальнейшему использованию после смены плавкой вставки

Рис. 1. Плавкий предохранитель: а — ампер-секундная характеристика; б — патрон предохранителя ПР-2

В сравнении с автоматическими выключателями предохранители имеют меньшую (в 2—6 раз) разрывную способность. Однако время гашения дуги и общее время разрыва цепи предохранителем при токах КЗ очень мало

В этом их важное преимущество

На судах наибольшее распространение получили трубчатые (ПР) и пробочные (ПД) предохранители.

Устройство патрона предохранителя ПР-2 на 350 А (рис. 1, б): на фибровой трубке 1 закреплены латунные кольца 5, на которые навинчиваются латунные колпачки 4. К контактным ножам 3, зажимаемым с помощью колпачков, болтами 2 прикрепляется сменная плавкая вставка 6. Предохранители ПР-2 изготовляют двух габаритов, отличающихся длиной патрона, на 250 и 500 В.

В предохранителях типа ПР применяют фигурные пластинчатые цинковые вставки, имеющие 2—4 суженных места, где из-за большего сопротивления выделяется больше тепла, чем в широких частях.

Фибра, из которой выполнена трубка патрона, является газогенерирующим материалом. Фибра при перегорании плавкой вставки выделяет водород, углекислый газ и водяной пар, которые обладают дугогасящими свойствами.

В процессе эксплуатации чаще всего повреждаются стойки ножи и вставки предохранителей.

Стойки и ножи трубчатых предохранителей при незначительных подгарах и оплавлениях зачищают напильниками, а затем поврежденное место лудят. При значительных выгораниях плоскостей и кромок контактных ножей и предохранителей можно так же, как у рубильников, наплавить поврежденные места однородным металлом.

Пробитые, обгоревшие и поломанные фибровые трубки предохранителей и сгоревшие плавкие вставки заменяют новыми.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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

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

где

— 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.

Если напряжение возрастает, то i>0. Это значит, что ток и напряжение совпадают по направлению, энергия электрического поля в конденсаторе возрастает.

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.

Элементы цепи

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:

1. Источник (Source) – в большинстве случаев аккумулятор, гальванический элемент или генератор. Изредка – ветрогенераторы и солнечные батареи.
2. Проводник (Conductor) – необходим для передачи электроэнергии от источника к электропотребителю.
3. Потребитель электроэнергии (Load, consumer) (чаще всего в быту это осветительные приборы, двигатели, нагревательные приборы, электроника, бытовая техника, такая как компьютеры, пылесосы, стиральные машины).
4. 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: