Электрическая цепь постоянного тока и ее характеристики

1. Типы и назначение электрических схем

В рамках данной
работы рассматриваются схемы только
одного вида — электрические схемы.
Приведенные примеры заимствованы из
. Основные правила выполнения схем
изложены в ГОСТ –2.702-75 и других стандартах
системы ЕСКД. Кроме того, существуют
ведомственные документы, определяющие
условные обозначения для более узких
областей применения . В зарубежном
электрооборудовании достаточно часто
применяются условные графические
обозначения стандартов международной
электротехнической комиссии (МЭК) или
DIN (Германия). Последние стандарты
достаточно близки к нашим ГОСТам .

Схемы применяют
при изучении принципа действия механизмов,
машин, приборов, аппаратов и систем при
их наладке и ремонте. На этапе эксплуатации
схемы предназначаются для выявления
неисправностей и использования при
техническом обслуживании.

Правила выполнения
схемы зависят от ее типа. Различают
схемы: структурные, функциональные,
принципиальные (полные), соединения
(монтажные), подключения, общие и
расположения. На принципиальных схемах
элементы и устройства изображают
совмещенным или разнесенным способом.
Наиболее распространены схемы, выполненные
разнесенным способом. В этом случае
составные части элементов и устройств
изображают на схеме в разных местах
таким образом, чтобы отдельные цепи
устройства были изображены наиболее
наглядно. Все элементы должны иметь
позиционные обозначения, проставляемые
рядом с условными графическими
обозначениями. При необходимости на
принципиальной схеме наносят принятые
обозначения цепей и их отдельных
участков. На схемах соединений и
подключения должны быть обозначены все
зажимы, провода, жгуты и кабели. Внешнее
подключение устройства можно показать
отдельно схемой подключения либо на
схеме соединений.

Специалистам,
работающим в энергетике, требуется
также умение читать чертежи, выполненные
по системе проектной документации для
строительства. Особенно в части условных
графических и буквенных обозначений
. Поэтому в данной работе приведена
ознакомительная информация по строительной
документации в части электротехнических
установок.

2. Основные понятия электрической цепи

Электрические
процессы, протекающие в электрической
цепи, характеризуются следующими
понятиями.

Электрический
ток — есть
упорядоченное, направленное движение
свободных носителей зарядов. Ток
характеризуется величиной и направлением.
За положительное направление тока
принято движение положительных зарядов.
Ток неизменный во времени обозначается
— I,
а переменный —i(t).
Единица измерения — Ампер .
Также применяют и его производные:

мА = 10-3
А, где м – милли; мкА = 10-6
А, мк – микро;

нА = 10-9
А, н – нано; рА = 10-12
А,
р – пико.

Электрический
заряд. При
протекании электрического тока через
поперечное сечение проводника площадью
S
за время t
переносится определенное количество
электричества, то есть электрического
заряда. Заряд обозначается — q,
или Q=
It,.
Единица измерения заряда – Кулон .
Т.о. электрический ток, есть заряд
прошедший через заданное сечение
проводника за единицу времени:

I=Q/t,

.

Электрический
потенциал
– энергия, которая затрачивается на
перемещение положительного единичного
электрического заряда из бесконечности
в заданную точку электрической цепи.
Он обозначается — φ, единица измерения
— Вольт .

Напряжение
на участке цепи
— есть разность потенциалов, на выводах
этого участка: U₁₂= φ₁
— φ₂.Напряжение рассматривается как физическая
причина, обуславливающая возникновение
тока в цепи. При протекании по участку
цепи (рис. 1.2.) электрического тока, на
нем возникает падение напряжения. За
положительное направление напряжения
принято направление в сторону уменьшения
потенциала (φ₁>
φ₂),
т.е. напряжение совпадает с направлением
тока. Напряжение указывают стрелкой
или знаками «+» и «-». Если φ₁2, то
напряжение имеет отрицательный знак
U₂₁= —U₁₂
. Напряжению можно дать и другое
определение. Напряжение
– это энергия, которую необходимо
затратить на перемещение положительного
единичного заряда из одной точки цепи
в другую, т.е. оно определяется как
отношение энергии W
(dW),
необходимой для перемещения положительного
заряда q
(dq)
из одной точки цепи в другую, к величине
этого заряда:

U
=

, или u
=
.

ЭДС
(электродвижущая
сила)– это
напряжение, которое создается между
двумя точками электрической цепи за
счет действия некоторых сторонних сил.
Эти силы обычно имеют неэлектрическую
природу. За положительное направление
ЭДС принимают направление в сторону
возрастания потенциалов. Элементы
создающие ЭДС называют источниками
ЭДС. Условное обозначение показано на
рис. 1.3. Стрелка в окружности показываетнаправлениевозрастание
потенциала;напряжение
на источнике ЭДС направлено встречно
направлению ЭДС, но, учитывая его
положительное направление, имеем:

U
= E.

Это
позволят задавать величину ЭДС через
напряжение.

Энергию,
выделяемую
или поглощаемую, на участке электрической
цепи обычно выражают через основные
электрические характеристики –
напряжение и ток. Учитывая, что dw=u
dq и
dq=i dt после
интегрирования dw
получим

w(t)
=
.

Единица
измерения энергии джоуль — .

Мощность
– есть скорость изменения энергии.
Единица измерения мощности — Ватт

р(t)
=
=
ui.

Если
р(t)
= ui
> 0, то на
данном участке происходит поглощение
мощности, его энергии увеличивается.
Данный участок является потребителем
энергии и называется пассивным.

Если
ui
, то
происходит выделение мощности, энергии
на данном участке уменьшается. Данный
участок содержит источники энергии и
называется активным.

Информация
– это сведения о поведении интересующего
нас события, объекта или явления.
Информация не материальна.

Сигнал
– это физический процесс, который
предназначен для передачи информации
на расстояние. Это физический процесс
способный распространяться в пространстве.

Параллельное соединение

Если же несколько потребителей в электрической цепи присоединены к двум узлам А и Б, такое соединение называют параллельным. При этом соединении напряжение на каждом участке равно напряжению U, которое приложено к узловым точкам цепи. Из рисунка хорошо видно, что при таком соединении проводников для прохождения тока имеется несколько путей. Ток, притекая к точке разветвления А, далее направляется к двум сопротивлениям и равен сумме токов, отходящих от этой точки. Таким образом, при параллельном соединении общее сопротивление цепи уменьшается, но увеличивается ее общая проводимость, которая равна сумме проводимостей двух ветвей. При данном соединении потребители могут работать независимо друг от друга, и если один из них выходит из строя, то это никак не сказывается на работе другого. Например, если одна лампочка перегорит, то другая будет работать, т. к. цепь не разрывается.

Режимы работы электрических цепей

Электрическая цепь в
зависимости от значения сопротивления
нагрузки R может работать в различных
характерных режимах:

• номинальном;

• согласованном;

• холостого хода;

• короткого замыкания.

Номинальный режим— это расчетный
режим, при котором элементы цепи
(источники, приемники, линия электропередачи)
работают в условиях, соответствующих
проектным данным и параметрам.

Изоляция источника, линии электропередачи,
приемников рассчитана на определенное
напряжение, называемое номинальным.
Превышение этого напряжения приводит
к пробою изоляции, увеличению токов в
цепи и другим аварийным последствиям.

Тепловой режим источников или приемников
энергии рассчитан на выделение в них
определенного количества тепла, то есть
на определенную мощность, а последняя
зависит от квадрата тока RI2,
rI2.

Расчетный по тепловому режиму ток
называется номинальным.

Номинальное значение мощности для
источника электрической энергии — это
наибольшая мощность, которую источник
при нормальных условиях работы может
отдать во внешнюю цепь без опасности
пробоя изоляции и превышения допустимой
температуры нагрева.

Для приемников электрической энергии
типа двигателей — это мощность, которую
могут развивать на валу при нормальных
условиях работы. Для остальных приемников
электрической энергии (нагревательные
и осветительные приборы) — это их мощность
при номинальном режиме. Номинальные
значения напряжений, токов и мощностей
указывают в паспортах изделий.

Согласованный режим работы— это
режим, в котором работает электрическая
цепь (источник и приемник), когда
сопротивление нагрузки R равна внутреннему
сопротивлению источника r. Этот режим
характеризуется передачей от данного
источника к приемнику максимально
возможной мощности. Однако в согласованном
режиме К.П.Д.=
0,5 — низкий и для мощных цепей работа в
согласованном режиме экономически
невыгодна. Согласованный режим
применяется, главным образом, в маломощных
цепях, если К.П.Д. не имеет существенного
значения, а требуется получить в приемнике
возможно большую мощность.

Режим холостого хода и короткого
замыкания.Эти режимы являются
предельными режимами работы электрической
цепи.

В режиме холостого хода внешняя цепь
разомкнута и ток равен нулю. Так как ток
равен нулю, то падение напряжения на
внутреннем сопротивлении источника
так же равно нулю (rI = 0) и напряжение
на выводах источника равно ЭДС (= U). Из этих соотношений вытекает метод
измеренияЭДС (2.7)источника: при разомкнутой внешней цепи
вольтметром, сопротивление которого
можно считать бесконечно большим,
измеряют напряжение на его выводах.

В режиме короткого замыкания выводы
источника соединены между собой,
например, сопротивление нагрузки
замкнуто проводником с нулевым
сопротивлением. Напряжение на приемнике
при этом равно нулю.

Сопротивление всей цепи равно внутреннему
сопротивлению источника, и ток короткого
замыкания в цепи равен:

I_к.з. = 
/ r.

(2.14)

Он достигает максимально возможного
значения для данного источника и может
вызывать перегрев источника и даже его
повреждение. Для защиты источников
электрической энергии и питающих цепей
от токов короткого замыкания в маломощных
цепях устанавливают плавкие предохранители,
в более мощных цепях — отключающие
автоматические выключатели, а
высоковольтных цепях — специальные
высоковольтные выключатели.

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

1. Генденштейн Л. Э, Кайдалов А. Б., Кожевников В. Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В. А., Ройзена И. И. – М.: Мнемозина.
2. Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А. А., Засов А. В., Киселев Д. Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.

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.

Силовая электрическая цепь

Силовая электрическая цепь в системе механизмов с гидравлическими или пневматическими приводами отсутствует. Роль цепей главного тока в них выполняют гидропроводы или воздухопроводы.
 

Исправление силовых электрических цепей должен производить электромонтер.
 

Питание силовой электрической цепи потенциометров осуществляется от сети переменного тока напряжением 220 Ц В, частотой 50 1 Гц.
 

Соединение силовых электрических цепей электрооборудования высокого напряжения между собой осуществляют шинами прямоугольного или профильного сечения.
 

Питание силовой электрической цепи автоматического измерительного прибора класса точности 0 5 ( ГОСТ 7164 — 71) при нормальных условиях должно осуществляться от сети переменного тока напряжением 220 В, частотой 50 Гц.
 

Какое напряжение силовых электрических цепей допуски ется в машинных помещениях, кабинах, в системах управления, освещения и сигнализации. При использовании фазы и нулевого провода должны быть соблюдены следующие требования: а) цепи управления, освещения и сигнализации должны питаться от одной фазы; б) один конец катушек аппаратов должен быть наглухо присоединен к нулевому проводу.
 

Для коммутации силовых электрических цепей и цепей управления электроприводов применяются различные типы контроллеров и командоаппаратов, путевых ( конечных) выключателей и переключателей, кнопок и кнопочных постов управления, контакторов, пускателей, реостатов, резисторов, регуляторов, электромагнитов, электромагнитных муфт, магнитных усилителей, логических элементов.
 

Использование конденсаторов в силовых электрических цепях, в частности в схемах включения конденсаторного двигателя, связано с проведением обязательных мер, обеспечивающих безопасность обслуживающего персонала. Основной из них является устройство ограждений, исключающих возможность случайного прикосновения к открытым токоведущим частям, находящимся под напряжением. Желательно иметь сетчатые ограждения.
 

Использование конденсаторов в силовых электрических цепях, в частности в схемах включения конденса торного двигателя, связано с необходимостью проведе ния обязательных мер, обеспечивающих безопасность обслуживающего персонала.
 

Под источником питания подразумевается силовая электрическая цепь, питающая элементы следящей системы и двигатель лентопротяжного механизма. В зависимости от назначения прибора и тех функций, для выполнения которых предназначается автокомпенсатор, отдельные, указанные выше, узлы могут отсутствовать.
 

Рекомендуется принимать число разрывов силовой электрической цепи в каждой фазе не менее двух.
 

Главным рубильником установка подключается к силовой электрической цепи. Сварочные трансформаторы отключены от сети. Нажатием кнопок Вверх и Вниз траверса с консолью устанавливается на необходимой высоте над местом завариваемого дефекта.
 

Автоматы служат для автоматического отключения силовых электрических цепей в аварийных режимах и для редких включений и отключений цепей в нормальном режиме.
 

Простая электрическая цепь

Простая электрическая цепь состоит из источника и приемника электрической энергии.
 

Схема простой электрической цепи с включением измерительных приборов показана на рис. 18.6. Напомним, что за направление тока во внешней цепи принимают движение положительных зарядов от положительного полюса к отрицательному ( см. § 18.2), а во внутренней — от отрицательного полюса к положительному, хотя электроны в металлах движутся в обратную сторону.
 

Следовательно, простая электрическая цепь состоит из источника электрической энергии, потребителя, подводящих проводов и выключателя.
 

Третьим примером простых электрических цепей может служить.
 

Переходные процессы в простых электрических цепях с сосредоточенными и распределенными постоянными излагаются в курсах общей электротехники. Здесь мы рассмотрим переходные процессы в более сложных электрических системах: полосовых фильтрах и многокаскадных резонансных усилителях.
 

На рис. 8.13 показана простая электрическая цепь, состоящая из изогнутой сверхпроводящей пластины, замыкающей источник постоянного тока. При увеличении внешнего магнитного поля транспортный ток / t стремится уменьшиться. Чтобы ток остался неизменным, на клеммах источника должно появиться напряжение V. Для вычисления величины V заметим, что на линии электрического центра пластины электрическое поле по определению равно нулю. Поэтому напряжение, которое возникает при изменении магнитного потока через замкнутый контур, образованный линией электрических центров и источником тока, целиком сосредоточено на последнем. Предположим, что амплитуда Вт переменного поля значительно превышает поле проникновения в пластину.
 

В чем заключается свойство простой электрической цепи.
 

Закон Ома действителен для простой электрической цепи. В сложной электрической цепи состоящей из двух, трех или большего числа контуров, по каждому из них проходят разные токи. Расчет сложных цепей проводится по законам Кирхгофа.
 

Закон Ома действителен лишь для простой электрической цепи, по которой проходит одинаковый ток. В сложных цепях в отдельных ветвях токи разные, поэтому сложные цепи рассчитываются при помощи законов Кирхгофа. В этом параграфе мы будем применять эти законы при расчете сложных цепей.
 

Очевидно, что никакая, даже наиболее простая электрическая цепь не может быть выполнена боа применения материалов как проводниковых, так и электроизоляционных. Назначение электрической изоляции сводится прежде всего к тому, чтобы воспрепятствовать прохождению тока путями, нежелательными для работы данной электрической цепи.
 

Очевидно, что никакая, даже наиболее простая электрическая цепь не может быть выполнена без применения как проводниковых, так и электроизоляционных материалов. Назначение электрической изоляции сводится прежде всего к тому, чтобы воспрепятствовать прохождению тока путями, нежелательными для работы данной электрической цепи.
 

Для питания ячейки при электролизе используют простую электрическую цепь постоянного тока с источником питания, потенциометром, вольтметром и амперметром, по показаниям которых контролируют волну восстановления. Ток, пропускаемый через ячейку ЭХГ, обычно порядка 10 — 6 — 10 — 5 а. Сигналы ЭХГ радикал-ионов обыкновенно появляются спустя примерно 10 мин.
 

Выше были рассмотрены процессы включения в простых электрических цепях, составляющих в различных сочетаниях сложные цепи электрических машин. При исследовании переходных процессов в электрических машинах во многих случаях находят применение изложенные выше основные положения преобразования Лапласа и операторного исчисления. Необходимо отметить, что выше были рассмотрены лишь простейшие случаи применения этих математических методов; более подробные сведения, касающиеся этой расчетной методики, даются в соответствующей специальной литературе.
 

Комбинированное соединение

На практике мы имеем дело с приборами, включенными в цепь как параллельно, так и последовательно. Эти электрические цепи называются комбинированными или смешанными. Например, лампочки или розетки включаются в цепь всегда параллельно, чтобы не влиять друг на друга. А выключатели или приборы защиты всегда подсоединяются последовательно, т. к. они служат именно для разрыва цепи. Бытовые электрические приборы, которые включаются в нашу домашнюю сеть, потребляют токи от десятых ампера до нескольких ампер. При постоянном напряжении сила тока обратно пропорциональна величине сопротивления цепи. А сопротивления отдельных потребителей сильно отличаются друг от друга. Например, сопротивление электрических нагревательных приборов, микроволновок, холодильников, стиральных машин составляет всего несколько десятков ом, а осветительных ламп накаливания в бытовых целях — несколько сотен ом.

Когда по цепи течет ток, за некоторое время по ней пройдет некоторое количество электричества и выполнится определенная работа. Эта работа, произведенная за единицу времени, называется мощностью. Она измеряется в ваттах и обозначается буквой P. Кроме ватта, применяются и более крупные единицы мощности — киловатты и мегаватты. Электрическая мощность измеряется специальным прибором — ваттметром. А определить мощность можно, умножив ток на напряжение. Соотношение между током, напряжением и мощностью можно представить в виде формулы: P=IU.

Так, например, мощность, потребляемая в цепи с током в 3 А и напряжением в 120 В, будет равна: 3 х 120 = 360 Вт.

А если мощность умножить на время, то получим работу, т. е. количество затраченной энергии. Например, энергия, расходуемая электрическим миксером мощностью 600 Вт в течение 2 ч, будет равна:

А = P х t = 600 х 2 = 1 200 Вт/ч = 1,2 кВт/ч.

Оставить эмоцию

Нравится
Тронуло
Ха-Ха
Ого
Печаль
Злюсь

   
3409      

Условные обозначения элементов электрических цепей

Указанные в таблице элементы являются составными частями простейших электрических цепей.