Электрическая цепь

Электрическая цепь – набор разнородных элементов, соединенных проводниками, предназначенный для протекания тока. Ассортимент составляющих широкий. Элементы выпускают линейные, нелинейные, активные, пассивные. Классификация бессильна охватить возможные случаи.

Состав электрической цепи

Электрическая цепь включает (в общем случае): источник питания, рубильник (выключатель), соединительные провода, потребителей. Обязательно сформируйте замкнутый контур. В противном случае по цепи не сможет течь ток. Электрическими не принято называть контуры заземления, зануления. Однако по сути считаются таковыми, иногда здесь течет ток. Замыкание контура при заземлении, занулении обеспечивается посредством грунта.

Источники питания. Внутренняя, внешняя электрическая цепь

Для образования упорядоченного движения носителей заряда, формирующего ток, потрудитесь создать разность потенциалов на концах участка. Достигается подключением источника питания, который в физике принято называть внутренней электрической цепью. В противовес прочим элементам, составляющим внешнюю. В источнике питания заряды движутся против направления поля. Достигается приложением сторонних сил:

1. Обмотка генератора.
2. Гальванический источник питания (батарейка).
3. Выход трансформатора.

Напряжение, формируемое на концах участка электрической цепи, бывает переменным, постоянным. Сообразно в технике принято контуры делить соответствующим образом. Электрическая цепь предназначена для протекания постоянного, переменного тока. Упрощенное понимание, закон изменения упорядоченного движения носителей заряда воспринимается сложным. С трудом понимаем, переменный в цепи ток или постоянный.

Помимо упорядоченного движения носители характеризуются хаотичным тепловым движением. Скорость (интенсивность) определена температурой, родом материала, некоторыми другими факторами. В образовании электрического тока вид движения участия фактически не принимает.

Род тока определен источником, характером внешней электрической цепи. Гальванический элемент дает постоянное напряжение, обмотки (трансформаторы, генераторы) – переменное. Связано с протекающими в источнике питания процессами.

Сторонние силы, обеспечивающие движения зарядов, называют электродвижущими. Численно ЭДС характеризуется работой, совершаемой генератором для перемещения единичного заряда. Измеряется вольтами. На практике для расчета цепей удобно делить источники питания двумя классами:

1. Источники напряжения (ЭДС).
2. Источники тока.

В действительности неизвестны, имитацию пытаются создать практики. В розетке ожидаем увидеть 230 вольт (220 вольт по старым нормативам). Причем ГОСТ 13109 однозначно устанавливает пределы отклонения параметров от нормы. В быту пользуемся источником напряжения. Параметр нормируется. Величина тока не играет значения. Напряжение подстанции круглые сутки стремятся сделать постоянным вне зависимости от текущего запроса потребителей.

В противовес источник тока поддерживает заданный закон упорядоченного движения носителей заряда. Значение напряжения роли не играет. Ярким примером подобного рода устройств выступает сварочный аппарат на базе инвертора. Каждый знает: диаметр электрода прочно связан с толщиной металла, прочими факторами. Чтобы процесс сварки шел правильно, приходится с высокой степенью постоянства поддерживать ток. Задачу решает электронный блок на основе инвертора.

Ток, напряжение бывают постоянными, переменными. Закон изменения параметра роли не играет. Неважно, подключать ли электрическую цепь к источнику постоянного, переменного напряжения. Однако важно выдержать правильный размер параметра. К примеру, действующее значение ЭДС.

Элементы цепи

Выключатель

Рубильник позволит присоединить источник питания к проводам, потребителю. Каждый (за редким исключением) пользовался настенным выключателем. При замыкании-размыкании электрической цепи возникает искра. Объясняется наличием сопротивления емкостного типа. Для предотвращения искрения цепь дополняется дросселем, рубильник сформирован контакторами специального типа. Придуманы прочие технические решения, к примеру, катушка Тесла.

Провода

В технике провода изготавливают медные, алюминиевые. Связано с низким удельным сопротивлением металлов. Цена невысока. Выделяющееся на проводниках тепло определяется двумя параметрами:

• Сопротивление участка цепи.
• Электрический ток.

Понятно, второй параметр определяется нуждами потребителей. Поставщик стремится влиять на первый. Удельное сопротивление проводника предвидится по возможности низким. Ученых давно интересует явление сверхпроводимости. Металлы при понижении температуры теряют сопротивление. Уменьшаются потери. Среди полупроводников встречаются образцы с положительным и отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. Абсолютное значение параметра металлов на порядки ниже.

Проблема с алюминием, медью проста: при протекании электрического тока в цепи температура растет. Повышается сопротивление участка, дополнительно усугубляя ситуацию. Получается замкнутый круг. Ученые считают: затруднение допустимо исправить, заручившись помощью явления сверхпроводимости.

Металл при некоторой низкой температуре резко, рывком снижает сопротивление, достигая нуля (выше рубежа график понижается плавно со скоростью 1/273 1/град). Проблема практического применения в том, что значения, провоцирующие скачок, низкие. Например, для свинца рубеж составляет 7,2 К. Экстремально низкая отрицательная температура по шкале Цельсия.

Ученые видят решение проблемы в открытии материалов, демонстрирующих явление сверхпроводимости при комнатных температурах. Тогда большие токи удастся передавать потребителям, избежав потерь. В электрической цепи, сформированной сверхпроводниками, заряды способны циркулировать бесконечно длительное время без внешней подпитки источником.

Новое явление обнаружил Хейке Камерлинг-Оннес в 1911 году, исследуя образцы ртути, охлаждаемой до весьма низких температур. На четырех градусах Кельвина сопротивление проволоки стало нулевым, до скачка снижалось, плавно следуя прямой. Стало ясно: обнаружено новое состояние материала. Позже явление сверхпроводимости продемонстрировано на образцах других металлов. Показано: эффект разрушается помещением подопытного вещества в сильное магнитное поле. Самой высокой пороговой температурой среди металлов похвастается технеций (11,3 К).

Явление сверхпроводимости при комнатных температурах

У искусственных материалов показатели намного выше. С 1986 года ученые исследуют разнообразные керамики. Последним подтвержденным фактом считаем сведения о наличии композитных материалов на основе окислов ртути с температурой перехода в новое состояние на границе 140 К. Дальнейшие работы по очевидным соображениям засекречены.

Потребители

Под потребителем электрической цепи понимается не относящееся к элементам, перечисленным выше. Полезной нагрузкой служат обыкновенная лампочка накала, спираль нагревательного прибора, электрический двигатель. Параметры цепи очень сильно зависят именно от потребителей. Например, обмотки трансформаторов наделены сильно выраженным индуктивным сопротивлением. Негативно сказывается на передаче энергии от источника.

Не только ток меняет направление. Иногда утверждение касается мощности. Энергия начинает циркулировать туда-сюда, направляясь к источнику питания, обратно во внешнюю цепь. Реактивная мощность бессильна выполнить полезную работу, разогревает проводники цепи, искажает форму полезного сигнала. Промышленникам, ведущим учет полного потребления, рекомендуется параллельно двигателям включать компенсирующие конденсаторы. Индуктивное сопротивление компенсируется емкостным, реактивная мощность замыкается внутри потребительского сегмента, избегая выходить наружу, не выделяя лишнее тепло на кабелях сети.

Нужно отметить важное свойство индуктивных потребителей: потребляют энергию. Электрический ток становится магнитным полем, передается далее. В двигателях колебания вектора напряженности, создаваемые обмоткой, позволят совершать валу полезную работу. Чтобы показать происходящие траты энергии, схемы дополняют источниками ЭДС (тока), направление действия которых противоположно имеющему место быть во внутренней электрической цепи.

Передачи мощности через емкостную связь сегодня не изобретено. Однако приближенно считаем подобным случаем излучение радиоволны в эфир. Простейший вибратор Герца часто представляют колебательным контуром, в котором обкладки конденсатора разведены в стороны. Шаг позволит образовываться электромагнитной волне, уносимой эфиром. Что касается передачи больших мощностей, соответствующие планы строил Никола Тесла, каждый видел на фото, стилистическом изображении башню Ворденклиф, напоминающую формой подберезовик с прямой ножкой. При помощи сети сооружений предполагалось снабжать энергией путем беспроводной связи промышленность, заводы, фабрики.

В курсе электроники преимущественно рассматриваются приемные устройства. Между клеммами антенны передача волны через эфир обозначается схематично источником переменного напряжения малой мощности. Уловленная ЭДС усиливается каскадами, включающими резонансные контуры. Электроника, как никакая другая область техники, включает неимоверное разнообразие потребителей. Упрощенно делится на два класса:

1. Активные потребители требуют для корректной работы снабжения электрической энергией. Как правило, не могут питаться непосредственно основной сетью. Микросхемы, дискретные активные элементы: транзисторы, тиристоры. Иными словами, электронные ключи. Электродвигатели принципиально отличаются, снабжаясь питанием входной сети.
2. Пассивные потребители не требуют внешнего питания. Однако пропускать ток могут причудливым образом. Некоторые тиристоры открываются при достижении напряжением определенного значения. Следовательно, считаются пассивными приборами, обладают нелинейной характеристикой. К этому семейству относятся диоды, пропускающие ток в одном направлении (демонстрируют вентильные свойства).

Пассивными потребителями являются всевозможные сопротивления, конденсаторы, дроссели (катушки индуктивности). При помощи элементов электрическая цепь приобретает необычные качества. Резонансные контуры конденсаторов, индуктивностей используют фильтрами волн различной частоты.