Що робить лампочка в електричному ланцюзі. Найпростіший електричний ланцюг

ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ І ЗАКОНИ ТЕОРІЇ ЕЛЕКТРИЧНИХ ЛАНЦЮГІВ

Реальним електричним ланцюгомназивається сукупність пристроїв, призначених для передачі, розподілу та перетворення енергії. У загальному випадку електричний ланцюг містить джерела електричної енергії, приймачі електричної енергії, вимірювальні прилади, комутаційну апаратуру, сполучні лінії та дроти.

Електричний ланцюг є сукупність пов'язаних певним чином джерел, споживачів (або відповідно активних і пасивних елементів) і перетворювачів електричної енергії.

Ланцюг називають пасивнийякщо вона складається тільки з пасивних елементів, і активною, якщо вона також містить активні елементи.

Джерелом електричної енергіїназивають елемент електричної ланцюга, здійснює перетворення енергії неелектричного виду електричну. Наприклад: гальванічні елементи та акумулятори перетворюють хімічну енергію, Термоелементи - теплову, електромеханічні генератори - механічну.

Споживачем електричної енергіїназивають елемент електричного ланцюга, що перетворює електричну енергію на неелектричну. Наприклад: лампи розжарювання – у світлову та теплову, нагрівальні прилади – у теплову, електродвигун – у механічну.

Перетворювачем електричної енергіїназивають пристрій, що змінює величину та форму електричної енергії. Наприклад: трансформатори, інвертори перетворять постійний струм на змінний, випрямлячі – змінний струму постійний, пристрої для перетворення частоти.

Для того, щоб виконати розрахунок, необхідно кожен електротехнічний пристрій представити його схемою заміщення. Схема заміщення електричного ланцюга складається із сукупності ідеалізованих елементів, що відображають окремі властивості фізично існуючих пристроїв. Так, ідеалізований резистор (опір R) враховує перетворення електромагнітної енергії на тепло, механічну роботуабо її випромінювання. Ідеалізований конденсатор (ємність З) та котушка індуктивності (індуктивність L) характеризуються здатністю накопичувати енергію відповідно електричного та магнітного поля.

Джерела, споживачі та з'єднувальні дроти утворюють електричний ланцюг, на кожній ділянці якого може діяти електрична напругаі протікати електричний струм.Ці напруги та струми в загальному випадку можуть бути постійними та змінними у часі та залежати від властивостей елементів ланцюга. У даному розділібудуть розглядатися постійні струми та напруги.

Реальні електричні ланцюги вивчаються на моделях, що зображуються за допомогою умовних позначеньу вигляді електричних схем.


Напруга Uна елементі електричного кола позначається на схемі (рис. 1.1) знаками «+» і «–», які мають сенс лише за спільного розгляду, т.к. знак "+" вказує на точку з відносно вищим потенціалом.

. (1.1)

Одиниця виміру U– вольти (B).

Струм Iв елементі електричного ланцюга позначається стрілкою на схемі (рис. 1.2) та вказує напрямок упорядкованого переміщення позитивних електричних зарядівякщо струм I виражається позитивним числом.

Одиниця виміру I– ампери(А)

Залежність між струмом та напругою на елементі ланцюга називається вольт-амперною характеристикою (ВАХ)елемента, який зазвичай зображується графічно. На рис. 1.3 показано ВАХ споживачів різного типу. Прямолінійні ВАХ (1) та (3) відповідають лінійним елементам, а криволінійна ВАХ (2) – нелінійним елементам.

Ми вивчаємо в рамках цього посібника лише лінійні ланцюги, для яких відношення const = kабо його відхилення від постійної величини невелика. У разі, коли ВАХ зображується лінією, близькою до прямої, вважають, що споживач підпорядковується закону Ома,згідно з яким напруга і струм пропорційні один одному. Цей коефіцієнт пропорційності kназивають електричним опором елемента R, яке вимірюється в омах(Ом).

Як споживача в теорії електричних кіл постійного струмувиступає резистор, що характеризується опором ( R), для якого справедливий закон Ома:

або . (1.3)

Позначення резистора на електричних схемах зображено на рис. 1.4.

Величину, зворотну опору, називають провідністю,яка вимірюється в Сіменсах(Див).

Закон Ома можна уявити через провідність:

. (1.4)

У пасивних елементах струм тече від точок із відносно великим потенціалом до точок, що мають відносно менший потенціал. Тож на рис. 1.5 стрілка струму спрямована від «+» до «–», що відповідає закону Ома у формі

. (1.5)

Для позначень, прийнятих на рис. 1.6, закон Ома має бути записаний у такій формі: .

Таким чином, у ТОЕ споживач моделюється ідеальним споживачем, властивості якого визначаються значенням єдиного параметра ( Rабо G).

Джерела енергії моделюються за допомогою джерела ЕРС (Е), або джерела напруги, та джерела струму ( J). ВАХ джерел енергії – це зовнішні властивості, зазвичай мають спадний характер, т.к. здебільшого зі збільшенням струму напруга джерела зменшується.

Ідеалізоване джерело напруги- Це елемент ланцюга, напруга якого не залежить від струму і є заданою постійною величиноюйому відповідає на рис. 1.7 суцільна ВАХ.

Насправді ми маємо справу з реальними джерелами напруги, які відрізняються від ідеальних джерелтим, що їх напруга зі зростанням споживаного струму зменшується. ВАХ реального джерела напруги представлено на рис. 1.7 пунктирною лінією, тангенс кута нахилу якої дорівнює внутрішньому опору джерела напруги R 0 . Будь-яке реальне джерело при опорі навантаження R >> R 0 може бути наведений до ідеалізованого наступним чином (рис.1.8):

U 12(реал) = IR – E,

Eреал = E-IR (1.6)

Таким чином, властивості джерела ЕРС або реального джерела напруги визначаються двома параметрами - ЕРС, що виробляється Ета внутрішнім опором R 0 .

Ідеалізоване джерело струму- Це елемент ланцюга, струм якого не залежить від напруги і є заданою постійною величиною, йому відповідає суцільна ВАХ на рис. 1.9.

У реального джерела струму зі зростанням напруги струм, що виробляється, зменшується. ВАХ реального джерела струму представлено на рис. 1.9 пунктирною лінією, тангенс кута нахилу якої дорівнює внутрішній провідності джерела струму G 0 . Будь-яке реальне джерело струму може бути приведено до ідеалізованого таким чином (рис. 1.10):

, (1.7)

де J, G 0 – постійні параметри.

Таким чином, властивості джерела струму, що задає, визначаються двома параметрами: задаючим струмом Jта внутрішньою провідністю G 0 . Чим менше G 0 тим ближче характеристика реального джерела струму до ідеалізованого.

Оскільки внутрішні опори реальних джерел можна віднести до споживачів ланцюга, далі розглядаються лише ідеалізовані джерела напруги і струму.

Проводи, що зв'язують споживачі та джерела, за своєю сутністю також належать до споживачів енергії. Однак часто вважають, що дроти виконують лише сполучні функції і служать лише для того, щоб показати, як пов'язані між собою окремі елементи ланцюга. Опір проводів, якщо їх не можна знехтувати, враховуються включенням у відповідних місцях ланцюга додаткових споживачів.

Таким чином, теоретично лінійних електричних ланцюгів об'єктом вивчення є розрахункова модель,що складається зі споживачів та ідеалізованих джерел, конфігурація та властивості елементів якої визначені умовами завдання.

При вирішенні завдань велике значення надається структурі електричного кола (топології), що визначається характером зв'язків між елементами

Будь-яку людину, якщо вона, звичайно, не відмовилася від благ цивілізації, оточує безліч електротехнічних пристроїв. Далеко за прикладами ходити не потрібно: телевізор, телефон, звичайнісінька та ін. Основою всіх подібних пристроїв є електричний ланцюг. Багато літературних джерел дають схожі визначення, щоправда, стосовно найпростішого різновиду. Чому так, адже сучасні електронні апарати настільки складні, що їхнє обслуговування довіряють комп'ютеризованим системам? Дійсно, дивно, особливо якщо згадати центральні процесори персональних комп'ютерівз їхніми мільйонами транзисторів - у них також є електричний ланцюг Причина вищезазначеного спрощення визначення полягає в тому, що будь-яка, навіть найскладніша, електрична схемаможе бути представлена ​​у вигляді великої кількості найпростіших складових. До речі, саме тому є можливість виконувати необхідні розрахунки, використовуючи відомі формули.

Отже, з простим та складним визначилися. Тепер пояснимо, що таке електричний ланцюг. Для того, щоб було зрозуміліше, розглянемо найпростіший приклад - електричний ліхтарик. Причому не той, в якому використовується керуюча мікросхема (перемикання режимів, миготіння тощо), а звичайнісінький - з батарейкою, лампочкою та тумблером включення. Він складається з корпусу, в якому розміщено саме джерело відсіку для батарейки з двома контактами. Вставивши батарейку в корпус і клацнувши вимикачем, можна досягти яскравого спрямованого свічення лампи. Здійснивши ці дії, ми сформували саме те, що називається електричний ланцюг (у професійному сленгу – зібрали схему). електроенергії (батарейки) прямував шляхом: контакт позитивного полюса - провідник, тумблер - лампа - негативний полюс. Це називається "найпростіший електричний ланцюг". У прикладі із ліхтариком елементів три: джерело ЕРС, тумблер та лампа. Варто відзначити, що рух електронів (струм) можливий тільки по замкнутому контуру, тому якщо тумблер відключити і розірвати ланцюг, то воно зникне, хоча напруга джерела залишиться. До речі, всі процеси можуть бути описані та розраховані не тільки через струм, але також за допомогою напруги, потужності, ЕРС.

Універсальний інструмент розрахунку – закон Ома. В даному випадку він виглядає як:

де I - Струм, Ампери; E - ЕРС, Вольти; R - опір лампочки, Ом; r - опір джерела ЕРС, Ом. У прикладі, що використовується вплив і тумблера не враховується, так як воно мізерно мало.

Отже, електричний ланцюг і його елементи можуть включати джерело живлення, резистори, конденсатори, напівпровідникові компоненти і пр. Причому все це повинно бути з'єднано воєдино провідниками, що формують безперервний шлях для проходження струму.

Прості ланцюги поділяються на нерозгалужені та розгалужені. У першому випадку по всіх складових елементах проходить той самий струм (правило для споживачів). У другому випадку додатково додається одна або кілька гілок, з'єднаних з розглянутим найпростішим контуром за допомогою вузлів. При цьому формується змішане з'єднання елементів ланцюга, тому значення струму, що протікає в кожній галузі, по-різному. Тут гілка - це ділянка електричного ланцюга, по всіх елементах якого тече той самий струм, а протилежні кінці якого підключені у двох вузлах. Відповідно, вузол - це точка електричного ланцюга, в якому сходяться три або більше гілок. на принципових схемахвузли часто і позначають точками, що спрощує сприйняття (читання).

Електричним ланцюгом називають сукупність з'єднаних один з одним джерел і приймачів електричної енергії, якими може протікати електричний струм.

Найпростіший електричний ланцюг складається з джерела, одного або кількох послідовно з'єднаних приймачів електричної енергії (навантажень, споживачів) та сполучних проводів (рис. 1.2). Рис. 1.2

Джерело живлення утворює внутрішню частину ланцюга, а споживач – разом із сполучними проводами, вимірювальними приладами та комутуючими апаратами – зовнішню частину ланцюга.

Коли зовнішня та внутрішня частини ланцюга утворюють замкнутий контур, у ланцюзі виникає електричний струм.

Величина або сила струму визначається кількістю електрики (зарядом), що проходить через поперечний переріз провідника в одиницю часу:

I=,А- для постійного струму; ί =,А- Для змінного струму.

Проходження електричного струмув ланцюзі пов'язано з процесами безперервного перетворення енергії в кожному з її елементів.

У процесі перетворення інших видів енергії на електричну в джерелі живлення збуджується ЕРС Е,У.

Зовнішній ланцюг і саме джерело енергії мають опір для проходження електричного струму.

Фізична природа омічного опору R– тепловий рух атомів та молекул тіла (надпровідність). Величина опору залежить від матеріалу, форми та розмірів провідника:

R = , Ом. (1.8)

Величина, зворотна опору, називається провідністю:

=, Див. (1.9)

ЕРС Енапруга U, струм I, опір Rу найпростішому ланцюгу пов'язані законом Ома:

I=. (1.10)

Для ланцюга на рис. 1.2:

I=

. (1.11)

З (1.11) випливає рівняння електричного стану ланцюга (рис.1.2):

Е=I R 0 +I R= I R 0 +U; (1.12)

Е=U+I·R 0. (1.13)

З (1.13) випливає, що Е>U на величину падіння напруги на внутрішньому опорі: I R 0. (1.14)

На підставі визначення напруги, як роботи з переміщення заряду +1 можна записати:

А =Uq= UIt; (1.15)

P==UI, (1.16)

де А- Праця струму, Дж;Р- Потужність струму, Вт.

Якщо дільниці ланцюга електрична енергія перетворюється лише тепло, то формули (1.15) і (1.16) можна записати інакше (заміною U=I R):

А =I 2 Rtі P= I 2 R.

Це закон Джоуля Ленца (коефіцієнт 0,24 приймається для перекладу Аз Джв кал).

Для розрахунку ланцюгів вибирається умовно позитивний напрямок Е,U, Iі воно позначається стрілкою (рис. 1.3).

Струм у найпростішому ланцюгу збігається у напрямку з ЕРС. У складному ланцюзі напрям струму в якійсь галузі завжди неочевидний до розрахунку, тому він вибирається довільно. Стрілка напруги Uпрямує від точок вищого потенціалу до точок нижчого.

1.3. Режими роботи електричного ланцюга постійного струму

Найбільш характерними є 4 режими: номінальний, холостого ходу, короткого замикання та узгоджений.

    Номінальний режим джерел та приймачів в електричному ланцюзі характеризується тим, що напруги, струми та потужності їх відповідають тим значенням, на які вони розраховані заводами-виробниками.

    Режим холостого ходу. Струм джерел та приймачів дорівнює нулю ( I=0).

    Режим короткого замикання. Напруга на ділянці дорівнює нулю ( U кз=0), приймач шунтований дуже малим опором R→0.

    Узгоджений режим – коли пасивний елемент зовнішнього кола працює з максимальною потужністю при даному джерелі.

Легко одержати умови узгодженого режиму. Запишемо рівняння електричного стану найпростішого ланцюга (рис. 1.1):

Е=U+R 0 I, де U=I·R. (1.17)

R- Опір зовнішнього ланцюга,

R 0 - Опір джерела.

Помножимо (1.17) на I:

EI = UI + R 0 I 2 ,

P 1 = P 2 + P 0 ,

Р 1 - Потужність джерела,

Р 2 – потужність, що передається у зовнішній ланцюг,

Р 0 - Потужність втрат внутрішнього джерела.

Р 2 = UI= RI 2 = R

- має максимум,

коли величина:

- максимальна тобто:

(R 0 +R) 2 -2R(R 0 +R)= 0, R 0 +R-2R= 0, R=R 0 .

Отже, зовнішній ланцюг та джерело працюють у узгодженому режимі при R= R 0 .

ККД у узгодженому режимі дорівнює:

η ==

=

=0,5.

З ланцюгами узгодженого режиму доводиться мати справу тоді, коли низький ККД не має вирішального значення через малу потужність ланцюга і коли питання максимальної потужності в навантаженні переважає міркування економічного порядку.

Абсолютно будь-які електричні пристроїможна підключити до живлення лише за допомогою лінійного або паралельного з'єднання. Коли елементи з'єднуються паралельно, струм біжить відразу за декількома напрямками. Іншими словами, кожен елемент у ланцюгу має власний ланцюг живлення. Сама Головна особливістьпаралельного з'єднання – це зручність роботи. Якщо якийсь елемент з ланцюга згорить, то ми швидко визначимо його і замінимо, оскільки при поломці одного елемента струм не перестає надходити до інших. Також деяка кількість пристроїв не викликає падіння потужності. Досвід у складанні електричних кіл дуже корисний для розуміння принципів роботи електричного струму. Як зібрати електричний ланцюг самому? Спробуймо розібратися.

Створюємо електричний ланцюг

При виконанні проекту слід враховувати вік та досвід людини, яка цим займатиметься. Подібні завдання можуть бути хорошим і цікавим експериментом для учнів. середньої школи, що вивчають закони розподілу електричного струму Цей метод може бути базою для людини, яка береться за складання ланцюга вперше.

Сам експеримент можна класифікувати за двома різним видампроведення.

Використовуємо для створення фольгу

Для того щоб зібрати електричний ланцюг у домашніх умовах, вам потрібно буде зробити таке:

  • Придбайте джерело живлення. Найбільш економічний і поширений варіант - звичайнісінька батарейка.

Важливо! Можна взяти акумулятор на дев'ять вольт для такого завдання.

  • Знайдіть електричні пристрої, які використовуватимуться під час експерименту. Ці компоненти ви і підключатимете до джерела живлення.

Важливо! Наш приклад вимагає наявності двох лампочок розжарювання або провідних діодів.

  • Потрібно подбати про провідників. Сьогодні як провідник буде використано алюмінієву фольгу. Саме за допомогою цієї фольги подаватиметься електричний струм з елемента живлення на споживачі.
  • Наріжте фольгу на чотири вузькі смужки: дві штуки по 20 сантиметрів і дві по 10 сантиметрів.

Важливо! Їхня ширина повинна відповідати діаметру трубочки для пиття.

  • Смуги довше необхідно з'єднати з батарей. Одну з плюсом, а іншу з мінусом відповідно.
  • Тепер варто замислитись про підключення споживачів електроенергії. Потрібно взяти два провідники, що залишилися, і намотати одним кінцем на 20-сантиметровий провідник. Одну зі смужок слід приєднувати неподалік кінця довгого “дроту”, а другу смужку — сантиметрів на 7-8 ближче з елемента живлення. Повертаємо вільні кінці коротких "проводів" навколо лампочок.

Важливо! Якщо не вдається зафіксувати якісно, ​​скористайтеся ізолентою.

  • Якщо ви уникнули розривів ланцюга, при з'єднанні всіх елементів лампочки повинні почати світитися. Спробуйте торкнутися лампочками розжарювання другого довгого провідника, що йде від мінуса батареї - лампочки засвітяться ще яскравіше.

Ви дізналися, як зробити електричний ланцюг із використанням алюмінієвої фольги. Спробуємо інші методи.


Використовуємо дроти та вимикач

Цей проект – це ускладнена варіація першого. Навіть тут не повинно виникнути жодних труднощів, оскільки таке завдання виконується дуже просто. Єдине, що вам знадобиться, так це наявність проводів та ключа (вимикач). Такий урок принесе хороший досвід тим користувачам, які тільки осягають ази.

Важливо! Цей метод вимагає зачистки кінців дротів. Будьте обережні у своїх діях.

Порядок робіт:

  • Спочатку вам потрібно підготувати все необхідне для створення цього проекту. Варто знайти таке: акумуляторну батарею, провідники, ключ і хоча б два споживачі енергії.

Важливо! Для джерела живлення знову чудово підійде батарейка на 9 вольт, а вимикач ви легко зможете знайти в будь-якому магазині господарських товарів.

  • Найкраще знайти мідний дрітпередачі струму. Наріжте його на кілька відрізків невеликої довжини.

Важливо! На всю схему можна взяти 70 см.

  • У цьому методі знову будуть використані лампочки, але ніхто не заважає взяти споживач іншого роду.
  • Підготуємо дроти: розрізаємо дріт на п'ять однакових шматків з розмірами 20 сантиметрів кожен. Потрібно видалити по 2 см ізоляції з кожного з їх кінців.

Важливо! Для проведення таких маніпуляцій чудово підійде стрипер, але його відсутність можна компенсувати простими ножицями чи кусачками.

  • З'єднайте перший споживач електроенергії з джерелом живлення. Для цього необхідно з'єднати один із проводів з його плюсом, а другий кінець підключити до однієї з лампочок, що використовуються.
  • Тепер необхідно приєднати ключ до живильному елементу. Для з'єднання використовуйте один із шматків дроту, що залишилися. З'єднайте його кінець із мінусом джерела, а другий – підключіть до вимикача.
  • Сам вимикач потрібно з'єднати з першою лампочкою за допомогою іншого шматка провідника. Кінець дроту приєднайте до ключа, а потім до правого боку першого споживача.
  • Беремо другу лампу, за допомогою останнього шматка дроту прикріплюємо його з лівого боку до першої лампочки, а з другого - до лівої сторони іншої лампочки.
  • Останнім провідником, що залишився, з'єднайте праву сторону першої лампочки і праву сторону другої лампочки. Ланцюг готовий.
  • Залишається замкнути ключ і спостерігати, як дві лампочки почнуть світитися.

Тепер ви знаєте, як зробити електричний ланцюг двома різними методами. Подібні експерименти допомагають зрозуміти суть фізичних процесів і дають досвід у майбутній роботіз електричними ланцюгами.

Для стовідсоткової фіксації можна скористатися ізолентою або паяльником.

Важливо! Застосування останнього вимагає від вас базових навичок у користуванні паяльником. Не давайте в руки пристрій тим, хто не розуміє, як з ним поводитися.

Застереження

  • У жодному разі не проводьте жодних маніпуляцій з високим вольтажом і великою силою струму, якщо ви не маєте належного захисту від вражаючої дії.
  • Під час зачистки потрібно уважно стежити за тим, чи не пошкодили ви провід. Найкращий інструментдля цієї справи – стрипер.
  • Особливо обережно звертайтеся зі споживачами електричного струму, якщо використовуєте як них лампочки. Такі елементи дуже тендітні і необережне поводження може призвести до порізів або удару струмом.

Радіоаматорами не народжуються. Успіхів у всіх починаннях!