Активные элементы электрических цепей источника тока

1.2. Пассивные элементы схемы замещения

Простейшими
пассивными элементами схемы замещения являются сопротивление, индуктивность
и емкость.
В реальной цепи электрическим сопротивлением обладают не только реостат
или резистор, но и проводники, катушки, конденсаторы и т.д. Общим свойством
всех устройств, обладающих сопротивлением, является необратимое преобразование
электрической энергии в тепловую. Тепловая энергия, выделяемая в сопротивлении,
полезно используется или рассеивается в пространстве. В схеме замещения
во всех случаях, когда надо учесть необратимое преобразование энергии,
включается сопротивление.

Сопротивление проводника определяется по формуле

 
    (1.1)

   где l – длина
проводника;
S – сечение;
r – удельное сопротивление.

Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью.

   Сопротивление
измеряется в омах (Ом), а проводимость – в сименсах (См).

Сопротивление пассивного участка цепи в общем случае определяется
по формуле

  где P –
потребляемая мощность;
I – ток.
Сопротивление в схеме замещения изображается следующим образом:

Индуктивностью называется
идеальный элемент схемы замещения, характеризующий способность цепи
накапливать магнитное поле. Полагают, что индуктивностью обладают только
индуктивные катушки. Индуктивностью других элементов электрической цепи
пренебрегают.

Индуктивность катушки, измеряемая в генри , определяется по формуле

       где W – число витков катушки;
Ф – магнитный поток катушки, возбуждаемый током i.

На рисунке показано изображение индуктивности в схеме замещения.

Емкостью
называется идеальный элемент схемы замещения, характеризующий способность
участка электрической цепи накапливать электрическое поле. Полагают,
что емкостью обладают только конденсаторы. Емкостью остальных элементов
цепи пренебрегают.

Емкость конденсатора, измеряемая в фарадах (Ф), определяется по формуле:

  где q – заряд на
обкладках конденсатора;
Uс – напряжение на конденсаторе.

На рисунке показано изображение емкости в схеме замещения

Условия работы источников тока

Любой источник тока работает при определенных условиях. В отсутствие химической реакции внутри элементов не смогут образовываться заряженные частицы. Если будет отсутствовать анод и катод, то движения частиц не возникнет даже при наличии реакции.

В аккумуляторах происходит похожий процесс, но толчком для возникновения химической реакции является замыкание во внешней электрической цепи. Заряженные элементы начинают двигаться от анода к катоду и наоборот, создавая постоянный поток.

Идеальный и реальный

Световые типы не могут работать без наличия источника света. КПД зависит от типа используемого диэлектрического элемента. Дополнительно необходимо иметь в наличии приспособление ля преобразования полученной энергии.

Тепловой вариант не будет работать, если в его основу входит 1 тип металла. Если будет отсутствовать источник тепла, то ни о каком возникновение движущихся частиц не может быть и речи.

Источники

Для выработки электрической энергии требуется выбрать источник тока, соответствующий потребностям в конкретной сфере применения. Существует несколько вариантов таких приспособлений, каждый из которых имеет определенное строение, принцип работы и индивидуальные технические показатели.

Условные обозначения источников электрической энергии и элементов цепей

Условное обозначение	Элемент
	Идеальный источник ЭДС Е – электродвижущая сила, Е = const Ro = 0 – внутреннее сопротивление
	Идеальный источник тока I = const Rвн- внутреннее сопротивление источника тока, Rвн>>Rнаг
	Активное сопротивление R = const
	Индуктивность L = const
	Емкость С = const

К химическим источникам тока относят гальванические элементы и аккумуляторы. В них заряды переносятся в результате химических реакций. При этом в гальваническом элементе реагенты расходуются необратимо, а в аккумуляторе они могут восстанавливаться путем пропускания через аккумулятор электрического тока противоположного направления от других источников.

Источники электрической энергии относятся к группе активных элементов электротехнических устройств. Если Rо=0 и электродвижущая сила (ЭДС) Е=const, то источник называется идеальным. Аккумуляторная батарея по своим параметрам близка к идеальному источнику ЭДС.

К группе пассивных элементов относятся: активное сопротивление R, индуктивность L и емкость С.

В электротехнических устройствах одновременно протекают три энергетических процесса:

1 В активном сопротивлении в соответствии с законом Джоуля – Ленца происходит преобразование электрической энергии в тепло.

Мощность, по определению равна отношению работы к промежутку времени, за который эта работа совершается. Следовательно, мощность тока для участка цепи

p = A/t = ui

Полная мощность, вырабатываемая генератором, равна

где R- полное сопротивление замкнутой цепи, называемое омическим или активным;

Р, I – мощность и ток в цепи постоянного тока.

р, i, и – мгновенные значения активной мощности, тока и напряжения в цепи переменного тока,

g – активная проводимость или величина, обратная сопротивлению g=1/R измеряется в сименсах (См).

В соответствии с законом сохранения энергии работа есть мера изменения различных видов энергии. Так, в электродвигателе за счет работы тока возникает механическая энергия, протекают химические реакции и т. д. На резисторах происходит необратимое преобразование энергии электрического тока во внутреннюю энергию проводника.

Если в проводнике под действием тока не происходит химических реакций, то температура проводника должна измениться. Изменение внутренней энергии проводника (количество теплоты) Q равно работе А, которую совершает суммарное поле при перемещении зарядов:

Q = А = uit

Воспользовавшись законом Ома, получим два эквивалентных выражения:

Это и есть закон Джоуля – Ленца.

Если нужно сравнить два резистора по характеру тепловых процессов, происходящих в них, то нужно предварительно выяснить: протекает ли по ним одинаковый ток или они находятся под одинаковым напряжением?

Если по двум резисторам протекают одинаковые токи, то согласно формуле за одно и то же время больше возрастает внутренняя энергия резистора с большим сопротивлением. С таким случаем мы встречаемся, например, в цепи с последовательным соединением резисторов. Последнее обстоятельство следует учитывать при включении в сеть нагрузки (электроплиток, утюгов, электродвигателей и т. д.). Сопротивление подводящих проводов при этом должно быть значительно меньше, чем сопротивление нагрузки. При несоблюдении этого условия в проводах выделится большое количество теплоты, что может привести к их загоранию.

Если же оба резистора находятся под одинаковым напряжением, то согласно формуле быстрее будет нагреваться резистор с меньшим сопротивлением. Такой эффект, в частности, наблюдают при параллельном соединении резисторов.

Термин “сопротивление” применяется для условного обозначения элемента электрической цепи и для количественной оценки величины R.

Сопротивление измеряется в омах (Ом). 1 Ом – это сопротивление проводника, сила тока в котором равна 1 А, если на концах его поддерживается разность потенциалов 1 В:

1 Ом = 1 В/1 А

Электрическое сопротивление R материалов с изменением температуры меняется. Сопротивление металлических проводников линейно возрастает с температурой. У полупроводников и электролитов с увеличением температуры удельное сопротивление уменьшается, причем нелинейно.

Для сравнения проводников по степени зависимости их сопротивления от температуры t вводится величина a, называемая температурным коэффициентом сопротивления. Отсюда

Для практических расчетов в электрических цепях величину R можно принимать постоянной. В этом случае зависимость напряжения на сопротивлении R от силы тока (вольт-амперная характеристика) будет называться линейной. Электрические цепи, в которые включены постоянные по величине сопротивления, также будут линейными.

Активные элементы ВОЛС

Что касается активных элементов ВОЛС, то сюда относятся:

• мультиплексоры и демультиплексоры. При помощи этих устройств реализуется принцип спектрального разделения каналов, обеспечивающий высокую пропускную способность сетей;
• регенераторы, при помощи которых осуществляется восстановление формы импульса на приемном конце системы;
• лазеры. В ВОЛС они выступают в роли источников излучения, при помощи которого и передается информация;
• модуляторы. Это устройство обеспечивает изменение формы несущего колебания в соответствии с передаваемыми данными. В настоящее время большое распространение имеют системы с прямой модуляцией, где на лазер возложены также и функции модулятора;
• усилители. При помощи данного элемента обеспечивается обеспечение заданного уровня мощности сигнала при передаче на большие расстояния;
• фотоприемник, при помощи которого выполняется оптоэлектронное преобразование сигнала.

Видно, что в состав ВОЛС входит большое количество компонентов. Для того чтобы они функционировали так, как нужно, следует доверять монтаж сетей профессионалам.

Основные различия между активным и реактивным сопротивлением

Когда электрический ток проходит через элементы с активным сопротивлением, происходят необратимые потери выделяемой мощности. Типичным примером служит электрическая плита, где в процессе работы происходят необратимые превращения электричества в тепловую энергию. То же самое происходит с резистором, в котором тепло выделяется, но обратно в электроэнергию не превращается.

Помимо резисторов, свойствами активного сопротивления обладают приборы освещения, электродвигатели, трансформаторные обмотки, провода и кабели и т.д.

Характерной особенностью элементов с активным сопротивлением являются напряжение и ток, совпадающие по фазе. Рассчитать этот параметр можно по формуле: r = U/I. На показатели активного сопротивления оказывают влияние физические свойства проводника – сечение, длина, материал, температура. Эти качества позволяют различать реактивное и активное сопротивление и применять их на практике.

Реактивное сопротивление возникает в тех случаях, когда переменный ток проходит через так называемые реактивные элементы, обладающие индуктивностью и емкостью. Первое свойство характерно для катушки индуктивности без учета активного сопротивления ее обмотки. В данном случае причиной появления реактивного сопротивления считается ЭДС самоиндукции. В зависимости от частоты тока, при ее возрастании, наблюдается и одновременный рост сопротивления, что отражается в формуле xl = wL.

Что такое источники тока

Источники тока – это элементы электрической цепи, который поддерживают энергию с заданными параметрами. При этом, энергоснабжение цепи не зависит от характеристик элементов, входящих в её состав, в частности, сопротивления.

Прибор для выработки тока

Различают идеальные и реальные устройства для выработки тока:

• Идеальные определяются только благодаря гипотезам и теоретическим выкладкам. Так, учёные нередко определяют ряд условий, при которых ток имеет максимальные значения, приближенные к идеалу. То есть, осуществляется имитация идеального источника.
• Реальные условия поддерживают заданные параметры выходного тока и напряжения. Любой прибор обеспечивает свою работу, при условии, что это позволяют сделать его технические характеристики.

Важно! Таким образом, максимальное значение тока и напряжения дают возможность определить, какой именно вариант источника будет использован в цепи – идеальный или реальный

Общие сведения

Под электрической цепью понимают объединение различных радиоэлектронных устройств, соединённых между собой проводниками. Задача такой совокупности заключается в обеспечении протекания электрического тока заданных характеристик. Параметры такой системы описывают с помощью трёх основных величин:

• тока — упорядоченного движения носителей заряда, вызванного под действием внешних сил, например, электромагнитным полем;
• напряжения — работой, выполняемой для перемещения заряженной частицы из одной точки тела в другую;
• сопротивления — величины, зависящей от импеданса каждого элемента цепи.

Существует два способа анализа электроцепи — энергетический и информационный. Под первым понимается изучение процессов, связанных с преобразованием и передачей энергии. Нахождением токов и напряжений в различных местах схемы. Второй же предполагает выяснение реакции при изменении внешнего воздействия.

Существует два состояния электрической схемы — замкнутая и разомкнутая. Если имеется разрыв в каком-то месте, через него ток течь не будет. Значит, между двумя точками разомкнутого участка не появится разность потенциалов (напряжение). Замкнутый же контур обеспечивает возможность циркулирования электрических зарядов. Связь между элементами цепи выполняется с помощью проводников. То есть тел, обладающих незначительным сопротивлением.

Для того чтобы возникло движение электронов необходим источник силы — энергии. Это генератор вырабатывающий ток или напряжение. Называют его источником. Различие между генераторами в том, что токовый умеет поддерживать постоянную силу тока на своём выходе, вне зависимости от остальной части схемы. Источник же напряжения выдаёт постоянную электродвижущую силу (ЭДС), на величину которой не влияет ток в цепи.

Таким образом, простейшая электрическая цепь состоит из трёх элементов — источника энергии, проводников, потребителя. Реальная электроцепь может содержать сколь угодное количество потребителей. Одни из них могут накапливать энергию, а после отдавать, другие же только потребляют, преобразовывая её в другой вид.

Пассивные элементы

Внешняя цепь, нагрузка или приёмник электрической энергии — часть электрической цепи, которая подключена к зажимам источника. В нагрузке энергия электрического поля преобразуется в другие виды энергии (тепловую, звуковую, механическую и др.). Приёмники энергии являются пассивными элементами.

Пассивные элементы – это сопротивление, ёмкость, индуктивность.

В теории электрических цепей рассматриваются пассивные элементы: сопротивление – это идеальный элемент цепи, характеризующий потери энергии на нагрев, механическую работу или излучение электромагнитной энергии.

Единицы измерения сопротивления – Ом

проводимость – величина, обратная сопротивлению.

Единицы измерения проводимости – Сименс

Мощность, выделяемая на сопротивлении, всегда положительна. Мгновенная мощность равна:

Единицы измерения мощности – Ватт

Сопротивления делятся на: линейные и нелинейные.

Линейное сопротивление – сопротивление, которое не зависит от величины, направления тока и величины напряжения. Оно имеет прямую пропорциональную зависимость между напряжением и током, выражающееся законом Ома.

Рисунок 2.2 Условное обозначение сопротивления

Индуктивность – идеализированный элемент электрической цепи, способный накапливать энергию магнитного поля, причем накопление энергии электрического поля и преобразование её в другие виды энергии в нём не происходит. Связь между током и напряжением на зажимах индуктивности определяется из закона электромагнитной индукции: при изменении магнитного потока, пронизывающего витки катушки индуктивности, на её зажимах образуется ЭДС прямо пропорциональная скорости изменения потокосцепления и направленная таким образом, чтобы вызываемый ток препятствовал изменению магнитного потока.

Для катушки, состоящей из витков, справедливо равенство:

где – потокосцепление, т. е. суммарный магнитный поток, который сцеплен с витками. – магнитный поток одного витка.

Единица измерения магнитного потока и потокосцепления – Вебер (Вб).

Коэффициент пропорциональности между и называется индуктивностью, и, обозначается . Единицы измерения индуктивности – Генри . Из формулы получим выражение для напряжения на индуктивном элементе:

Энергия, которая накапливается в индуктивном элементе, вычисляется по формуле:

Для постоянного тока , поэтому напряжение , т. е. индуктивность эквивалентна короткому замыканию. Физический аналог индуктивности – катушка индуктивности, эквивалентная схема которой изображена на рисунке 2.3.

Катушка индуктивности – устройство, основным свойством которого является индуктивность (кроме индуктивности , обладает сопротивлением потерь ).

Рисунок 2.3 Условное графическое обозначение катушки индуктивности

Ёмкость – идеализированный элемент электрической цепи, способный запасать энергию электрического поля. При этом накоплении энергии электрического поля преобразование электрической энергии в тепловую в нем не происходит. Свойства емкостного элемента обусловлены возможностью накопления в нем электрического заряда , пропорционального напряжению на элементе:

Коэффициент пропорциональности называется емкостью, измеряется в Фарадах .

Из формулы найдем связь между током и напряжением для линейной емкости :

Энергия, которая накапливается в линейной емкости, вычисляется по формуле:

В отличие от сопротивления идеальные реактивные элементы не рассеивают, а накапливают электрическую энергию и могут возвращать ее в цепь или источник. Мощность реактивных элементов , называется мгновенной реактивной мощностью и измеряется в вольт – амперах реактивных (Вар).

Для постоянного напряжения ток , т. е. емкость эквивалентна разрыву цепи (холостому ходу). Физический аналог емкости – конденсатор

.Конденсатор — устройство, основным свойством которого является электрическая емкость; кроме емкости он обладает сопротивлением утечки Рисунок 2.4 Условное графическое изображение конденсатора

Пример реальной цепи

Самую простую электрическую цепь можно сделать самостоятельно. Её часто собирают на уроке физики. При этом не стоит опасаться поражения током, так как в ней будет использоваться низковольтный источник напряжения. Но всё же перед тем как приступить к сборке, следует знать о коротком замыкании. Под ним понимают состояние, при котором происходит закорачивание выхода.

Другими словами, вся энергия источника тока оказывается приложенной к нему же. В результате разность потенциалов снижается до нуля, а в цепи возникает максимальная сила тока. Непреднамеренное короткое замыкание может привести к выходу из строя генератор и радиодетали. Именно для защиты от этого пагубного воздействия в цепи ставят предохранитель.

Схема для самостоятельного повторения будет представлять собой узел управления освещением. Для её сборки необходимо подготовить:

Источник питания на 12 вольт. Это может быть аккумулятор, регулируемый лабораторный блок, батарейки. Главное, чтобы источник смог выдавать нужное напряжение. Например, нужную величину можно получить соединив последовательно несколько батареек со стандартным номиналом 1,5 В (1,5 * 4 = 12 В).
Лампочка

Подойдёт накаливания
Здесь важно обратить внимание на её характеристики. Она должна быть рассчитанной на нужное напряжение.
Ключ
Это обыкновенный выключатель, имеющий два устойчивых состояния — разомкнутое и замкнутое.
Провода

В сборке можно использовать любые медные проводники сечением от 0,25 мм 2 .

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.

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.

1.3.2 Индуктивная катушка

Если по какой-либо катушке (контуру) протекает ток, то он создает магнитное поле, магнитный поток которого, сцепляясь с витками катушки, образует потокосцепление самоиндукции Ψ. Потокосцепление катушки будет пропорционально току i

Коэффициент пропорциональности L между Ψ и i называют индуктивностью

Индуктивность L измеряется в Генри (Гн) и зависит от геометрических размеров катушки, числа ее витков и от магнитных свойств сердечника, на который она намотана. На электрических схемах индуктивную катушку обозначают, как показано на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5

– Индуктивная катушка

Если ток i будет изменяться во времени, то по закону электромагнитной индукции в катушке наведется ЭДС еL, которую называют ЭДС самоиндукции:

Взаимная индуктивность:

Рисунок 1.6

– Взаимная индуктивность

На рисунке 1.6 изображены два контура. По первому течет ток i1, по второму – i2.

Магнитный поток, создаваемый первым контуром Ф1, частично замыкается, пронизывая только первый контур Ф11, минуя второй, частично пронизывая и второй контур Ф12.

Таким образом,

Аналогично поток, создаваемый вторым контуром

Если первый контур имеет w1 витков, то потокосцепление первого контура

Потокосцепление второго контура (число витков w2)

Знаки «+» соответствуют согласному направлению потока от своего тока и потока, создаваемого током в соседнем контуре. Знаки «–» соответствуют встречному направлению потоков. Потокосцепление Ψ21 пропорционально току i2, а Ψ12 – току i1

Коэффициент пропорциональности М (Гн) называют взаимной индуктивностью

Она зависит от взаимного расположения, числа витков, геометрических размеров контуров (катушек) и от магнитной проницаемости сердечников, на которых они намотаны.