Как проходит ток в схеме электротехника 1

Основные типы проводников

В отличие от диэлектриков в проводниках имеются свободные носители нескомпенсированных зарядов, которые под действием силы, как правило разности электрических потенциалов, приходят в движение и создают электрический ток. Вольтамперная характеристика (зависимость силы тока от напряжения) является важнейшей характеристикой проводника. Для металлических проводников и электролитов она имеет простейший вид: сила тока прямо пропорциональна напряжению (закон Ома).

Металлы — здесь носителями тока являются электроны проводимости, которые принято рассматривать как электронный газ, отчётливо проявляющий квантовые свойства вырожденного газа.

Плазма — ионизированный газ. Электрический заряд переносится ионами (положительными и отрицательными) и свободными электронами, которые образуются под действием излучения (ультрафиолетового, рентгеновского и других) и (или) нагревания.

Электролиты — жидкие или твёрдые вещества и системы, в которых присутствуют в сколько-нибудь заметной концентрации ионы, обусловливающие прохождение электрического тока. Ионы образуются в процессе электролитической диссоциации. При нагревании сопротивление электролитов падает из-за увеличения числа молекул, разложившихся на ионы. В результате прохождения тока через электролит ионы подходят к электродам и нейтрализуются, оседая на них. Законы электролиза Фарадея определяют массу вещества, выделившегося на электродах.

Существует также электрический ток электронов в вакууме, который используется в электронно-лучевых приборах.

Понятия и свойства электрического тока

Электрические законы и формулы требуются не только для проведения каких-либо расчетов. Они нужны и тем, кто на практике выполняет операции, связанные с электричеством. Зная основы электротехники можно логическим путем установить причину неисправности и очень быстро ее устранить.

Суть электрического тока заключается в движении заряженных частиц, переносящих электрический заряд от одной до другой точки. Однако при беспорядочном тепловом движении заряженных частиц, по примеру свободных электронов в металлах, переноса заряда не происходит. Перемещение электрического заряда через поперечное сечение проводника происходит лишь при условии участия ионов или электронов в упорядоченном движении. Электрический ток всегда протекает в определенном направлении. О его наличии свидетельствуют специфические признаки:

• Нагревание проводника, по которому протекает ток.
• Изменение химического состава проводника под действием тока.
• Оказание силового воздействия на соседние токи, намагниченные тела и соседние токи.

Электрический ток может быть постоянным и переменным. В первом случае все его параметры остаются неизменными, а во втором – периодически происходит изменение полярности от положительной к отрицательной. В каждом полупериоде изменяется направление потока электронов. Скорость таких периодических изменений представляет собой частоту, измеряемую в герцах

Переменный ток

Переменный ток меняет направление протекания по замкнутой цепи с определенной периодичностью. Переменный электрический ток получают при помощи генераторов переменного тока. Основными параметрами, характеризующими переменный ток являются:

– период – время, за которое происходит полный цикл изменений переменного
тока по величине и направлению; измеряется в миллисекундах;
– частота – число периодов, совершаемых переменным током в одну секунду; измеряется в герцах (Гц);
– амплитуда тока – максимальное значение тока в течение периода, независимо от направления тока; измеряется в амперах (А)
– эффективное значение тока – величина переменного тока, при котором на определенном активном сопротивлении выделяется столько же тепла, как и при такой же величине постоянного тока; измеряется в амперах (А)

В Украине и странах СНГ все электростанции вырабатывают переменный ток стандартной частоты – 50 Гц. Такой переменный ток называют током промышленной частоты.

Виды принципиальных схем

Модели электрических приборов, аппаратов, оборудования, выполненные при помощи цифровых и буквенных символов, а также графических изображений, предназначенные для понимания принципов работы электрических цепей и физических процессов, протекающих в них, называются принципиальными схемами.

Техническая документация такого рода делится на 2 вида:

1. Разнесенная (многолинейная) – по строкам (обозначенным арабскими цифрами) изображаются разные цепи, а в каждой строке последовательно располагаются все элементы одной цепи. Этот способ подходит для сложных электроприборов и устройств автоматики, содержащих большое количество реле и контактных групп в трехфазных системах.
2. Совмещенная (однолинейная) – более наглядный вид графического изображения электрических связей между элементами цепей. В них на одном чертеже могут быть обозначены первичные цепи со схемами соединений совместно с устройствами управления выключателями, автоматикой, релейной защитой. Такие схемы становятся менее востребованными по мере усложнения конструкций.

Баланс мощности

Понятное дело, что с последним.
Проводники электрического тока Материал, в котором течёт ток, называется проводником. Расчет таких цепей ведется по уравнениям Кирхгофа.
Если, например, к цепи подключить электрохимический элемент, то конденсатор начнёт заряжаться, пока напряжение на нём не станет равным ЭДС элемента. Кроме упорядоченного движения, электроны задействованы в хаотичном тепловом движении. Потребители Все остальные компоненты электрической цепи, кроме перечисленных выше, считаются потребителями.
Несмотря на это, скорость распространения собственно электрического тока равна скорости света в данной среде, то есть скорости распространения фронта электромагнитной волны. Этого можно достичь, перенося свободные электроны с положительного тела на отрицательное так, чтобы заряды тел не менялись со временем.
Идеальный источник тока — тот источник, у которого создаваемый ток не зависит от напряжения на его зажимах, то есть его внутреннее сопротивление или его внутренняя проводимость. Это место соединения нескольких ветвей. Движуха идет из области высокого давления в область низкого давления. Первое, что приходит на ум — это увеличить давление.

В этом случае параметры переменного тока изменяются по гармоническому закону. Движение зарядов может происходить и под действием неэлектрических сил например, магнитных , а также при диффузии или в химических реакциях. Условия, необходимые для существования электрического тока: Наличие свободных заряженных частиц; Наличие электрического поля, действующего на заряженные частицы с силой в определённом направлении; Наличие замкнутой электрической цепи. Проводники в электрических цепях можно соединять двумя способами: последовательно и параллельно.

Потому, что давление слева, больше чем справа. Если после вычислений по правилам Кирхгофа сила тока на данном участке оказывается больше нуля, то это означает, что истинное направление тока совпало с направлением, указанным стрелкой; в противном случае ток направлен противоположно; в выбранном произвольном контуре все его участки обходят в одном направлении — либо по часовой стрелке, либо в противоположном. Оно вроде как есть, но молекулы воды стоят на месте. Чем питать это устройство, каким напряжением и родом тока. Постоянный ток используется в процессе электролиза гальванопластика — получение легко отделяющихся точных металлических копий, гальваностегия — нанесение металлических покрытий из одних металлов на изделия из других металлов , на городском транспорте электропоезда, трамваи, троллейбусы , в осветительных приборах, в устройствах автоматики, электроники и вычислительной техники.

Ладно, давайте обобщим, все что мы тут пописали. В схеме рис.
#9 Электрический ток и электроны

Активные и пассивные элементы электрической цепи

Эти же соображения относятся и к многофазным электродвигателям. Если ток изменяется в определённых пределах которые зависят от детали , то нижняя граница всегда равна нулю, и эта составляющая начинает отдавать энергию внешней цепи.

Третья часть состоит из передающих устройств — проводов и других установок, обеспечивающих уровень и качество напряжения. Особенности нанесения разметок на схемы: Для ЭДС источников они указываются произвольно. Каждый активный элемент характеризуется только одним параметром — ЭДС или током на выходных зажимах источников.

А определить мощность можно, умножив ток на напряжение. Линейным называется провод, соединяющий начала фаз обмотки генератора и приемника.

Законы, которые понадобятся при работе с цепями постоянного тока Анализ и расчет будут гораздо эффективнее, если одновременно использовать закон Ома, а также первый и второй законы Кирхгофа. А выключатели или приборы защиты всегда подсоединяются последовательно, т. Трехфазные системы в настоящее время получили наибольшее распространение.

По мере роста числа параллельно включенных потребителей проводимость цепи gэкв возрастает, и наоборот, общее сопротивление Rэкв уменьшается. Вторая — элементами, преобразующими электричество в другие виды энергии.

Параллельное соединение конденсаторов

Если в электрическую цепь были включены источники напряжений, то данный показатель будет равен нулю. Функция зависимости тока, протекающего по двухполюсному компоненту, от напряжения на этом компоненте называется вольт-амперной характеристикой ВАХ. Причем включение или отключение одного или нескольких потребителей не отражается на работе остальных.

В ней содержатся условные обозначения элементов, а также способы из соединения. Основные элементы электрической цепи, в зависимости от конструкции и роли в схемах, могут быть классифицированы по разным системам. Во всех практических случаях реальные источники ЭДС или источники питания не являются идеальными, так как обладают внутренним сопротивлением. Различают два типа источников: первичные, когда в электрическую энергию превращается другой вид, и вторичные, которые на входе, и на выходе имеют электрическую энергию в качестве примера можно привести выпрямительное устройство.

Исследования в данной области были вызваны требованиями развивающегося производства, а успехам в развитии многофазных систем способствовали открытия в физике электрических и магнитных явлений. Параллельное соединение источников применяется в первую очередь тогда, когда номинальные ток и мощность одного источника недостаточны для питания потребителей. Рассмотрим процесс возникновения синусоидальной ЭДС. Так, когда элемент нагревается, то сопротивление начинает возрастать. В этом случае ток в нагрузке становится равным нулю, и как следует из соотношения 1.

КАК ТЕЧЁТ ТОК В СХЕМЕ — Читаем Электрические Схемы 1 часть

1.5. Режимы работы электрических цепей

В зависимости от нагрузки различают следующие режимы работы: номинальный, режим холостого хода, короткого замыкания, согласованный режим.
При номинальном режиме электротехнические устройства работают в условиях, указанных в паспортных данных завода-изготовителя. В нормальных условиях величины тока, напряжения, мощности не превышают указанных значений.Режим холостого хода возникает при обрыве цепи или отключении сопротивления нагрузки. Режим холостого хода является аварийным для источников тока.Режим короткого замыкания получается при сопротивлении нагрузки, равном нулю. Ток короткого замыкания в несколько раз превышает номинальный ток. Режим короткого замыкания является аварийным для источников напряжения.Согласованный режим – это режим передачи от источника к сопротивлению нагрузки наибольшей мощности. Согласованный режим наступает тогда, когда сопротивление нагрузки становится равным внутреннему сопротивлению источника. При этом в нагрузке выделяется максимальная мощность.

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.

Обозначение линий связи на электрических схемах

Отдельные элементы на электрических схемах соединяют сплошными линиями, которые могут символизировать различные кабели, каналы, шины, провода.

Пересечение не соединенных проводов изображается следующим образом:

В местах соединения линий связи ставят точку.

Нулевой провод обознается буквой N, а заземление – значком:

Контакты

Важным элементом электросхем являются переключающие контакты, или как их называют ключи. Наиболее распространены замыкающие, размыкающие и переключающие контакты, их обозначение показано на рисунке.

Для того, чтобы понять как будет работать система при переключении контакта необходимо мысленно переместить элемент контакта, от одной линии связи к другой.

Элементы управления

Реле применяется во многих электрических приводах.

При прохождении тока через обмотку реле, происходит переключение контакта, связь между реле управления и контактом может изображаться пунктирной линией.

Также связанные реле и контакт могут иметь одинаковое буквенное обозначение.

Реле времени по переднему и по заднему фронту обозначаются:

Геркон – переключающий контакт, срабатывающий при воздействии магнитного поля имеет следующую электрическую схему:

Исполнительные механизмы

Электродвигатели и электромагниты наиболее распространенные исполнительные механизмы в электрических системах:

Источники энергии

Обозначение генератора – устройства, преобразующего механическую энергию в электрическую показано на рисунке.

Другие источники питания показаны на следующей картинке.

Сигнальные устройства

На электрических схемах достаточно часто обозначаются сигнальные устройства – лампы, светодиоды. Изображают эти устройства следующих образом:

Измерительные приборы

Наиболее часто на электрических схемах встречаются обозначения амперметра, вольтметра, или обобщенное обозначение измерительного прибора.

Общие элементы

Немногие схемы обходятся без таких элементов как резистор, конденсатор, диод. Обозначение этих устройств показано на следующей иллюстрации.

Обозначение тиристоров и операционных усилителей показано на рисунке.

Обозначение транзисторов на схеме

Электрическая схема транзисторов – элементов электрической системы способных управлять током в выходной цепи при воздействий входного сигнала, показана на рисунке.

Основы электричества

Электрический ток в металлических проводниках представляет собой направленное движение свободных электронов вдоль проводника, включенного в электрическую цепь. Движение электронов в электрической цепи происходит благодаря разности потенциалов на зажимах источника (т.е. его выходного напряжения).

Электрический ток может существовать только в замкнутой электрической цепи, которая должна состоять из:

– источника тока (аккумулятор, генератор, …);
– потребителя (лампа накаливания, нагревательные приборы, сварочная дуга и т.д.);
– проводников, соединяющих источник питания с потребителем электрической энергии.

Электрический ток обычно обозначается латинской прописной или строчной буквой I (i).

Единица измерения силы электрического тока – ампер (обозначается А).

Сила тока измеряется при помощи амперметра, который включается в разрыв электрической цепи.

В отличие от электрического тока, напряжение на зажимах источника питания или элементах цепи существует независимо от того, замкнута электрическая цепь или нет.

Напряжение обычно обозначается латинской прописной или строчной буквой U (u).

Единица измерения величины напряжения – вольт (обозначается В).

Величина напряжения измеряется при помощи вольтметра, который подключается параллельно к участку электрической цепи, на котором производится измерение.

Провода и токоприемники, включенные в электрическую цепь, оказывают сопротивление прохождению тока.

Электрическое сопротивление обычно обозначается латинской прописной буквой R.

Единица измерения сопротивления электрической цепи – ом (обозначается Ом).

Величина электрического сопротивления измеряется омметром, который подключается к концам измеряемого участка цепи, при этом по измеряемому участку цепи не должен протекать ток.

Электрическая цепь может быть составлена так, что начало одного сопротивления соединяется с концом другого. Такое соединение называется последовательным.

В электрической цепи с последовательным подключением сопротивлений (потребителей), существуют следующие зависимости.

Общее сопротивление такой цепи равно сумме всех этих отдельных сопротивлений:

R = R₁ + R₂ + R₃

Так как ток проходит последовательно одно за другим все сопротивления, его величина на всех участках цепи одинакова.

Сумма падений напряжений на всех участках электрической цепи равна напряжению на клеммах источника:

Uист = Uab + Ucd

Величина падения напряжения на отдельном участке электрической цепи равна произведению величины тока в цепи на электрическое сопротивление этого участка.

Если в электрической цепи с одной стороны соединены все начала сопротивлений, а с другой – все их концы, то такое соединение называется параллельным.

Общее сопротивление такой цепи меньше сопротивления любой из составляющих ее ветвей.

Для цепи с двумя параллельно подключенными сопротивлениями общее сопротивление вычисляется по формуле:

R=R1 * R2 / (R1 + R2)

Каждое дополнительное сопротивление при параллельном подключении снижает общее сопротивление такой цепи. В балластном реостате используется схема параллельного подключения сопротивлений. Поэтому при включении каждого дополнительного “ножа” общее сопротивление балластного реостата снижается, а ток в цепи возрастает.

На участке цепи с параллельным подключением ток разветвляется, проходя одновременно по всем сопротивлениям:

i = i₁ + i₂ + i₃

Все сопротивления параллельной цепи находятся под одинаковым напряжением:

Uab = U₁ = U₂ = U₃

Виды UML-диаграмм

Существует два вида UML-диаграмм — структурные диаграммы и диаграммы поведения.

Структурными диаграммами представлена статическая часть структуры системы. Также могут быть представлены части системы на разных уровнях абстракции и реализации и взаимосвязь этих уровней. Элементами структурной диаграммы являются значимые понятия системы. Они могут состоять из абстрактных, реальных концепций и концепций реализации. 

Среди структурных диаграмм выделяют семь подтипов:

• Диаграмма составной структуры
• Диаграмма развертывания
• Диаграмма пакетов
• Диаграмма профилей
• Диаграмма классов
• Диаграмма объектов
• Диаграмма компонентов

Диаграммы поведения, наоборот, отображают динамическое поведение объектов в системе. Его можно описать, как серию изменений в системе с течением времени. 

Диаграммы поведения подразделяются на подтипы:

• Диаграмма деятельности
• Диаграмма прецедентов
• Диаграмма состояний
• Диаграмма последовательности
• Диаграмма коммуникаций
• Диаграмма обзора взаимодействия
• Временная диаграмма

Можно выделить несколько основных и наиболее доступных типов UML-диаграмм:

• Диаграмма прецедентов (Use-case diagram); 
• Диаграмма классов (Class diagram);
• Диаграмма деятельности (Activity diagram); 
• Диаграмма последовательности (Sequence diagram);
• Диаграмма развертывания (Deployment diagram);

Диаграмма прецедентов (Use-case diagram)

Диаграмма прецедентов описывает функциональные требования системы с точки зрения прецедентов и включает в себя два компонента — участника (Actor) и прецедент (Use case).

Участник представляет собой совокупность логически связанных ролей, которые исполняются во время взаимодействия с прецедентами или сущностями (система, подсистема или класс). Участником может быть человек, роль человека в системе или другая система, подсистема или класс. 

Прецедент описывает отдельный случай поведения системы с точки зрения пользователя

Важно понимать, что с помощью прецедента отображается сам результат, а не как он достигается. Прецеденты позволяют связать наши потребности и то, как система удовлетворяет их

Диаграмма классов (Class diagram)

Диаграммы классов используется наиболее широко и являются основой объектно-ориентированного моделирования. Класс представляет собой группу предметов, которые обладают общими атрибутами и операциями. 

UML-диаграммы классов отображают как классы внутри системы, так и разные виды отношений между классами.

Выделяют три основных типа отношений в диаграммах классов:

• Ассоциация описывает отношения между экземплярами типов. Например, человек работает в сети аптек, у сети есть аптека в городе.
• Наследование. Оно имеет непосредственное соответствие наследованию в объектно-ориентированном дизайне.
• Агрегация — форма композиции объектов в объектно-ориентированном дизайне.

Диаграмма деятельности (Activity diagram)

Диаграмма деятельности или активностей (Activity diagram) использует блок-схему для графического изображения динамических аспектов поведения системы.

Среди таких процессов выделяются бизнес-процессы, логика процедур и переходы от одной деятельности к другой. Таким образом, создается алгоритм действий системы или нескольких систем, взаимодействующих между собой.

UML-диаграммы деятельности позволяют моделировать как вычислительные, так и организационные процессы.

Диаграмма последовательности (Sequence Diagram)

Диаграмма последовательности создает модель взаимодействия объектов. Основой такого взаимодействия служит временная последовательность, которая дает представление о взаимодействии объектов в конкретном прецеденте.

Таким образом, диаграммы последовательности уточняют диаграммы прецедентов и отражает взаимодействие объектов в динамике, во времени. Информация представляется в виде сообщений. Также предполагается обмен сообщениями между объектами в рамках сценария, что и является взаимодействием. 

Диаграмма развертывания (Deployment Diagram)

Диаграмма развертывания графически представляет инфраструктуру, на которую будет развернуто приложение, то есть моделирует физический аспект системы. Такой инфраструктурой могут быть топология системы и распределение компонентов по ее узлам, а также соединения — маршруты передачи данных между узлами. 

Также с помощью диаграммы компоненты системы организовываются более рационально, что положительно влияет на производительность системы и помогает решить вспомогательные задачи.

Как правило, моделируются и конфигурации оборудования, помимо компонентов программного обеспечения, на которых они размещены.