Электрическая цепь: что это такое, виды, из каких элементов состоит простейшая и полная

Пассивные элементы электрической цепи

Главными пассивными элементами электрических цепей являются индуктивные, резистивные и емкостные. Чтобы понять их силовые характеристики, необходимо рассмотреть их при постоянном токе.

Определение 2

Электротехническое устройство, которое обладает сопротивлением и применяется для ограничения электрического тока, называется резистором.

Резистивными элементами называются идеализированные модели резисторов. Основной величиной, которая характеризует резистор, является сопротивление $R$. Определить его можно из следующего соотношения:

$U_ab = RI$ — закон Ома.

Сопротивление можно измерить в Омах: $ = = \frac {B}{A} = Ом$

К пассивным элементам также можно отнести катушку индуктивности L.

Катушка – это обмотка изолированного провода, который намотан на каркас или без каркаса (имеются выводы для присоединения).

$L$ – это параметр, определяющий способность катушки формировать магнитное поле. Он напрямую зависит от геометрических параметров катушки, количества витков, а также от магнитных свойств сердечника, на который наматывается катушка.

Из-за возникновения магнитного поля электрическая цепь пронизывается магнитным потоком. Для того чтобы охарактеризовать катушку индуктивности, как основного элемента цепи, нужно найти потокосцепление $\psi$. Индуктивность $L$ – это коэффициент пропорциональности между $\psi$ и $l$:

$L = \frac {\psi}{i}$

$L = \frac {2W_M}{l^2}$

Между двумя проводниками, которые разделяются диэлектриком, есть электрическая емкость. Коэффициент пропорциональности С в таком случае называют емкостью:

$C = \frac {q}{U}$

$W_э = \frac {CU^2}{2} = \frac {q^2}{2C}$

Что такое электрические цепи

Электрической цепью называют совокупность устройств, необходимых для прохождения по ним электрического тока Электрическая цепь – это комплекс различных элементов, соединенных между собой. Она предназначена для протекания электрического тока, где происходят переходные процессы. Движение электронов обеспечивается наличием разности потенциалов и может быть описано при помощи таких терминов, как напряжение и сила тока.

Внутренняя цепь обеспечивается подключением напряжения, как источника питания. Остальные элементы образуют внешнюю сеть. Для движения зарядов в источнике питания поля потребуется приложение сторонней силы. Это может быть обмотка генератора, трансформатора или гальванический источник.

Чтобы такая система правильно функционировала, ее контур должен быть замкнутый, иначе ток протекать не будет. Это обязательное условие для согласованной работы всех устройств. Не всякий контур может быть электрической цепью. Например, линии заземления или защиты не являются таковыми, поскольку в обычном режиме по ним не проходит ток. Назвать их электрическими можно по принципу действия. В аварийной ситуации по ним проходит ток, а контур замыкается, уходя в грунт.

Электрическая цепь и ее элементы

Электрическая цепь – это соединение различных электрических или электронных деталей в одно. Для объединения используются проводники, которые пропускают через себя ток. Сами элементы могут самыми разнообразными – линейными, нелинейными, пассивными или активными. Любая электрическая цепь имеет в себе питание, включатель, провода, потребители тока. Она также должна быть замкнутой, иначе ток не сможет по ней протекать. Не являются электрической цепью заземляющие и зануляющие контуры.

В статье будет описано строение как сложных, так и простейших электрических цепей, как их грамотно создать, а главное обеспечить ее безопасность. В качестве дополнения, статья имеет в себе несколько видеороликов и интересный научный материал по теме.

Активные элементы электрической цепи

В качестве источников энергии в линейных электрических цепях различают источники ЭДС и источники электрического тока. Идеальный источник ЭДС имеет неизменную электродвижущую силу и напряжение на выходных зажимах. У реального источника напряжение и ЭДС изменяются при изменении нагрузки. В электрической схеме это можно учесть последовательным включением резистора $r_0$.

Напряжение $U_ab$ напрямую зависит от тока приемника и приравнивается разности между электродвижущей силой генератора и уменьшением напряжения на его внутреннем сопротивлении $r_0$.

$U_ab = \varphi_a — \varphi_b$

Ток, который протекает по электрической цепи, зависит от сопротивления нагрузки:

$I = \frac {E}{R_H + r_0}$

Если принять ЭДС источника, где внутреннее сопротивление и сопротивление приемника не зависит от напряжения и тока, то внешняя характеристика источника энергии $U_12 = f(l)$ и вольтамперная характеристика приемника $U_ab = f(l)$ будут линейными.

Для источника электрического тока характерно бесконечное внутреннее сопротивление и бесконечное значение электродвижущей силы. При этом выполняется следующее равенство:

$\frac {E}{R_0} = l$

Если $r_0\geqslant R_H$ и $l_0\leqslant l$, то источник энергии находится в режиме, который близок к короткому замыканию. Тогда $l_0=0$/

Определение 1

Источник с внутренним сопротивлением $g_0 = 0$ называется идеальным источником.

Электрическая цепь постоянного тока

Ток, величина которого не меняется с течением времени, называется постоянным.

Цепь, через которую проходит такой источник электричества, имеет замкнутую систему. Это электрические цепи постоянного тока. Их составляют различные элементы.

Для обеспечения постоянного источника энергии в системе применяются конденсаторы. Они способны накапливать запасы электрических зарядов.

Емкость конденсатора зависит от размера его металлических пластин.

Чем они больше, тем больший заряд может накопить этот элемент электрической цепи постоянного тока. Электрическую емкость изменяют в таких единицах, как фарада (ф). На схеме этот элемент выглядит следующим образом.

Вместе с источниками и приемниками тока эти элементы образуют электрические цепи постоянного тока.

Что такое электрические цепи

Электрической цепью называют совокупность устройств, необходимых для прохождения по ним электрического тока

Электрическая цепь – это комплекс различных элементов, соединенных между собой. Она предназначена для протекания электрического тока, где происходят переходные процессы. Движение электронов обеспечивается наличием разности потенциалов и может быть описано при помощи таких терминов, как напряжение и сила тока.

Сила тока, напряжение, сопротивление

Чтобы измерить электрический ток, необходимо узнать количество электронов, проходящих через поперечное сечение проводника за одну секунду. Эта величина называется силой тока и измеряется в амперах (A).

Если мы возьмем более сильный источник тока, то через поперечное сечение проводника пройдет большее количество заряженных частиц за одну секунду. Сила тока увеличилась, так как более мощный источник тока действует на электроны с большей силой притяжения. Эта сила притяжения источника тока называется электрическим напряжением и измеряется в вольтах (В).(во втором случае электроны двигаются быстрее)

Если заменить батарею постоянным источником тока, то можно определить воздействие электрического напряжения на силу тока.

Сила тока и напряжение зависят один от другого. Большее напряжение означает также и большую силу тока.

Любой материал обладает электрическим сопротивлением, которое характеризует способность материала препятствовать движению электрического тока. Это означает, что сила тока будет тем больше, чем меньше электрическое сопротивление материала при условии постоянного напряжения.

Это пропорциональное соотношение называется законом Ома: напряжение (U), деленное на силу тока (I), есть величина постоянная (R). Эта величина называется электрическим сопротивлением и измеряется в омах. 1 ом равняется 1 вольту, деленному на 1 ампер.

Активные и пассивные элементы электрической цепи

Элементы, входящие в состав электрических цепей, могут быть активными и пассивными. Основным признаком активных составляющих, считается их способность отдавать электроэнергию. Типичными представителями являются генераторы и другие источники электроэнергии, усилители электрических сигналов и другие. Пассивными элементами считаются различные виды потребителей и накопителей электрической энергии. К ним относятся конденсаторы, резисторы, катушки индуктивности и другие двухполюсные устройства. Существует многополюсная аппаратура, функционирующая на базе двухполюсных элементов.

Все активные элементы электрической цепи могут быть независимыми и зависимыми. В первую категорию входят источники напряжения и тока. В свою очередь, источник напряжения считается идеализированным элементом цепи, у которого напряжение на зажимах не зависит от протекающего через него электрического тока, а внутреннее сопротивление имеет нулевое значение. Источник тока также является безупречным элементом, у которого ток не зависит от напряжения на зажимах, а значение внутреннего сопротивления стремится к бесконечности.

Зависимые источники напряжения и тока именуются таковыми, когда эти величины зависят от параметров напряжения и тока на другом участке цепи. Типичными представителями являются электролампы, транзисторы, усилители, функционирующие в линейном режиме. Основные пассивные элементы электрической цепи представлены резисторами, индуктивными катушками и конденсаторами, с помощью которых регулируются параметры тока и напряжения на отдельных участках.

Резистивное сопротивление относится к идеализированным элементам цепи. Его основным свойством является необратимое рассеивание энергии. Зависимость напряжения и тока резистивного сопротивления выражается формулами: u = iR, i = Gu, в которых R является сопротивлением, измеряемым в Омах, а G – проводимостью, измеряемой в сименсах. Соотношение этих величин между собой выражено формулой R = 1/G.

Идеализированные индуктивные элементы цепи способны накапливать энергию магнитного поля. Основным параметром считается линейная индуктивность, находящаяся в линейной зависимости между магнитным потоком и током, графически представляющая собой вебер-амперную черту. Индуктивность является также и коэффициентом пропорциональности, измеряемом в Генри.

Ёмкостные элементы – конденсаторы обладают свойством накапливать энергию электрического поля. Показатель линейной емкости представляет собой линейную зависимость между зарядом и напряжением, выраженной формулой q = Cu.

Виды соединения источников тока

Что же произошло к нашим физиком-теоретиком? Он даже соединения источников учел. Только забыл он самое главное правило: сначала собери схему, а только потом подключи ее к источнику.

Вот он подключил один конец провода с лампочками к источнику, другой конец взял в руку… И навсегда запомнил технику безопасности при работе c электричеством: не стоит человеку становиться звеном цепи, подключенной к источнику.

Источники тока соединяют между собой для совместного питания всей цепи.

	Последовательное соединение	Параллельное соединение
Схема
Эквивалентное внутреннее сопротивление	r_э = r₁ + r₂	$\frac{1}{r_э} = \frac{1}{r_1} + \frac{1}{r_2}$
Эквивалентное ЭДС	$\varepsilon_э = \pm \varepsilon_1 \pm \varepsilon_2$знаки зависят от направления подключения источников	$\frac{\varepsilon_э}{r_э} = \pm \frac{\varepsilon_1}{r_1} \pm \frac{\varepsilon_2}{r_2}$знаки зависят от направления подключения источников
Закон Ома для полной цепи	$I = \frac{\varepsilon_э}{r_э + R}$	$I = \frac{\varepsilon_э}{r_э + R}$
Закон Ома для n одинаковых источников	$I = \frac{n \varepsilon}{R + nr}$	$I = \frac{\varepsilon}{R + rn}$

Чем отличаются понятия “соединения резисторов” и “соединения источников тока”? Пример резистора — чайник, простой проводник электрического тока. Если чайник подключить параллельно, это никак не повлияет на работу всей цепи. А источник тока — это розетка. Она дает “питание” всей цепи. Без источника тока не будет работать ни один прибор.

Параллельное соединение

Большинство домашних электрических приборов функционируют при напряжении 220 В. Они не могут быть подключены в цепь последовательно, так как тогда на каждый прибор будет приходиться напряжение намного меньшее, чем 220 В. Подобным образом можно подключить только один прибор, который будет работать в полную силу.

В связи с этим домашние приборы подключаются к источнику тока параллельно, что позволяет каждому прибору получить нужное напряжение — 220 В.

При параллельном подключении приборов на каждом приборе будет одинаковое напряжение в 220 В.

При помощи амперметра измерим силу тока на трех участках электрической цепи. Общая сила тока составляет 12,6 А. Сила тока на измеренных участках: I₁ = 3,5 A, I₂ = 8,7 A, I₃ = 0,4 A, что в сумме дает 12,6 А. Из этого следует, что при параллельном подключении общая сила тока равна сумме всех токов в цепи.

V = V₁ = V₂ = V₃
I = I₁ + I₂ + I₃

При параллельном подключении мы можем высчитать общее сопротивление и сопротивление на каждом отдельном участке цепи: R_общ = U_общ / I_общ и в нашем случае: R_общ = 220 / 12.6 = 17.5 Ом. Это сопротивление меньше, чем наименьшее отдельное сопротивление. Если мы хотим вычислить общее сопротивление цепи, зная сопротивление отдельных частей, то нам необходимо произвести следующее суммирование: 1/R_общ = 1/R₁ + 1/R₂ + 1/R₃. Так выглядит закон вычисления общего сопротивления для параллельного подключения.

Обозначения элементов на схеме

Прежде чем приступить к монтажу оборудования необходимо изучить нормативные сопровождающие документы. Схема позволяет донести до пользователя полную характеристику изделия с помощью буквенных и графических обозначений, занесенных в единый реестр конструкторской документации. К чертежу прилагаются дополнительные документы. Их перечень может быть указан в алфавитном порядке с цифровой сортировкой на самом чертеже, либо отдельным листом. Классифицируют десять видов схем, в электротехнике обычно используют три основные схемы.

Функциональная имеет минимальную детализацию. Основные функции узлов изображают прямоугольником с буквенными обозначениями.
Принципиальная схема подробно отображает конструкцию использованных элементов, а также их связи и контакты. Необходимые параметры могут быть отображены непосредственно на схеме или в отдельном документе. Если указана только часть установки, это однолинейная схема, когда указаны все элементы – полная.
В монтажной электрической схеме используют позиционные обозначения элементов, их месторасположение, способ монтажа и очередность.

Для чтения электросхем нужно знать условные графические обозначения. Провода, которые соединяют элементы, изображаются линиями. Сплошная линия – это общее обозначение проводки. Над ней могут быть указаны данные о способе прокладки, материале, напряжении, токе. Для однолинейной схемы группа проводников изображается пунктирной линией. В начале и в конце указывают маркировку провода и место его подключения.

Выключатель на схеме выглядит как кружок с наклоненной вправо чертой. По виду и количеству черточек определяют параметры устройства.

Кроме основных чертежей есть схемы замещения.

Определение

Ток – это течение или движение чего-либо. Отсюда можно сделать следующее определение.

Электрический ток – это направленное движение заряженных частиц (носителей электрического заряда) в веществе или вакууме.

В преимущественном большинстве носителями электрического заряда служат электроны, например в металлах. Гораздо реже – ионы, например в газах.

Обычно электрический ток происходит в металлах – проводах. Провода изготавливаются из алюминия, меди, серебра, золота и сплавов этих металлов в различных вариациях.

При этом скорость движения свободных электронов очень маленькая, не более 1 миллиметра в секунду. При этом скорость распространения электрического тока довольно велика – она почти равна скорости света. Поэтому когда мы щелкаем выключателем, свет зажигается мгновенно.

Эту скорость электронам придает источник электрической энергии. Благодаря источнику в проводнике (пусть это будет провод) создается электрическое поля, благодаря которому скорость электронов сильно увеличивается.

При этом должна быть создана электрическая цепь. Например, простая электрическая цепь состоит из:

источника — например батарейки;
проводника — например провода;
потребителя — например лампочки;
замыкателя — например выключателя.

Но это я забегаю веред, давайте обо всем по порядку. Начнем с источника.

Составные части электрических цепей

Как известно, для того, чтобы электрический ток в проводниках существовал длительное время необходимо, во-первых, существование разности потенциалов или напряжения, а во-вторых, восполнение необходимого количества разноимённых зарядов для возникновения этой разности потенциалов. Данным условиям соответствует некоторая совокупность элементов называемая электрической цепью.

Таким образом, электрической цепью называется совокупность устройств и объектов, которые образуют путь для электрического тока и электромагнитные процессы, в которых могут быть описаны с помощью понятий ЭДС, напряжения и электрического тока. Кроме того, для протекания электрического тока необходима замкнутая электрическая цепь. В общем случае электрическая цепь состоит из источника электрической энергии, приемника электрической энергии, соединительных проводов, а также вспомогательных элементов, выполняющих разнообразные функции.

Источником электрической энергии является устройство, которое выполняет преобразование неэлектрической энергии в электрическую. Например, аккумуляторы осуществляют преобразование энергии химических реакций в электрическую энергию, а генераторы – преобразование механической энергии. Таким образом, как известно из предыдущей статьи источники энергии называют также источниками ЭДС.

Приёмником электрической энергии, также называемые нагрузками является устройство, в котором выполняется действие противоположное источнику энергии, то есть электрическая энергия преобразуется в неэлектрическую. Например, в лампочке электрическая энергия преобразуется в световую и тепловую энергию, а в электродвигателе – в механическую энергию.

К вспомогательным устройствам относятся различные коммутирующие, распределительные и измерительные приборы и объекты.

Электрические цепи изображают на чертежах в виде принципиальных электрических схем, где каждому элементу электрической цепи соответствует свой графический элемент. Принципиальные схемы показывают назначение каждого элемента цепи, а также его взаимодействие с остальными элементами, однако при расчётах они не очень удобны. Поэтому при расчётах пользуются так называемыми схемами замещения, которые также как и принципиальные схемы изображаются с помощью графических элементов, однако элементы схем замещения выбираются так, чтобы с необходимым приближением описать работу электрической цепи. Пример изображения принципиальных электрических схем и схем замещения показано ниже

Принципиальная схема (слева) и схема её замещения (справа).

Схемы замещения состоят из следующих элементов: контур, ветвь и узел. Ветвь – это один элемент либо последовательное соединение нескольких элементов. Узел – место соединения трёх и более ветвей. Контур – замкнутый путь, проходящий по ветвям так, чтобы ни один узел и ни одна ветвь не встречались больше одного раза.

Таким образом, зная параметры всех элементов схемы замещения, возможно при помощи законов электротехники определить электрическое состояние всей электрической цепи, то есть рассчитать режим её работы.

Проверь себя

Задание 1.Какие существуют соединения проводников?

Последовательное
Параллельное
Смешанное
Все варианты верны

Задание 2.При последовательном соединении проводников общее сопротивление участка цепи:

Увеличивается
Уменьшается
Не изменяется

Задание 3.При параллельном соединении проводников общее сопротивление участка цепи:

Увеличивается
Уменьшается
Не изменяется

Задание 4.Как подключается амперметр в цепи?

Последовательно
Параллельно
Не имеет значения

Задание 5.Как подключается вольтметр в цепи?

Последовательно
Параллельно
Не имеет значения

Ответы: 1. — 4; 2. — 1; 3. — 2; 4. — 1; 5. — 2

Законы электрических цепей

Закон Ома

Пусть имеется однородный участок цепи — им может служить кусок металла постоянного сечения, все точки которого имеют одинаковую температуру, и пусть на концах этого проводника поддерживается неизменная разность потенциалов U. Тогда, согласно закону Ома, в однородном участке цепи сила тока пропорциональна разности потенциалов на концах участка:

U = IR, I = U/R, R = U/I

Существуют участки цепи, в которых зависимость силы тока от разности потенциалов на их концах нелинейна. В этом случае рассматривают среднее значение сопротивления:

Переходя к пределу при условии, что Di-> 0, получаем динамическое сопротивление:

Первый закон Кирхгофа — закон баланса токов в узле

Реальные электрические цепи включают в себя комбинации последовательно и параллельно соединенных нагрузок и генераторов. В рассчитывать разности потенциалов на всех участках цепи и силы токов в них, а также электродвижущие силы источников тока, входящих в данную цепь, можно с помощью закона Ома и закона сохранения заряда. Однако для упрощения расчетов Г. Кирхгофом были предложены два простых правила, нашедших широкое применение в электротехнике.

Первое из них относится к узлам разветвления цепи, в которых сходятся и из которых расходятся токи. Токи, подходящие к узлу, условились считать положительными, а токи, исходящие из узла — отрицательными. В этом случае в каждой точке разветвления проводов алгебраическая сумма всех сил токов равна нулю (первое правило Кирхгофа):

Электрический заряд в узле не накапливается.

Второй закон Кирхгофа

Алгебраическая сумма ЭДС источников питания в любом контуре равна алгебраической сумме падений напряжения на элементах этого контура:

Второе закон, по существу, является следствием закона Ома для неоднородного участка цепи.

Закон Джоуля — Ленца

Количество теплоты, выделяемое проводником с током I на сопротивлении R, прямопропорционально произведению квадрата силы тока, на сопротивление и на время прохождения тока:

Графические обозначения в электрических схемах

В части графических обозначений в электрических схемах ГОСТ 2.702-2011 ссылается на три других ГОСТ:

ГОСТ 2.709-89 «ЕСКД. Обозначения условные проводов и контактных соединений электрических элементов, оборудования и участков цепей в электрических схемах».
ГОСТ 2.721-74 «ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Обозначения общего применения»
ГОСТ 2.755-87 «ЕСКД. Обозначения условные графические в электрических схемах. Устройства коммутационные и контактные соединения».

Условные графические обозначения (УГО) автоматов, рубильников, контакторов, тепловых реле и прочего коммутационного оборудования, которое используется в однолинейных схемах электрических щитов, определены в ГОСТ 2.755-87.

Однако, обозначение УЗО и дифавтоматов в ГОСТ отсутствует. Думаю, в скором времени он будет перевыпущен и обозначение УЗО будет добавлено. А пока, каждый проектировщик изображает УЗО по собственному вкусу, тем более, что ГОСТ 2.702-2011 это предусматривает. Достаточно привести обозначение УГО и его расшифровку в пояснениях к схеме.

Дополнительно к ГОСТ 2.755-87 для полноты схемы понадобится использование изображений из ГОСТ 2.721-74 (в основном для вторичных цепей).

Все обозначения коммутационных аппаратов построены на четырех базовых изображениях:

с использованием девяти функциональных признаков:

Наименование	Изображение
1. Функция контактора
2. Функция выключателя
3. Функция разъединителя
4. Функция выключателя-разъединителя
5. Автоматическое срабатывание
6. Функция путевого или концевого выключателя
7. Самовозврат
8. Отсутствие самовозврата
9. Дугогашение
Примечание: Обозначения, приведенные в пп. 1 — 4, 7 — 9, помещают на неподвижных контактах, а обозначения в пп. 5 и 6 — на подвижных контактах.

Основные условные графические обозначения, используемые в однолинейных схемах электрических щитов:

Наименование	Изображение
Автоматический выключатель (автомат)
Выключатель нагрузки (рубильник)
Контакт контактора
Тепловое реле
УЗО
Дифференциальный автомат
Предохранитель
Автоматический выключатель для защиты двигателя (автомат со встроенным тепловым реле)
Выключатель нагрузки с предохранителем (рубильник с предохранителем)
Трансформатор тока
Трансформатор напряжения
Счетчик электрической энергии
Частотный преобразователь
Замыкающий контакт нажимного кнопочного выключателя без самовозврата с размыканием и возвратом элемента управления автоматически
Замыкающий контакт нажимного кнопочного выключателя без самовозврата с размыканием и возвратом элемента управления посредством вторичного нажатия кнопки
Замыкающий контакт нажимного кнопочного выключателя без самовозврата с размыканием и возвратом элемента управления посредством вытягивания кнопки
Замыкающий контакт нажимного кнопочного выключателя без самовозврата с размыканием и возвратом элемента управления посредством отдельного привода (например, нажатия кнопки-сброс)
Контакт замыкающий с замедлением, действующим при срабатывании
Контакт замыкающий с замедлением, действующим при возврате
Контакт замыкающий с замедлением, действующим при срабатывании и возврате
Контакт размыкающий с замедлением, действующим при срабатывании
Контакт размыкающий с замедлением, действующим при возврате
Контакт замыкающий с замедлением, действующим при срабатывании и возврате
Катушка контактора, общее обозначение катушки реле
Катушка импульсного реле
Катушка фотореле
Катушка реле времени
Мотор-привод
Лампа осветительная, световая индикация (лампочка)
Нагревательный элемент
Разъемное соединение (розетка):гнездоштырь
Разрядник
Ограничитель перенапряжения (ОПН), варистор
Разборное соединение (клемма)
Амперметр
Вольтметр
Ваттметр
Частотометр

Обозначения проводов, шин в электрических щитах определяется ГОСТ 2.721-74.

Наименование	Изображение
Линия электрической связи, провода, кабели, шины, линия групповой связи
Защитный проводник (PE) допускается изображать штрихпунктирной линией
Графическое разветвление (слияние) линий групповой связи
Пересечение линий электрической связи, линий групповой связи электрически не соединенных проводов, кабелей, шин, электрически не соединенных
Линия электрической связи с одним ответвлением
Линия электрической связи с двумя ответвлениями
Шина (если необходимо графически отделить от изображения линии электрической связи)
Ответвление шины
Шины, графически пересекающиеся и электрически не соединенные
Отводы (отпайки) от шины