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.

Основы электрических цепей

Как вода течет по водопроводу (по трубам, через краны, фильтры, счетчики и т.д.), так же электричество течет по цепи (проводам, электрическим и  электронным компонентам, через штекера и гнезда и т.д.). Электричество является одной из нескольких видов энергии, которая при своем течении может высвобождать свет, тепло, звук, радиоволны, механические движения, электромагнитные поля и т.д. Взять любую электротехнику (компьютер, мобильный телефон, электропечь, телевизор и т.д.), вся она содержит в себе электрические схемы, состоящие из различных электрических цепей, по которым течет ток, и на которых присутствует напряжение определенной величины и полярности.

Давайте более подробно разберем, что же собой представляет электрическая цепь, как именно по ней бежит ток. Итак, электрический ток — это упорядоченное движение электрических заряженных частиц. Напомню, что в твердых телах носителями электрического заряда являются электроны (частицы имеющие отрицательный заряд, он же минус). В жидкостях и газах носителями электрического заряда являются ионы (атомы и молекулы, у которых имеется недостаток электронов на своих орбитах, и имеющие положительный заряд, он же плюс). Чаще всего приходится иметь дело именно с движением электронов по электрической цепи именно в твердотельных проводниках (это металлы, кристаллы).

Электрическая цепь это некий замкнутый путь, по которому течет ток, бегут электрически заряженные частицы. Само перемещение этих частиц можно представить следующим образом. Как вам должно быть известно из уроков по физике все вещества состоят из атомов и молекул (мельчайшая частица самого вещества, его структурная составляющая). В твердых состояниях вещества атомы выстроены в определенном порядке, имеют так называемую кристаллическую решетку. У некоторых веществ электроны, что наиболее удалены от центра атома, могут легко отрываться от своего атома и переходить к соседнему. Так получается движение заряженных частиц внутри самого вещества.

Такие вещества являются проводниками электрического тока. Одни это делают хорошо, другие хуже (проводят ток). Если же взять такое вещество как медь (металл), который достаточно хорошо проводит через себя электричество и сделать из нее проволоку, то в итоге мы получим проводник электрического тока определенной длины.

[stextbox id=’alert’]Еще нужен источник тока, который в зависимости от своего принципа действия может на одном своем полюсе создавать переизбыток отрицательного заряда, а на другом — положительного (он же недостаток отрицательного). [/stextbox]

Чтобы пошел ток нужен как бы мостик, соединяющий эти самые противоположные полюса. В роли этого моста, для перехода электрического заряда с одного полюса на другой, и будет выступать замкнутая электрическая цепь, состоящая из различных проводников.

Электрическая цепь представляет собой совокупность устройств и объектов, образующих путь для электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий об электродвижущей силе, токе и напряжении. В электрической цепи постоянного тока могут действовать как постоянные токи, так и токи, направление которых остается постоянным, а значение изменяется произвольно во времени или по какому-либо закону.

К примеру, мы просто обычной медной проволокой соединим полюса источника питания. В итоге через проволоку потечет ток (тот самый переизбыток электрических зарядов). Это будет, пожалуй, самой простой электрической цепью, которая может только создавать короткое замыкание этого самого источника питания. Но все же это электрическая цепь. Более полезной электроцепью будет такая схема — источник питания (обычная батарейка), провода, переключатель и лампочка (рассчитанная на напряжение источника питания). Когда мы все это соединим друг за другом (последовательно) мы уже получим электрическую цепь, где течение тока будет приносить пользу в виде излучения света электрической лампочкой.

Естественно, подобными простыми электрическими цепями электротехника не ограничивается. Если правильно подключать различные электрические и электронные компоненты между собой, подсоединяя к ним источник питания, создавая различные функциональные схемы, можно в итоге получать все то разнообразие электроустройств, которое мы сейчас имеем. И все они имеют различные по сложности электрические цепи.

Интересно по теме: Как проверить стабилитрон.

Электроцепи и их элементы

Электрическая цепь представляет собой совокупность устройств и объектов, образующих путь для электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий об электродвижущей силе, токе и напряжении. В электрической цепи постоянного тока могут действовать как постоянные токи, так и токи, направление которых остается постоянным, а значение изменяется произвольно во времени или по какому-либо закону. Электрическая цепь состоит из отдельных устройств или элементов, которые по их назначению можно разделить на 3 группы.

Материал по теме: Как подключить конденсатор

Источники питания цепи постоянного тока — это гальванические элементы, электрические аккумуляторы, электромеханические генераторы, термоэлектрические генераторы, фотоэлементы и др. Все источники питания имеют внутреннее сопротивление, значение которого невелико по сравнению с сопротивлением других элементов электрической цепи.

Электроприемниками постоянного тока являются электродвигатели, преобразующие электрическую энергию в механическую, нагревательные и осветительные приборы и др. Все электроприемники характеризуются электрическими параметрами, среди которых можно назвать самые основные — напряжение и мощность.

[stextbox id=’info’]Для нормальной работы электроприемника на его зажимах (клеммах) необходимо поддерживать номинальное напряжение. Для приемников постоянного тока оно составляет 27, 110, 220, 440 В, а также 6, 12, 24, 36 В.[/stextbox]

Графическое изображение электрической цепи, содержащее условные обозначения ее элементов и показывающее соединения этих элементов, называется схемой электрической цепи. Элементами электрической цепи являются различные электротехнические устройства, которые могут работать в различных режимах.

Режимы работы как отдельных элементов, так и всей электрической цепи характеризуются значениями тока и напряжения. Поскольку ток и напряжение в общем случае могут принимать любые значения, то режимов может быть бесчисленное множество.

Режим холостого хода — это режим, при котором тока в цепи нет. Такая ситуация может возникнуть при разрыве цепи. Номинальный режим бывает, когда источник питания или любой другой элемент цепи работает при значениях тока, напряжения и мощности, указанных в паспорте данного электротехнического устройства.

Эти значения соответствуют самым оптимальным условиям работы устройства с точки зрения экономичности, надежности, долговечности и пр.Режим короткого замыкания — это режим, когда сопротивление приемника равно нулю, что соответствует соединению положительного и отрицательного зажимов источника питания с нулевым сопротивлением.

Последовательное соединение элементов цепи

В этом случае все элементы подключаются к цепи друг за другом. Последовательное соединение не дает возможности получить разветвленную цепь — она будет неразветвленной. На рис. 1 показан пример последовательного соединения элементов в цепи.

В нашем примере взяты два резистора. Резисторы 1 и 2 имеют сопротивления R1 и R2. Поскольку электрический заряд в этом случае не накапливается (постоянный ток), то при любом сечении проводника за определенный интервал времени проходит один и тот же заряд. Из этого вытекает, что сила тока в обоих резисторах равная:

I = I1 = I2

А вот напряжение на их концах суммируется:

U = U1 + U2

Согласно закону Ома, для всего участка цепи и для каждого резистора в отдельности полное сопротивление цепи будет:

R = R1 + R2

В случае последовательного соединения проводников напряжения и сопротивления можно выразить соотношением:

U1/U2 = R1/R2

Параллельное соединение проводников

Когда два проводника соединяются параллельно, электрическая цепь имеет два разветвления. Точки разветвления проводников называют узлами. В них электрический заряд не накапливается, т. е. электрический заряд, поступающий за определенный промежуток времени в узел, равен заряду, уходящему из узла за то же время. Из этого следует, что:

I = I1 + I2

где I — сила тока в неразветвленной цепи.

При параллельном соединении проводников напряжение на них будет одно и то же. Обозначим сопротивления параллельно соединенных двух проводников R1 и R2. Используя закон Ома для участков электрической цепи с данными сопротивлениями, можно выявить, что величина, обратная полному сопротивлению участка ab, равна сумме величин, обратных сопротивлениям отдельных проводников, т. е.:

1/R = 1/R1 + 1/R2

Из этого вытекает:

R = R1R2/(R1 + R2)

Данная формула справедлива только для определения общего сопротивления двух проводников, соединенных параллельно. Величину, обратную сопротивлению, называют проводимостью. При параллельном соединении проводников их сопротивления и сила тока связаны соотношением:

I1/I2 = R2/R1

Соединения конденсаторов

У конденсаторов существует также два вида соединения: последовательное и параллельное.

Последовательное соединение. В этом случае обкладка одного конденсатора, заряженная отрицательно, соединена с обкладкой другого конденсатора, заряженного положительно. На рис. 3 показан пример последовательного соединения конденсаторов.

При данном типе соединения действует следующее правило: величина, обратная емкости батареи конденсаторов при последовательном соединении, равна сумме величин, обратных емкостям отдельных конденсаторов. Из этого следует:

1/С = 1/С1 + 1/С2 + 1/С3 + …

При этом типе соединения емкость батареи конденсаторов меньше емкости любого из конденсаторов.

Параллельное соединение. При параллельном соединении конденсаторов положительно заряженные обкладки соединены с положительно заряженными, а отрицательно заряженные — с отрицательными (рис. 4).

В этом случае емкость батареи конденсаторов будет равна сумме электрических емкостей конденсаторов:

С = С1 + С2 + С3 + …

Соединения источников тока

При параллельном способе соединения источников тока соединяют между собой все положительные и все отрицательные полюсы. Напряжение на разомкнутой батарее будет равно напряжению на каждом отдельном источнике, т. е. при параллельном способе соединения ЭДС батареи равна ЭДС одного источника. Сопротивление батареи при параллельном включении источников будет меньше сопротивления одного элемента, потому что в этом случае их проводимости суммируются.

При последовательном соединении источников тока два соседних источника соединяются между собой противоположными полюсами. Разность потенциалов между положительным полюсом последнего источника и отрицательным полюсом первого будет равна сумме разностей потенциалов между полюсами каждого источника.

[stextbox id=’alert’]Из этого вытекает, что при последовательном соединении ЭДС батареи равна сумме ЭДС источников, включенных в батарею. Общее сопротивление батареи при последовательном включении источников равняется сумме внутренних сопротивлений отдельных элементов.[/stextbox]

Расчет электрических цепей

Основой расчета электрических цепей является определение силы токов в отдельных участках при заданном напряжении и заранее известном сопротивлении отдельных проводников. Допустим, общее напряжение на концах цепи нам известно. Известны также сопротивления R1, R2 … R6 подсоединенных к цепи резисторов R1, R2, R3, R4, R5, R6 (сопротивление амперметра в расчет не принимается). Следует вычислить силу токов I1, I2, … I6.

В первую очередь, нужно уточнить, сколько последовательных участков имеет данная цепь. Исходя из предложенной схемы, видно, что таких участков три, причем второй и третий содержат разветвления. Допустим, что сопротивления этих участков R1, R’, R”. А значит, все сопротивление цепи можно выразить как сумму сопротивлений участков:

R = R1 + R’ + R”

где R’ — общее сопротивление параллельно соединенных резисторов R2, R3 и R4, a R” — общее сопротивление параллельно соединенных резисторов R5 и R6. Применяя закон параллельного соединения, можно вычислить сопротивления R’ и R”:

1/R’ = 1/R2 + 1/R3 + 1/R4 и 1/R” = 1/R5 + 1/R6

Для того чтобы определить силу тока в неразветвленной цепи с помощью закона Ома, нужно знать общее сопротивление цепи при заданном напряжении. Для этого следует воспользоваться формулой:

I = U/R

Из всего вышеизложенного можно вывести, что I = I1.

Но для определения силы тока в отдельных ветвях следует сначала вычислить напряжение на отдельных участках последовательных цепей. Опять же с помощью закона Ома можно записать:

U1 = IR1; U2 = IR’; U3 = IR”

Теперь, зная напряжение на отдельных участках, можно определить силу тока в отдельных ветвях:

I2 = U2/R2; I3 = U2/R3; I4 = U2/R4; I5 = U3/R5; I6 = U3/R6

Бывают случаи, когда нужно вычислить сопротивления отдельных участков цепи по уже известным напряжениям, силе токов и сопротивлении других участков, а также определить нужное напряжение по заданным сопротивлениям и силе токов. Метод расчета электрических цепей всегда одинаков и основан на законе Ома.

Состав электрической цепи

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

Источники питания. Внутренняя, внешняя электрическая цепь

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

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

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

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.

https://www.youtube.com/watch?v=rsDnlddk8ds

Выключатель

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

Провода

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

• Сопротивление участка цепи.
• Электрический ток.

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

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

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

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

Заключение

Электрическая цепь представляет собой группу заранее изготовленных элементов, соединенных определенным образом и предназначенных для протекания по ним электрического тока. Разница между активными и пассивными элементами электрической цепи заключается в следующем – активные элементы способны самостоятельно создавать в цепи ток, а пассивные могут только потреблять или накапливать электрическую энергию. Более подробно о создании, строении электроцепей можно узнать из материала Учебное пособие по электротехнике.

Если у вас остались вопросы, можно задать их в комментариях на сайте. Также в нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессионалов. Для этого приглашаем читателей подписаться и вступить в группу. В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию во время подготовки материала:

www.electrohobby.ru

www.mukhin.ru

www.websor.rul

www.vashtehnik.ru