Елементи на електрическата схема. Електрическа верига и нейните компоненти
Истински електрическа верига - набор от устройства, предназначени за предаване, разпределение и преобразуване на енергия. Съдържа източници на електрическа енергия, приемници на електрическа енергия, измервателни уреди, комутационно оборудване, свързващи линии и проводници. Електрическа веригае съвкупност от свързани по определен начин консуматори (или съответно активни и пасивни елементи) и преобразуватели на електрическа енергия. Веригата се нарича пасивенако се състои само от пасивни елементи, и активенако съдържа и активни елементи.Източник на електрическа енергиясе нарича елемент от електрическа верига, който преобразува неелектрическата енергия в електрическа енергия. Потребител на електрическа енергиясе нарича елемент от електрическа верига, който преобразува електрическата енергия в неелектрическа енергия. Преобразувател на електрическа енергиясе нарича устройство, което променя количеството и формата на електрическата енергия.
Магнит, който се движи близо до електрическа верига, като намотка, генерира електрически ток в тази верига, който циркулира в посока, обратна на изместването на магнита. Именно този феномен позволява производството на генератори и електрически двигатели.
В генератор на електроцентрала това са електромагнити, които се въртят вътре в намотката и генерират променлив ток вътре в бобина, свързана към външна верига. Когато намотката е свързана към външна верига, се генерира ток, който, като електродвижеща сила, ще варира в зависимост от синусоидалната функция, както е показано на фигурата. Този ток се нарича синусоидален променлив ток. Променливият ток е променлива, която се променя във времето в съответствие със синусоидалното изменение, което е функция на амплитудата и честотата и фазата, което зависи от началото на времето.
За да се извърши изчислението, е необходимо всяко електрическо устройство да го представи еквивалентна схема... Еквивалентната схема на електрическа верига се състои от набор от идеализирани елементи (резистор, кондензатор, индуктор).
Волтаж :
Извиква се връзката между тока и напрежението на елемента на веригата характеристика на токовото напрежение (VAC)елемент, който обикновено се изобразява графично.
Характеризира се с период, който е интервалът от време между два последователни пика, и честота, която е броят на периодите за единица време. Честотата е константа по цялата дължина на мрежата, тъй като всички генератори се въртят със същата скорост. В света има две основни честотни стойности.
В електрическите системи синусоидалният променлив ток е най-често срещаната форма за генериране, транспортиране и използване на електрическа енергия. Съществува обаче друга форма на ток и напрежение, при които електрическа енергия може да се произвежда, транспортира и използва: постоянен ток. Основната му характеристика, подобно на напрежението, е, че амплитудата му е постоянна във времето.
Като потребител в теорията на електрическите вериги постоянен ток има резистор, характеризиращ се със съпротивление (R), за който важи законът на Ом:
Идеализиран източник на токЕ елемент на веригата, чийто ток не зависи от напрежението и е дадена постоянна стойност.
При реален източник на ток генерираният ток намалява с увеличаване на напрежението. Всеки реален източник на ток може да бъде преобразуван в идеализиран, както следва:
Приложение на ниво приемник
Има два вида устройства на това ниво. Уреди, работещи на променлив ток директно под напрежение в мрежата: осветление, отопление и всички приемници, съдържащи двигатели. Също така в индустрията всички устройства, които работят с двигатели или изискват висока мощност, се захранват с променлив ток. Електронните приемници не работят с променлив ток, а само с постоянен ток ниско напрежение... Те работят с променливотоково захранване от променливотоков контакт, използвайки специално устройство, наречено променливотоков адаптер, което превключва променливотоковото захранване от променливотоковия контакт в постоянен ток. В повечето електронни устройства адаптерът е вграден в устройството, което се захранва от захранването. Суперпозицията на два тока от различно естество, като постоянен ток и променлив ток, може да бъде изненадваща, тъй като включва устройства за преобразуване за използване на едно от друго.
Комбинирайки тези две формули, получаваме:
За източник на обратен ток
Комбинираната форма на обобщения закон на Ом за клонове, съдържащи текущ източник:
Където горната маркировка съответства на диаграмата, в която U J и J съвместно режисиран.
Структура на електрическата верига.
Клонелектрическа верига се нарича секция, елементите на която са свързани последователно един след друг и се обикалят от същия ток.
Всъщност това съществуване е историческо. Първото използване на електричество беше посветено на градското осветление, проектирано в Ню Йорк от Томас Едисон и в Гренобъл от Аристид Бергес. Те бяха в постоянен ток, произведен от натоварващите клетки на Gramme (член 026). Нарастващото търсене на електрически инсталации доведе до увеличаване на интензитета на тока, което изисква увеличаване на диаметъра на проводниците и, следователно, тяхното тегло и цена, което доведе до ситуация на запушване.
Тогава видяхме появата на променлив ток, генериран от генератори с въртящо се поле във връзка с откриването на трансформатор от Lucien Gaoulard и Josiah Willard Gibbs, което позволи да се промени напрежението според нуждите. Тогава беше възможно да се произвежда при ниско или средно напрежение и след това, за транспортиране, да се повиши напрежението, за да се ограничат загубите и напречното сечение на проводниците и накрая да се използва за намаляване на напрежението, за да се адаптира към характеристиките на приемащото устройство.
Възелелектрическа верига е кръстовището на няколко клона. Възелът свързва поне три клона и е точка на разклонение.
Клоновете се считат за свързани последователно,ако са облети от същия ток. Клоновете се считат за свързани успоредно,ако са прикрепени към една и съща двойка възли.
Никола Тесла предложи този тип ток. По търговски причини Томас Едисон отхвърли, че е убивал животни на публичен площад, за да демонстрира опасностите от високо напрежение. Това обаче беше променлив ток, който по икономически и практически съображения надделя и се превърна в универсално средство за производство, транспорт и в повечето случаи използване на електричество.
Днес обаче електротехниците преоткриват постоянен ток благодарение на еволюцията на технологиите, които позволяват инсталации за постоянен ток с високо напрежение, което му дава нов интерес към транспорта на дълги разстояния или към подземните или подводните връзки. Материалът се състои от химични елементи... Най-малкият елемент е атом.
Контурелектрическа верига се нарича набор от последователни клонове. Възлите, в които тези клонове се свързват, са точки на разклонения. При обхождане затворенначалните и крайните точки на контура са еднакви.
Извиква се верига, в която няма клонове едно верига,ако има клонове - много верига.Много веригата се характеризира с броя на независимите вериги. Наборът от независими контури се определя от факта, че всеки от следващите контури, започвайки от елементарния, се различава поне в един нов клон. Броят на независимите контури може да се определи по формулата на Ойлер:
Самият атом е изграден от електрони, протони и неутрони, които служат като лепило между протоните. Атомното ядро \u200b\u200bе показано в синьо. Електроните са много малки частици, отрицателно заредени, които се въртят около ядрото, като спътници около Земята.
От друга страна, протоните са заредени положително. Електроните лесно се отделят от атом и могат да бъдат заредени върху друг атом. Когато претоварената повърхност на електроните е в контакт с повърхност, която се разтоварва в електрони, това причинява искри и пукнатини: електричество.
Някои вещества се привличат към леки предмети след триене. Можете да разтриете балон върху пуловер и след това да си го представите над главата на някой с къса коса. Когато свалите акрилния си пуловер, електроните се отделят и например се нанасят върху косата ви. След това чувате хрипове. Ако сте на тъмно, може да видите малки искри като мълния.
Кога паралелно връзка, ролята на еквивалентна проводимост (или проводимостта на еквивалентен потребител) се играе от сумата на проводимостта на всички консуматори (фиг. 1.12.).
9-10) Еквивалентна трансформация "Звезда - триъгълник"
На възли а, б, ° С както триъгълника, така и звездата на фиг. 1.14. свържете се към останалата част от веригата. Преобразуването на триъгълник в звезда трябва да бъде такова, че за същите стойности потенциалите на едноименните точки на триъгълника и звездата, теченията, които текат към тези точки, бяха еднакви, тогава цялата външна верига "няма да забележи" замяната.
При гръмотевични облаци силните въздушни течения причиняват триене между частици вода или лед. Тези облаци образуват положителни и отрицателни слоеве. След това мълния се появява в облаците или между облака и земята. Средната гръмотевична буря произвежда електричество от малка атомна електроцентрала.
Можете да се движите и да контролирате посоката на движение на електроните. Извиква се постоянен поток от електрони токов удар... Елементът, който организира движението на електроните, се нарича генератор. Проводимите материали са съставени от атоми, които имат поне един подвижен електрон, който може свободно да циркулира от един атом в друг.
Нека изразим U ab на триъгълника през параметрите на консуматорите и токовете, протичащи към тези възли. Нека напишем уравнения на Кирххоф за контура и възлите a и b.
Заменете токовете в първото уравнение Аз 3 и Аз 2 към съответните изрази:
Сега получаваме израз за същото напрежение, когато свързваме потребителите със звезда:
По този начин , съпротивлението на звездния лъч е равно на произведението на съпротивленията на съседните страни на триъгълника, разделено на сумата от съпротивленията на трите страни на триъгълника.
Електрическият ток е постоянен поток от електрони, който се движи във верига винаги в една посока, а броят на електроните в циркулация се измерва във ватове. В "електроцентралите" няколко много мощни магнита се въртят в няколко намотки, които имат хиляди обороти, потокът на електрони става значителен.
Всички вериги съдържат източник на захранване, проводник, в който може да тече ток, и един или повече резистори. Защо да започнем курс по оборудване с концепции за електроника? Също така ще е необходимо да се знаят характеристиките на различните компоненти, които, дори когато са много сложни, са направени от малък брой основни компоненти: резистори, кондензатори, намотки, полупроводници, това е всичко! Но това е и минималната база.
Формулите за обратно преобразуване могат да бъдат изведени независимо или като следствие от съотношенията чрез проводимостта:
Или чрез съпротива:
11) Баланс на мощността.
Според закона на Джоул-Ленц цялата електрическа енергия, предадена на проводник в резултат на работата на силите електрическо поле, се превръща в топлинна енергия:
И накрая, ще трябва да използваме мултицет, за да направим измервания като напрежение или проверка на щифт или кабел. Някои концепции за агрегатите, използвани от електротехниците, няма да са твърде големи. Електрическият заряд е свойство на някои елементарни частици... В древни времена гърците са наблюдавали появата на тези заряди, като са търкали кехлибар върху тъканта. Натовареният по този начин кехлибар може да привлече леки предмети. Тази сила на привличане е сравнима с привличането на маси, ако има два вида електрически заряди и се забелязва, че тези електростатични сили се привличат и отблъскват.
Според обобщения закон на Ом.
Оттук следва закона за запазване на енергията, според който алгебричната сума на мощностите, подадени на всички клонове на разклонената електрическа верига, е равна на нула:
Има и друга форма на запис на баланса на мощността:
От лявата страна се сумират мощностите на енергийните източници, а от дясната - мощностите, преобразувани в топлина при потребителите. Капацитетите, които отделят енергия, се вземат със знак „+“, а работещите в режим на консуматори - със знака „-“.
Бенджамин Франклин, по-специално неговите експерименти с мълнии, който след изучаване на електрическите заряди произволно реши да назове някои положителни и други отрицателни, което му позволи да заяви своето поведение: обвинения в противоположни знаци привличат тези, които имат същите знаци отразяват себе си.
Всички сме виждали и преработвали опита на триене на пластмасов предмет срещу плат, за да го наелектризираме и да привличаме малки парченца хартия. Това преживяване е възможно само при използване на изолационни материали. Електрическите товари могат да се натрупват локално и да се разсейват в проводника.
12) Изчисляване на неразклонени електрически вериги
Основата за изчисляване на едноконтурни (неразклонени) електрически вериги, съдържащи източници от двата вида и консуматори, са разглежданите по-рано закони на Ом и Кирххоф.
Ако няма верига текущи източници, и потребителски параметри ( R)и източници на напрежение ( Е.), тогава задачата обикновено е да се определи тока на контура. Положителната посока на желания ток се избира произволно и се съставя уравнение:
Феномен статично електричество разположен в началото на мълнията, той също е източник на електрически разряди, когато изваждаме дрехи от сушилнята и изхвърляния, които понякога ни изненадват, когато излизаме от кола. Статично електричество може да възникне и когато краката са прикрепени към килимите при сухи метеорологични условия. Това явление може да бъде опасно за електронните компоненти и техниците, преди да докоснете електронните карти, не забравяйте да носите тези товари твърде важни за някои чувствителни компоненти.
Статичното електричество се използва в някои устройства, главно за нас, копирни машини и лазерни принтери. Изместване на свободни електрони в проводник. За да бъдем достатъчно точни, трябва да говорим за електрически заряди... Обикновено това са електрони в метален проводник, но понякога това са йони, т.е. електрически заредени атоми. Това се случва в случай на електрически разряди в йонизиран газ или йони в електролит.
Ако е във веригата, с изключение на потребителя ( R) и източници на ЕМП ( Е.), има текущ източник ( J), тогава проблемът обикновено се свежда до определяне на напрежението в източника на ток U J защото контур ток Аз съвпада с посочения ток на източника J. Положителна полярност U J се избира произволно, но за предпочитане е да поставите знак "+" на върха на стрелката (тази полярност съответства на формулата :). Истинска полярност U J съвпада с избрания, ако по време на изчислението U J се изразява като положително число и е противоположно на избрания ако U J. Желан спад на напрежението в източника на ток U J при липса на източници на ЕМП се определя по формулата.
Свободните електрони са електрони, които лесно премахват първоначалните си атоми. Свободните електрони се намират в проводими материали, главно метали. Изолаторите са изградени от атоми, които не преминават лесно през електроните им. Потокът на ток е практически невъзможен, няма перфектен проводник и обратно, изолаторите също не са перфектни.
Помислете за стартиране на най-простата електрическа верига: прост цикъл. Вляво електрическият генератор действа като помпа, която ще циркулира "електрическата течност", при условие че контурът не е прекъснат от прекъсвача. Интересно е да се направи аналогия между тока в електрическа верига и циркулацията на течността в хидравличната верига. Това сравнение ви позволява да си представите по-добре какво е напрежението и тока.
13) Метод на пропорционална стойност.
В най-отдалечения от източника клон ( R 6) се задават от определена стойност на тока или напрежението. За удобство на изчисленията това обикновено е 1A или 1B. След това, преминавайки към началото на веригата, токовете и напреженията на всички клонове се определят на свой ред до клона, съдържащ източника. Това определя какво напрежение U вход и ток Аз в х ... трябва да има източник, за да индуцира във всички клонове токовете и напреженията на изчислените стойности. Ако ЕМП ( Е.) или задвижващ ток ( J) не съвпадат с тези стойности, тогава е необходимо пропорционално да се изменят изчислените стойности на токовете и напреженията на клоните, като се умножат по отношението или.
Сравнението между хидравлична и електрическа верига обаче има някои ограничения. Водата се придвижва в незаети пространства, като празни тръби или на открито, оставяйки кран. Електричеството, от друга страна, трябва да се движи в затворен кръг от проводими материали.
Напрежението е подобно на разликата в налягането между двете точки в хидравличната верига, които карат течността да циркулира, от точката, в която налягането е най-високо до най-ниското налягане. Разликата в напрежението или потенциала се изразява във волта.
Аз 3 може да се определи от I закон на Kirchhoff:
U 24 се определя съгласно II закон на Kirchhoff:
14) Методът на еквивалентни трансформации. Формула на токове в паралелни разклонения.
Разклонената верига с един източник обикновено се опростява чрез преобразуване в неразклонена.
По-нататъшно изчисление:
Текущ Аз 3 определено от закона на Кирххоф:
При извършване на изчисления е удобно да се използва формула за токове в два паралелни пасивен клонове... Нека го изведем на примера на схема. Законното напрежение на Ом се определя по формулата
15) Метод на уравненията на Кирххоф.
Определете теченията на клоните и произволно изберете тяхната положителна посока.
Изберете свободно въртящ възел и популация p \u003d m - n +1 независими вериги.
За всички възли, с изключение на референтния, съставете уравнения съгласно I закона на Kirchhoff. Трябва да има такива уравнения ( н -1).
За всеки избран контур съставете уравнения съгласно закона на Кирххоф II. Трябва да има такива уравнения стр.
Система м Уравнения на Кирххоф с м неизвестните токове се решават заедно и се определят числените стойности на токовете.
Ако е необходимо, изчислете напреженията на разклоненията или потенциалната разлика на възлите, като използвате обобщения закон на Ом.
Проверете правилността на изчислението, като използвате баланса на мощността.
16) Метод на контурния ток
Петличните токове се приемат като търсените. Броят на неизвестните в този метод е равен на броя на уравненията, които би трябвало да бъдат съставени за схемата съгласно II закон на Kirchhoff, т.е. ... Въз основа на II закон на Kirchhoff
От намерените контурни токове, използващи закона на I Kirchhoff, се определят токовете на клоните.
По този начин методът за изчисляване на постояннотокова верига с помощта на метода на контурния ток е както следва:
Случайно изберете популация стр независими вериги, приложете върху веригата положителната посока на токовете на веригата, протичащи в избраните вериги.
Определете собствени, общи съпротивления и контурна ЕМП и ги заместете в система от уравнения на формата.
Вътрешно съпротивление на веригата (R ii ) е аритметичната сума на съпротивленията на всички потребители, намиращи се в iти контур.
Контурна ЕМПпредставляват алгебричната сума на EMF на източниците, включени във веригата. Със знака „+” тази сума включва ЕМП на източници, действащи в съответствие с байпаса на веригата, а със знака „-” ЕМП на източници, действащи в противоположни посоки.
Решете получената система от уравнения за контурни токове, използвайки метода на Cramer.
Определете токовете на клоните през контурните токове съгласно закона на I Kirchhoff.
Проверете верността на изчисленията, като използвате баланса на мощността.
17) Метод на възловите потенциали.
В случай, че p-1 - брой възли, стр - броят на независимите контури), този метод е по-икономичен от метода на контурния ток. Произхожда от първия закон на Кирххоф и обобщения закон на Ом (чрез потенциали).
Вътрешната проводимост на възела (G ii )
е аритметичната сума на допусканията на всички разклонения, свързани в ith възел.
Определете всички клонови токове и тяхната положителна посока.
Свободно изберете референтен възел (?
н )
и номерирайте всички останали ( н-1)-е възли.
Определете вътрешната и общата проводимост на възлите, както и възловите токове, т.е. изчислете коефициентите в системата от уравнения.
Общата проводимост на i-тия и j-тия възел (G ij \u003d G джи ) е сумата от допуските на клоните, свързани едновременно с аз-о и j-ти възли.
Проводимостите на клоните с източници на ток се приемат за нула и не са включени във вътрешната и общата проводимост!
Нодален ток (J ii ) се състои от две алгебрични суми: първата съдържа токовете на текущите източници, съдържащи се в клоните, свързани в аз -ома възел; вторият е произведението на ЕМП на източници на напрежение от проводимостта на съответните разклонения, свързани в аз -ома възел. Със знак „+“ тази сума включва Е. и J източници, действие
Класификация на електрическите вериги и техните елементив
Електрическа веригаизвикайте набор от устройства и предмети, предназначени за разпределение, взаимно преобразуване и предаване на електрическа и други видове енергия и (или) информация... Схемата изпълнява предназначението си, когато в нея има електрически ток. Електромагнитните процеси във верига и нейните параметри могат да бъдат описани с помощта на интегрални понятия, известни от курса по физика: ток, напрежение (потенциална разлика), заряд, магнитен поток, електромоторна сила, съпротивление, индуктивност, взаимна индуктивност и капацитет.
Трябва да се отбележи, че в теорията на полето се дава дефиницията на интегрални понятия (като ток и напрежение), характеризиращи електрическа верига. Изчисляването на параметрите на веригата (съпротивления, индуктивности, капацитети) в общия случай също е възможно само с помощта на понятия, използвани в теорията на полето.
Електрическата верига се състои от отделни части (обекти), които изпълняват специфични функции и се наричат \u200b\u200bелементи на веригата.
Основните елементи на веригата са източници и приемници на електрическа енергия ( сигнали).
Енергиен източник (сигнали ) , като електромеханични или електронни генератори, батерии, галванични елементи, температурни сензори и др., са предназначени да преобразуват различни видове енергия в електрическа енергия.
Приемници на енергия (сигнали ) служат за преобразуване на електрическата енергия в други видове енергия. Те включват електрически двигатели, нагреватели, електрически лампи, електронно-лъчеви тръби, динамични високоговорители и др.
В допълнение към основните елементи, веригата съдържа различни спомагателни елементи, които свързват източници към приемници (свързващи проводници, предавателни линии), потискат или усилват определени сигнални компоненти (филтри, усилватели), променят нивото на напрежение и ток в други части на веригата (трансформатори), подобряват или промяна на характеристиките и параметрите на участъците от веригата и нейните елементи (коригиращи устройства, фазови връзки) и др.
По предназначение има схеми за предаване и преобразуване на електрическа енергия (вериги, използвани в електроенергийната индустрия) и схеми за предаване и преобразуване на информация (схеми в комуникационната техника, радио вериги, схеми за автоматизация и устройства за телемеханика и др.).
Веригите могат да бъдат класифицирани според типа елементи, от които са направени например резистивни вериги - вериги, състоящи се от резистори и енергийни източници, електронни схеми - схеми, съдържащи вакуумни тръби и транзистори и др.
На всеки елемент от веригата може да бъде определен определен брой скоби (стълбове, проводници),с помощта на която се свързва с други елементи.
Разграничаване между двуполюсен и многополюсен(триполюсни, четириполюсни и т.н.) елементи на веригата. Двуполюсните елементи имат два извода; те включват енергийни източници (с изключение на многофазни и контролирани източници), резистори, кондензатори, индуктивни намотки.
Най-често срещаните триполюсни елементи са вакуумни тръби (вакуумни триоди) и транзистори (полупроводникови триоди). 4
Примери за четириполюсни елементи са трансформатори (двунамотачни), индуктивни намотки с отклонение (пристрастни дросели), интегрирани операционни усилватели.
Използват се и верижни елементи с повече от четири терминала (например многовиточни трансформатори, различни микромодули - твърди електронни компоненти, многоелектродни вакуумни тръби).
Разграничете активни и пасивни елементи на веригата... Енергийните източници принадлежат към активните елементи. Често активните елементи се наричат \u200b\u200bоще вакуумни лампи, транзистори, операционни усилватели, които са способни да усилват електрическите сигнали. Пасивни елементи са тези, при които енергията се разсейва и (или) натрупва (резистори, индуктивни намотки, кондензатори, трансформатори).
Ако елемент от веригата се характеризира с линейни алгебрични или диференциални уравнения (с споменатата по-горе идеализация), тогава той се нарича линейна... Коефициентите, свързващи напрежения и токове и техните производни представляват параметрите на елемента. Параметри на линейни елементиможе да бъде постоянен (стационарен елемент) или може да се променя в зависимост от времето според някакъв закон (нестационарен, параметричен елемент).
Ако елемент от верига е описан чрез нелинейни алгебрични или диференциални уравнения, тогава той се нарича нелинеен. Нелинейните характеристики също могат да бъдат параметрични.
В много случаи параметрите на даден елемент се считат за сглобени (елемент с фиксирани параметри); в този случай напреженията и токовете на клемите на елемента не са функции на пространствените координати, които определят геометричните размери на елемента. Параметрите на елементите също могат да бъдат разпределени (елемент с разпределени параметри); такъв елемент се характеризира с уравнения, в които напреженията и токовете зависят от пространствените координати. Като примери за предмети с разпределени параметримогат да се назоват линии за предаване на енергия и информация, многослойни филмови резистивно-капацитивни микроструктури.
Елементи на електрическа верига могат или не могат да отговарят на принципа на реципрочност. Опростен, принципът на реципрочност е както следва: реакцията на веригата в раздел 1 от смущението в раздел 2 е равна на реакцията в раздел 2 от същото смущение в раздел 1. Математическата формулировка на този принцип и неговите илюстрации са дадени по-долу. В съответствие с това се разграничават взаимни и нереципрочни елементи. Примери за реципрочни елементи са резистори, индуктивни намотки, кондензатори, трансформатори; невзаимните елементи включват вакуумни тръби, транзистори и др.
Ако верига съдържа един или повече параметрични елементи, тогава тя се нарича параметрична (нестационарна).
По същия начин, ако верига съдържа един или повече нелинейни елементи, тогава тя се нарича нелинейна. За нелинейна схема принципът на суперпозицията обикновено не е приложим.
Можете също да говорите за активен и пасивенвериги. Веригата се счита за активна, ако по отношение на някои терминали тя е източник на енергия. Тази верига съдържа активни елементи. В противен случай веригата се нарича пасивна.