Электрические цепи, элементы электрических цепей. Условные обозначения элементов электрической цепи

Электротехнические устройства очень важны в жизни современного цивилизованного человека. Но для их работы необходимо соблюдение целого ряда требований. В рамках статьи мы внимательно рассмотрим электрические цепи, элементы электрических цепей и как они функционируют.

Что нужно для работы электротехнического устройства?

Для его функционирования должна быть создана электрическая цепь. Её задача – передавать энергию устройству и обеспечивать требуемый режим работы. Что же называют электрической цепью?

Так обозначают совокупность объектов и устройств, которые образуют путь передвижения тока. При этом электромагнетические процессы могут быть описаны с помощью знаний об электрическом токе, а также тех, что предлагает электродвижущая сила и напряжение. Стоит отметить, что, говоря о таком понятии, как элемент электрической цепи, сопротивление в данном случае будет играть довольно значительную роль.

Нюансы графической маркировки

Чтобы удобнее было анализировать и рассчитывать электрическую цепь, её изображают в виде схемы. В ней содержатся условные обозначения элементов, а также способы из соединения. В целом, что собой представляет электрическая цепь в виде схемы, хорошо дают понять, использованные в статье фотографии. Периодически можно встретить рисунки с иными схемами. Почему это так? Обозначения элементов электрической цепи схем, созданных на территории СНГ и других стран, немного разнятся. Это происходит из-за использования различных систем графической маркировки.

Основные элементы электрической цепи, в зависимости от конструкции и роли в схемах, могут быть классифицированы по разным системам. В рамках статьи их будет рассмотрено три.

Виды элементов

Условно их можно разделить на три группы:

1. Источники питания. Особенностью данного вида элементов является то, что они могут превращать какой-то вид энергии (чаще всего химическую) в электрическую. 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).
2. Потребители энергии. Они преобразовывают электрический ток во что-то другое (освещение, тепло).
3. Вспомогательные элементы. Сюда относят различные составляющие, без которых реальная цепь не будет работать, как то: коммутационная аппаратура, соединительные провода, измерительные приборы и прочее, подобное по назначению.

Все элементы охвачены одним электромагнитным процессом.

Как трактовать изображения на практике?

Чтобы рассчитать и проанализировать реальные электрические цепи, используют графическую составляющую в виде схемы. В ней, размещённые элементы изображаются с помощью условных обозначений. Но здесь есть свои особенности: так, вспомогательные элементы обычно на схемах не указываются. Также, если сопротивление у соединительных проводов значительно меньше, чем у составляющих, то его не указывают и не учитывают. Источник питания обозначается как ЭДС. При необходимости подписать каждый элемент, указывается, что у него внутреннее сопротивление r0. Но реальные потребители подставляют свои параметры R1, R2, R3, …, Rn. Благодаря этому параметру, учитывается способность элемента цепи преобразовывать (необратимо) электроэнергию в другие виды.

Элементы схемы электрической цепи

Условные обозначения элементов электрической цепи в текстовом варианте представлены быть не могут, поэтому они изображены на фото. Но всё же описательная часть должна быть. Так, необходимо отметить, что элементы электрической цепи делят на пассивные и активные. К первым относят, например, соединительные провода и электроприёмники.

Пассивный элемент электрической цепи отличается тем, что его присутствием при определённых условиях можно пренебречь. Чего не скажешь о его антиподе. К активным элементам относят те из них, где индуцируется ЭДС (источники, электродвигатели, аккумуляторы, когда они заряжаются и так далее). Важными в этом плане являются специальные детали схем, которые обладают сопротивлением, что характеризуется вольт-амперной зависимостью, поскольку они взаимно влияют друг на друга. Когда сопротивление является постоянным независимо от показателя тока или напряжения, то данная зависимость выглядит как прямой отрезок. Называют их линейные элементы электрической цепи. Но в большинстве случаев, на величину сопротивления влияет и ток, и напряжение. Не в последнюю очередь это происходит из-за температурного параметра. Так, когда элемент нагревается, то сопротивление начинает возрастать. Если данный параметр находится в сильной зависимости, то вольт-амперная характеристика неодинакова в любой точке мысленного графика. Поэтому элемент называется нелинейным.

Как вы видите, условные обозначения элементов электрической цепи существуют разные и в большом количестве. Поэтому запомнить их сразу вряд ли удастся. В этом помогут схематические изображения, представленные в данной статье.

В каких режимах работает электрическая цепь?

Когда к источнику питания подключено разное количество потребителей, то соответственно меняются величины токов, мощностей и напряжения.

А от этого зависит режим работы цепи, а также элементов, что в неё входят. Схему используемой на практике конструкции можно представить, как активный и пассивный двухполюсник. Так называют цепи, которые соединяются с внешней частью (по отношению к ней) с помощью двух выводов, которые, как можно догадаться, имеют разные полюса. Особенность активного и пассивного двухполюсника состоит в следующем: в первом имеется источник электрической энергии, а во втором он отсутствует. На практике широко используются схемы замещения во время работы активных и пассивных элементов. То, какой будет режим работы определяется параметрами последних (изменения благодаря их корректировке). А сейчас давайте рассмотрим, какими же они бывают.

Режим холостого хода

Он подразумевает отключение нагрузки от источника питания с помощью специального ключа. Ток в данном случае становится равным нулю. Напряжение же выравнивается в местах зажимов на уровень ЭДС. Элементы схемы электрической цепи в данном случае не используются.

Режим короткого замыкания

При таких условиях ключ схемы замкнут, а сопротивление равняется нулю. Тогда напряжение на зажимах также = 0.

Если использовать оба режима, которые были уже рассмотрены, то по их результатам могут быть определены параметры активного двухполюсника. Если ток изменяется в определённых пределах (которые зависят от детали), то нижняя граница всегда равна нулю, и эта составляющая начинает отдавать энергию внешней цепи. Если показатель меньше нуля, то отдавать энергию будет именно он. Также необходимо принять во внимание, что если напряжение меньше нуля, то это значит, что резисторами активного двухполюсника потребляется энергия источников, с которыми существует связь благодаря цепи, а также запасы самого устройства.

Номинальный режим

Он необходим для обеспечения технических параметров как всей цепи, так и отдельных элементов. В данном режиме показатели близятся к тем величинам, что указаны на самой детали, в справочной литературе или технической документации. Следует учитывать, что каждое устройство имеет свои параметры. Но три основных показателя можно найти почти всегда – это номинальный ток, мощность и напряжение, их имеют все электрические цепи. Элементы электрических цепей также все без исключения обладают ими.

Согласованный режим

Он используется для обеспечения максимальной передачи активной мощности, которая идет от источника питания к потребляемому энергию. При этом нелишним будет высчитать параметр полезности.

Когда осуществляется работа с данным режимом, необходимо соблюдать осторожность и быть готовым, что часть схемы выйдет из строя (если заранее не проработать теоретические аспекты).

Основные элементы во время проведения расчетов для электрических цепей

Они используются в сложных конструкциях, чтобы проверить, что и как будет работать:

1. Ветвь. Так называют участок цепи, на котором одна и та же величина тока. Ветвь может комплектоваться из одного/нескольких элементов, которые последовательно соединены.
2. Узел. Место, где соединяется как минимум три ветви. Если они соединены с одной парой узлов, то их называют параллельными.
3. Контур. Подобным образом именуют любой замкнутый путь, который проходит по нескольким ветвям.

Вот такие деления имеют электрические цепи. Элементы электрических цепей во всех случаях, кроме ветви, обязательно присутствуют в множестве.

Условные положительные направления

Их необходимо задавать, чтобы правильно формулировать уравнения, которые описывают происходящие процессы. Важность направления есть для токов, ЭДС источников питания, а также напряжений.

Особенности нанесения разметок на схемы:

1. Для ЭДС источников они указываются произвольно. Но при этом необходимо учитывать, что полюс, к которому направлена стрелка, обладает более высоким потенциалом, по сравнению со вторым.
2. Для токов, которые работают с источниками ЭДС – должны совпадать с ними. Во всех других случаях направление является произвольным.
3. Для напряжений – совпадает с током.

Виды электрических цепей

Как их различают? Если параметры элемента не зависят от тока, что протекает в нём, то его называют линейным. В качестве примера можно привести электропечь. Нелинейные элементы электрической цепи обладают сопротивлением, которое растёт при повышении напряжения, что подводится к лампе.

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.

С их помощью можно установить взаимосвязь между теми значениями, которые имеют токи, напряжения, ЭДП по всей электрической цепи или на отдельных её участках. И это всё на основе параметров элементов, которые в них входят.

Закон Ома для участка цепи

Для нас важна сила тока (I), напряжение (U) и сопротивление (R). Данный закон выражается такой формулой: I=U/R. При расчёте электрических цепей иногда более удобно использовать обратную величину: R=I/U.

Закон Ома для полной цепи

Он определяет зависимость, которая устанавливается между ЭДС (Е) источника питания, у которого внутреннее сопротивление равно r, током и общим эквивалентом R. Формула выглядит I = E/(r+R). Сложная цепь обладает, как правило, несколькими ветвями. В них могут включаться другие источники питания. Тогда воспользоваться законом Ома для полноценного описания процесса становится проблематично.

Первый закон Кирхгофа

Любой узел электрической цепи имеет алгебраическую сумму токов, которая равна нулю.

Токи, которые идут к узлу, в данном случае берутся со знаком плюс. Те, что направлены от него – с минусом. Важность этого закона заключается в том, что с его помощью устанавливается зависимость между токами, которые находятся на разных узлах.

Второй закон Кирхгофа

Алгебраическая сумма ЭДС в любом выбранном замкнутом контуре является равной просуммированному числу падений напряжений на всех его участках. Всегда ли это так? Нет.

Если в электрическую цепь были включены источники напряжений, то данный показатель будет равен нулю. Во время записи уравнения согласно этому закону необходимо:

1. Выбрать направление, по которому будет осуществляться обход контура.
2. Задать положительные показатели для токов, ЭДС и напряжений.

Заключение

Итак, мы рассмотрели электрические цепи, элементы электрических цепей и практические особенности взаимодействия с ними. Несмотря на то что тема предполагает объяснение с помощью несложной терминологии, из-за своего объема она достаточно сложна для понимания. Но, разобравшись в ней, можно понять процессы, происходящие в электрической цепи и назначение ее элементов.