Как работают электрические цепи

К Стивен Макфадьен on 8 мая 2012 г.

Если вы понятия не имеете, как работают электрические цепи или что люди имеют в виду, то они говорят о вольтах и ​​амперах, надеюсь, я смогу пролить немного света. Я намереваюсь сделать этот пост простым введением в электрические схемы для всех, кто не знает, но интересуется.

Пост будет простым и охватит следующее:

• Основные части электрической цепи (напряжение, ток и сопротивление)
• Как связаны главные части (знаменитый закон Ома)
• Мощность в электрической цепи
• Связывание всего вместе с несколькими примерами

Работа с цепями

Говоря об электрических цепях, следует учитывать три основные величины: напряжение, ток и сопротивление.

Напряжение — это движущая сила, благодаря которой все работает.

Для большинства людей это, вероятно, самая знакомая величина. На изображении ниже показаны различные напряжения.

 

 

Ток – это поток электричества по цепи. Например, если вы подключите лампу к розетке, показанной выше, электричество будет течь по проводам и преобразовываться в тепло и свет в лампе. Чтобы электричество текло, вам нужна какая-то движущая сила — обратно к напряжению, которое является движущей силой.

Часто при попытке объяснить напряжение и силу тока используется аналогия с водой. Напряжение эквивалентно давлению воды и току потока воды по трубам.

В любой электрической цепи есть сопротивление протеканию тока. Величина сопротивления зависит от того, что подключено в цепи. Чем больше сопротивление в цепи, тем меньше ток. В цепи лампы сопротивление должно быть таким, чтобы обеспечить достаточный ток, чтобы лампа светилась: если бы сопротивление было меньше, ток был бы больше и лампа сгорела бы, если бы больше, тока не хватило бы, чтобы лампа загорелась.

светиться.

Если вы можете понять напряжение, силу тока и сопротивление, вы сможете понять, как работают электрические цепи.  

На приведенном ниже рисунке показан обогреватель, подключенный к сетевой розетке. Также показано схематическое изображение цепи, показывающее управляющее напряжение, протекающий ток и сопротивление потоку электричества, обеспечиваемое нагревателем.

 

Если вы знаете значение двух из этих параметров, вы всегда можете работать со значением третьего. Примерно в 1825 году ученый по имени Георг Ом исследовал эту взаимосвязь и вывел то, что известно как закон Ома. В своих опытах он установил, что в цепи напряжение, деленное на силу тока, всегда равно константе — сопротивлению: 9 Ом.0008

— Закон Ома; R — сопротивление, V — напряжение, I — ток

Единицей измерения напряжения является вольт (В), силы тока — ампер (А), а сопротивления — ом (Ом) имени Георга Ома.

В дополнение к форме уравнения, показанной выше, закон Ома также можно преобразовать, чтобы найти либо напряжение, либо ток при других параметрах:

Если вы до сих пор со мной, то теперь у вас есть хорошее базовое представление о том, как работают электрические цепи. Чтобы представить вещи в перспективе, поможет пара примеров:

Рассмотрим цепь нагревателя, показанную выше. Если напряжение в розетке 230 В, а сопротивление нагревателя 53 Ом (что характерно для нагревателя мощностью 1 кВт). Тогда из приведенного выше ток будет 230/53 = 4,4 А (ампер)

В качестве второго примера сопротивление человеческого тела составляет примерно 1000 Ом. Если вы случайно соприкоснетесь с проводником под напряжением 230 В, ток, протекающий через ваше тело, составит 230/1000 = 0,23 А

.

• Безопасность: любой ток в теле, превышающий 0,05 А, может привести к серьезным травмам или летальному исходу. При типичном сопротивлении тела 1000 Ом такое низкое напряжение, как 50 В, может вызвать протекание этого тока. При любом напряжении выше 50 В вы должны принять как можно больше мер, чтобы исключить контакт с проводниками под напряжением.

Кое-что о блоках

В приведенных выше примерах были получены токи 4,4 А и 0,23. При работе с электрическими цепями величины напряжения, тока и сопротивления могут варьироваться от миллионов до небольших долей. Этот диапазон чисел от очень больших до очень маленьких может затруднить чтение величин. Чтобы числа было легче читать, используются префиксы — два наиболее распространенных: кило (к) и мили (м): 9.0008

— кило (к) просто означает 1000 (одна тысяча). Чтобы перевести что-то в килограммы, просто разделите на 1000. Например, 132 000 В можно записать как 132 кВ (киловольты) или 43 000 А как 43 кА.

— mili (м) как бы противоположно килограмму; это сеть 1/1000 (одна тысячная). Чтобы преобразовать в мили, просто умножьте на 1000.

Например, 0,23 А будет 230 мА (мили-ампер)

.

Немного о мощности

Прежде чем подвести итоги того, через что мы прошли, последнее, о чем стоит поговорить, это мощность. Причина, по которой у нас есть электрические цепи, заключается в том, чтобы они выполняли для нас какую-то полезную работу. В лампе это должно обеспечить свет, в обогревателе — дать нам тепло, а в электромобиле — возить нас. Электрические цепи передают мощность от электростанции к подключенному оборудованию, чтобы мы могли получить от них эту полезную работу.

Мощность (P) измеряется в ваттах (Вт), и если вы знаете ток и сопротивление цепи, вы можете рассчитать это (вы должны доверять мне в уравнении):

Итак, мощность в любом оборудовании равна квадрату тока, умноженному на его сопротивление — на самом деле все очень просто. Если вы хотите поиграть с математикой, вы можете объединить это с законом Ома, чтобы выразить по-разному:

Пример: рассмотрим приведенный выше пример с нагревателем — сопротивление составляет 53 Ом, а мы рассчитали ток как 4,4 А.

Это дает мощность 4,4 ² x 53 = 1026 Вт (или примерно 1 кВт).

Резюме

Подводя итог, электрические цепи имеют три взаимосвязанные величины – напряжение, ток и сопротивление. Напряжение — это движущая сила, которая перемещает ток по цепи, позволяя подавать питание на оборудование. Сопротивление обеспечивается любым элементом оборудования для ограничения тока, протекающего в цепи. Между этими тремя параметрами существует простая зависимость, которая называется законом Ома.

Надеюсь, этот пост помог лучше понять электричество и электрические цепи. Если у вас есть какие-либо комментарии, что-нибудь или предложения по улучшению поста, просто добавьте ниже.

Основы электротехники — Основы теории электрических цепей — журнал IAEI

Прежде чем мы углубимся в теорию цепей переменного и постоянного тока, нужно немного истории. Во второй половине 19 ^-го века в отрасли производства и передачи электроэнергии было три основных игрока. Томас Эдисон, известный как «Волшебник из Менло-Парка» и наиболее известный своим изобретением электрической лампочки, был главным сторонником передачи постоянного тока (DC). Джордж Вестингауз и Никола Тесла были главными сторонниками передачи переменного тока (AC). История документирует этот период становления в развитии производства и передачи электроэнергии как «Войну токов».

Эдисона изображают как неутомимого изобретателя, подавшего более 1000 патентных заявок в Патентное ведомство США. Поскольку он был скорее изобретателем, чем математиком или физиком, он был не очень восприимчив к аналитическим сложностям переменного тока. Наоборот, Тесла разработал множество теорий, касающихся однофазных и многофазных систем. Вестингауз был изобретателем, как и Эдисон, но он также был инженером. Он предоставил финансовую поддержку для развития работающей сети переменного тока. В литературе отмечается, что Эдисон пошел на многое, чтобы дискредитировать мощность переменного тока и ее небезопасный характер.

Он провел множество кампаний по связям с общественностью, убивая животных электрическим током от сети переменного тока. В конце концов, разработка трансформатора компанией Westinghouse позволила использовать переменный ток как правильный выбор для производства и передачи электроэнергии.

Рисунок 1. Форма сигнала постоянного тока

Каждый раз, когда вы заводите автомобиль, запускаете аккумуляторную дрель или используете любое электронное оборудование, вы используете постоянный ток. Аккумулятор в вашем автомобиле использует химическую энергию для разделения положительного и отрицательного заряда, тем самым создавая разность потенциалов между его клеммами и создавая 12 В постоянного тока для запуска двигателя. Аккумулятор в вашей беспроводной дрели использует аналогичный механизм для питания двигателя дрели. Электронное оборудование, которое вы используете каждый день, за исключением портативного оборудования, преобразует входящий переменный ток в постоянный посредством процесса, известного как выпрямление.

На рис. 1 показан пример постоянной формы волны постоянного тока.

Освещение в вашем офисе, розетки, к которым вы подключаете устройства в вашем доме, и большие двигатели на производственных предприятиях являются примерами оборудования, использующего переменный ток. Энергия переменного тока генерируется и распределяется в Соединенных Штатах с частотой 60 Гц. Форма сигнала переменного тока изменяется во времени и использует синусоидальную функцию для моделирования своего поведения. На рис. 2 показан синусоидальный сигнал переменного тока.

Есть пять электрических свойств, которые необходимо ввести в теорию цепей, чтобы облегчить анализ. Это сопротивление, емкость, индуктивность, реактивное сопротивление и импеданс. Стандартные обозначения резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности показаны на рис. 3.

Рисунок 2. Форма волны переменного тока

Сопротивление (R) можно определить как свойство материала сопротивляться движению заряда или протеканию тока. Единицей сопротивления является ом. Резисторы — это компоненты, которые противодействуют протеканию тока. На рис. 4 показана схема с резисторами, соединенными последовательно, и схема с резисторами, соединенными параллельно. Важно отметить, что в последовательной цепи ток через каждый элемент одинаков, а в параллельной цепи напряжение на каждом элементе одинаково.

Емкость (C) можно определить как свойство материала сопротивляться любому изменению напряжения на материале. Единицей емкости является фарад. Емкость возникает, когда два проводящих материала разделены изолятором. В конденсаторе с параллельными пластинами две проводящие пластины разделены изолятором, известным как диэлектрик. Конденсатор может блокировать сигналы постоянного тока и пропускать сигналы переменного тока. В установившихся условиях конденсатор действует как разомкнутая цепь для постоянного тока и частотно-избирательное устройство для переменного тока. На рис. 5 показана схема с последовательно включенными конденсаторами и схема с параллельным подключением конденсаторов.

Индуктивность (L) можно определить как свойство материала сопротивляться любому изменению тока через материал. Единицей индуктивности является генри. Все проводники, даже не скрученные, имеют некоторую индуктивность. В установившихся условиях индуктор действует как короткое замыкание на постоянный ток и частотно-избирательное устройство на переменный ток. На рис. 6 показана схема с последовательно включенными катушками индуктивности и схема с параллельными катушками индуктивности без взаимной связи.

Рис. 3. Электрические компоненты

Реактивное сопротивление или, более конкретно, емкостное реактивное сопротивление (Xc) и индуктивное реактивное сопротивление (Xl) можно определить как сопротивление протеканию тока, эти компоненты присутствуют в условиях переменного тока. Единицей реактивного сопротивления является ом. Эти устройства изменяют свое реактивное сопротивление в зависимости от применяемой частоты.

Полное сопротивление (Z) можно определить как полное сопротивление протеканию тока, представленное комбинацией сопротивления и реактивного сопротивления в цепи переменного тока. Единицей импеданса является ом. В установившемся режиме импеданс позволяет анализировать сложную сеть переменного тока в частотной области с использованием тех же методов, которые используются в простой цепи постоянного тока.

Рис. 4. Цепи резисторов

Полезные теоремы. Мы уже упоминали Закон Ома. Две другие очень полезные сетевые теоремы — это закон Кирхгофа о напряжении (KVL) и закон Кирхгофа о токе (KCL). KVL утверждает, что в замкнутом контуре цепи, также называемом сеткой, алгебраическая сумма падения и повышения напряжения равна нулю. KCL утверждает, что алгебраическая сумма тока в узле, где узел определяется как соединение трех или более текущих путей, равна нулю.

Пять других сетевых теорем, чрезвычайно полезных для упрощения и анализа схем:

• Теорема о суперпозиции
• Теорема Тевенина
• Теорема Нортона
• Теорема о максимальной передаче мощности
• Теорема преобразования треугольник/звезда – звезда/треугольник

Рис. 5. Цепи конденсаторов

Теорема о суперпозиции позволяет решать сложные сети с несколькими источниками напряжения. Теорема Тевенина позволяет преобразовать сложную сеть в простую схему с эквивалентным источником напряжения Тевенина и последовательным резистором, эквивалентным Тевенину. Теорема Нортона позволяет преобразовать сложную сеть в простую схему с эквивалентным источником тока Нортона и эквивалентным параллельным резистором Нортона. Эти три сетевые теоремы очень полезны в приложениях электроники. Теорема о максимальной передаче мощности утверждает, что максимальная мощность передается от источника к нагрузке, когда внутреннее сопротивление нагрузки соответствует внутреннему сопротивлению источника. Эта теорема очень полезна в приложениях питания и связи. Теорема преобразования треугольник/звезда – звезда/треугольник позволяет выполнять преобразование между сетью, соединенной треугольником, и сетью, соединенной звездой. Эта теорема очень полезна в силовых и электронных приложениях.