Внутренняя и внешняя электрическая цепь
Внешние и внутренние составляющие
Физика определяет электрическую цепь как совокупность разнородных элементов, связывающихся посредством проводников, и предназначенную для протекания тока.
Элементный состав электроцепей достаточно обширен. Можно выделить следующие их типы:
- нелинейные;
- линейные;
- активные;
- пассивные.
Основные элементы электроцепи
Любая электрическая цепь состоит из разнородных взаимодействующих объектов и технических устройств, создающих специализированный маршрут для протекания по нему электрического тока. Для понимания и объяснения данных процессов физики используют следующие понятия:
- Напряжение – физическая величина, равная затраченной электрополем энергии, необходимой для перемещения заряда между полюсами, относительно данного заряда;
- Электродвижущая сила – скалярная величина, описывающая функционирование сил неэлектрической природы, присутствующих в переменных или постоянных квазистационарных электроцепях.
Ток – движущийся в определенном направлении поток заряженных частиц.
Все составные части электрической цепи условно подразделяются на 3 группы:
- элементы питания, производящие электрическую энергию;
- «приемники» - устройства, получающие и преобразующие подающееся на них электричество;
- «передатчики» - провода и другие комплектующие, позволяющие добиться необходимого – по уровню и качеству – напряжения.
Внешние и внутренние составляющие
Даже самая простая цепь включает в себя: источник энергии, один или множество последовательно соединенных «приемников» электричества, а также необходимые для взаимодействия провода.
Внутренняя часть формируется за счет источника энергии, а потребитель, использующий ее, образует ее внешнюю часть (в эту систему также входят все измерительные устройства, коммутаторы и проводка).
Внешнюю цепь (участок цепи) образуют – один или множество - «приемников» электрической энергии, провода, прочие устройства, выполняющие вспомогательные функции. Тогда как внутренняя цепь (внутренний участок) состоит непосредственно из самого источника.
При разработке расчетных схем важно учесть элементы цепи, имеющие собственное сопротивление (электронагревательные устройства, электролампы и проч.). На бумагах, описывающих будущую электроцепь, они указываются как резисторы с сопротивлением. Это же относится и к объектам, обладающим индуктивностью (обмотка электрических двигателей, генераторов), а также емкостью (трансформаторы).
На схеме их нужно искать в местах скопления индуктивных катушек и конденсаторов. При планировании и предварительных расчетах цепи часто указывают идеальные источники энергии, имеющие нулевое внутреннее сопротивление: Ro=0. Однако реальные источники всегда обладают уровнем сопротивления больше, чем 0. И хотя на схеме он обозначается как «нулевой» резистор (Ro), впоследствии сопротивление реального источника учитывается при построении цепи в натуре.
Вспомогательные элементы цепи (защитные приборы, включающие/выключающие устройства, измерительные аппараты) имеют малое сопротивление, почти никогда не влияющее на уровень напряжения. Соответственно, их можно не учитывать и не обозначать на схемах.
Как только контур внутренней и внешней частей электроцепи замыкается, в ней появляется ток. Сила тока зависит от того, какое количества энергии пропускает – за определенный временной промежуток – сечение «проводника». Формула расчета для переменного и постоянного тока отличается:
(для постоянного);
(для переменного).
Функционирование тока внутри сети тесно связано с преобразовательными процессами, непрерывно происходящими в ее элементах. Возникновение электричества из другой энергии сопровождается появлением возбуждения в устройстве питания электродвижущей силы (ЭДС).
Внешний участок цепи, как и источник питания, имеет определенный параметр сопротивления, препятствующий пропуску электротока. Величина сопротивления зависит от размера и формы «проводника», а также материала, из которого сделан:
Еще одна величина – проводимость – обратная сопротивлению:
Закон Ома описывает взаимодействие ЭДС, напряжения, сопротивления и тока:
Базовые законы электроцепей
При исследовании как сложных, так и простых цепей обычно используются закон Ома, Джоуля-Ленца, Ампера, Фарадея и Кирхгофа. В зависимости от того, анализируется ли участок или же вся цепь, применяются разные варианты закона Ома. Например, на отдельном участке электроцепи ток находится в отношениях обратной пропорции к сопротивлению на данном отрезке и прямой пропорции – к напряжению:
Произведение тока на уровень сопротивления (на конкретном отрезке цепи) приводит к его падению. Ток в цепи пропорционален ЭДС источника энергии и обратно пропорционален сумме величин сопротивлений (внешнего и внутреннего типов) источника питания. То есть:
Закон, выведенный Джоулем-Ленцем, служит для подсчета суммарной тепловой энергии, приходящейся на сопротивления из-за прохождения по нему тока. Формула его такова:
Закон Фарадея (электромагнитной индукции) учитывает в электроцепях отношения:
Между колебаниями магнитного потока, взаимодействующего с поверхностью, ограниченной контуром цепи, и индуктированием ЭДС.
Индуктированием ЭДС проводника (при проникновении магнитного поля)
Согласно данному закону, индуцируемая в цепи (ЭДС в связи колебаниями магнитного потока, идущего через ограниченную контуром поверхность), равна скорости с которой, он изменяется, но с отрицательным знаком. Формула рассчитывается так:
Процесс замены отрезков электроцепи, где один элемент посредством параллельного и последовательного соединения взаимодействует с несколькими другими элементами, носит наименование эквивалентных преобразований. При таком изменении напряжение всей цепи и ток сохраняют свои прежние значения.
Последовательное соединение характеризуется одной важной особенностью: значение тока в таких частях цепи равно для всех ее составляющих элементов (и последовательных тоже). Данный факт позволяет сделать вывод, что напряжение прямо пропорционально уровню сопротивления на данном участке для каждого из последовательно подключенных элементов.