Какую электрическую цепь называют замкнутой разомкнутой
Перейти к содержимому

Какую электрическую цепь называют замкнутой разомкнутой

  • автор:

 

Какую электрическую цепь называют замкнутой и разомкнутой

Простейшая электрическая цепь представляет собой нагрузку, подключенную к источнику питания. Для управления цепью в нее последовательно включают замыкающее устройство (ключ). При замкнутом ключе в цепи возникает электрический ток, а при разомкнутом – ток отсутствует. Именно от положения ключа (замкнутый/разомкнутый) напрямую зависит – какую электрическую цепь называют замкнутой и разомкнутой.

Какую электрическую цепь называют замкнутой и разомкнутой

Элементы электрической цепи

Электрическую цепь разделяют на 2 участка – внутренний и внешний. Внутренним участком считается источник питания постоянного или переменного напряжения, а внешним – система, состоящая из нагрузки, приборов и соединительных элементов (проводов). Кроме обязательных элементов – источника и нагрузки, электрическая цепь может включать выключатели, реостаты, предохранительные плавкие или автоматические устройства, приборы контроля и индикации. Нагрузка также может состоять из различных потребителей, подключенных в цепь параллельно или последовательно.

Элементы электрической цепи

Какую электрическую цепь называют замкнутой

Замкнутая цепь – это непрерывный контур, по которому через нагрузку протекает электрический ток. Простым примером является настольная лампа, подключенная в розетку. Пока кнопка выключателя выключена – цепь разомкнута. При этом тока в цепи нет, поэтому лампочка не светит. Когда же кнопка включена, в цепи протекает электрический ток и лампа светит. Такая цепь называется замкнутой.

Замкнутая электрическая цепь

Более сложным примером является электросеть квартиры, которая представляет разветвленную цепь, состоящую из отдельных цепей, подключенных к одному источнику. Каждая ветка имеет свой выключатель. В этом случае вся цепь может быть замкнутой или только отдельный ее участок.

Какую электрическую цепь называют разомкнутой

Разомкнутая цепь имеет на своем участке, общем для всех потребителей, разрыв в виде отключенного контакта ключа. При этом цепь может оставаться под напряжением, но ток в такой цепи не возникает.

Электрический ток в замкнутой цепи

Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц (в металлическом проводнике – электронов). Ток возникает при замыкании выключателя, образуя непрерывный путь через нагрузку от одного потенциала к другому отличному от первого: от «+» к «-» или от фазы к нулю. Величина тока рассчитывается по закону Ома для замкнутой цепи.

Сила тока I (А) равна отношению электродвижущей силы источника ℰ (В) к суме сопротивления внешней нагрузки и внутреннего сопротивления источника тока R+r (Ом). I = ℰ/(R+r).

Определение работы электрической цепи

На практике определить замкнута или разомкнута цепь можно несколькими способами. Наиболее распространенным способом является индикация. Например, такие электробытовые приборы как светильники не нуждаются в индикации и их включение можно определить визуально, то есть если светильник светит, значит цепь замкнута.

Другой вопрос – как определить цепь с нагревательными или удаленными приборами? Как правило, такая техника как утюг, конвектор, электроплита и др. оснащаются индикаторной лампочкой, свечение которой оповещает о замкнутой цепи и работе прибора. При нагревании до определенной температуры, термостат отключается, разрывая цепь, и лампочка потухает. После остывания на величину температурного гистерезиса, термостат снова включает цепь, в результате чего лампочка индикатора снова светится.

Определение работы электрической цепи

Индикация позволяет определить лишь наличие тока в цепи, а его величина определяется с помощью амперметра, включенного в цепь последовательно. Применяются также бесконтактные измерительные приборы – токоизмерительные клещи. Это портативный прибор, с помощью которого можно измерить электрический ток в изолированном проводнике. Наличие тока всегда свидетельствует о том, что цепь замкнута.

Замкнутая и разомкнутая электрическая цепь

Элементы электрических цепей бывают активными либо пассивными. Пассивными элементами являются провода, потребители и конденсаторы. Активными считаются двигатели, аккумуляторы, которые заряжаются, и источники питания.

Электрическая цепь может находиться в замкнутом или разомкнутом положении.

Электрическая цепь в замкнутом положении

Наиболее простой замкнутой цепью считается соединение проводниками источника питания с приемником. Проводники всегда должны изолироваться.

Для того, чтобы обеспечить стабильную и безопасную работу электроцепи, в нее включают вспомогательные элементы. К ним относятся приборы измерения напряжения и тока, разнообразные включатели и переключатели, а также прочие устройства.

Замкнутая электрическая цепь делится на две составляющие: внутреннюю и внешнюю.

Закон Ома для замкнутой цепи

Закон Ома для замкнутой цепи показывает зависимость силы тока от электродвижущей силы, сопротивления источника питания и сопротивлений нагрузки.

Сложно разобраться самому?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Значение силы тока равняется отношению ЭДС источника к суммарному значению внешнего и внутреннего сопротивления цепи. Данную зависимость опытным путем вывел ученый Георг Ом в начале XIX века и описал ее следующим математическим выражением:

где \(I\) – сила тока;

\(ε\) – ЭДС источника питания;

\(R\) – внешнее сопротивление цепи;

\(r\) – внутренне сопротивление источника.

Чтобы рассчитать силу тока на отдельно взятом сопротивлении, используют следующее выражение:

После проведения преобразований, ЭДС источника питания замкнутой цепи с несколькими внешними сопротивлениями (потребителями) будет выглядеть так:

Физическое понимание закона Ома для замкнутой цепи

Замкнутая цепь может быть образована потребителями только в сочетании с источником питания. Ток, который протекает через потребителя, возвращается к источнику. Именно поэтому на силу тока влияет как сопротивление потребителя, так и сопротивление самого источника. Соответствующим образом общее сопротивление любой замкнутой цепи равняется сумме сопротивления потребителя и сопротивления источника.

Физический смысл зависимости силы тока от ЭДС и сопротивлений состоит в том, что с увеличением ЭДС растет энергия носителей зарядов. Это значит, что скорость их упорядоченного движения увеличивается. Однако, если при этом увеличивается сопротивление цепи, их движение замедляется, и соответственно, уменьшается сила тока.

Электроток течет по замкнутой цепи, обязательным условием его бесперебойного движения есть надежные соединения всех элементов.

Не нашли что искали?

Просто напиши и мы поможем

Источниками питания в различных цепях могут быть аккумуляторы, генераторы и гальванические элементы.

Также существуют различные потребители, в основном это осветительные приборы и двигатели различных устройств.

Для надежного соединения используют металлические провода разнообразных размеров и с различными свойствами. Зачастую проводники изолирую между собой.

Для того, чтобы ток начал перемещаться по цепи, должны быть соединены две ее точки, причем в одной из этих точек должен быть избыток носителей заряда. Таким образом, создается разность потенциалов между ними. Главным устройством, создающим такую разность, есть источник питания.

Потребители в электроцепи считаются нагрузками. Нагрузки создают сопротивление течению тока.

Электроток применяют для создания искусственного освещения. Простые электролампочки есть наглядным примером простой замкнутой цепи.

Электрическая цепь в разомкнутом положении

Если заряды не протекают по цепи, то на ее концах есть напряжение. В таком положении цепь, как бы, находится в процессе ожидания соединения данных концов для течения тока. Такая цепь считается разомкнутой.

Для подключения и отключения электролампочек необходим разрыв электроцепи. Для удобного использования были придуманы различные рубильники и выключатели. Их функцией является управление потоком электрических зарядов.

Рубильники есть наглядным примером принципа работы переключателей или выключателей. Однако для их применения в мощных электрических цепях требуется обустройство безопасной эксплуатации. Некоторые части рубильников бывают открытыми, поэтому есть опасность их воспламенения при попадании горючих материалов. На сегодняшний день есть выключатели, защищенные изолирующим корпусом.

Как найти напряжение через ЭДС и сопротивление?

Если к источнику питания подключить внешнюю цепь сопротивлением R, в цепи пойдёт ток с учётом внутреннего сопротивления источника:

I – Сила тока в цепи.

– Электродвижущая сила (ЭДС) – величина напряжения источника питания не зависящая от внешней цепи (без нагрузки). Характеризуется потенциальной энергией источника. r – Внутреннее сопротивление источника питания.

Для электродвижущей силы внешнеее сопротивление R и внутреннее r соединены последовательно, значит величина тока в цепи определится значением ЭДС и суммой сопротивлений: I = /(R+r) .

Напряжение на выводах внешней цепи определится исходя из силы тока и сопротивления R соотношением, которое уже рассматривалось выше: U = IR. Напряжение U, при подключении нагрузки R, всегда будет меньше чем ЭДС на величину произведения I*r, которую называют падением напряжения на внутреннем сопротивлении источника питания. С этим явлением мы сталкиваемся достаточно часто, когда видим в работе частично разряженные батарейки или аккумуляторы. По мере разряда, увеличивается их внутреннее сопротивление, следовательно, увеличивается падение напряжение внутри источника, значит уменьшается внешнее напряжение U = – I*r. Чем меньше ток и внутреннее сопротивление источника, тем ближе по значению его ЭДС и напряжение на его выводах U. Если ток в цепи равен нулю, следовательно, = U. Цепь разомкнута, ЭДС источника равна напряжению на его выводах.

В случаях, когда внутренним сопротивлением источника можно пренебречь (r ≈ 0), напряжение на выводах источника будет равно ЭДС ( ≈ U ) независимо от сопротивления внешней цепи R. Такой источник питания называют источником напряжения.

Разомкнутая электрическая цепь

При отсутствии потока электронов необходимое напряжение источника цепи проявляется на концах точек. В этом случае происходит процесс ожидания момента соединения концов точек, чтобы возобновился поток электронов. Подобную цепь принято называть разомкнутой.

Замечание 1При связывании концов проводов, где существует разрыв, непрерывность всей цепи восстановится. Это основная разница между замкнутой и разомкнутой цепью.

При включении и выключении электрического освещения (лампы) требуется постоянно осуществлять похожие процессы. Для удобства были созданы специальные устройства. Их называют выключателями или рубильниками. Они в автоматическом режиме по сигналу управляют потоками электронов в цепи, контролируя начало и завершение работы электрооборудования.

Рубильники практически идеально подходят для демонстрации принципов работы выключателей и переключателей. Однако при использовании их в больших электрических цепях существует немало проблем, связанных с безопасной эксплуатацией. Так как некоторые части рубильников открыты, то существует вероятность воспламенения горючих материалов. В современных выключателях применяются подвижные и неподвижные контакты, которые защищены изоляционным корпусом.

Простейшая электрическая цепь представляет собой нагрузку, подключенную к источнику питания. Для управления цепью в нее последовательно включают замыкающее устройство (ключ). При замкнутом ключе в цепи возникает электрический ток, а при разомкнутом – ток отсутствует. Именно от положения ключа (замкнутый/разомкнутый) напрямую зависит – какую электрическую цепь называют замкнутой и разомкнутой.

Закон Ома для переменного тока

При наличии индуктивности или ёмкости в цепи переменного тока необходимо учитывать их реактивное сопротивление. В таком случае запись Закона Ома будет иметь вид:

Здесь Z – полное (комплексное) сопротивление цепи – импеданс. В него входит активная R и реактивная X составляющие. Реактивное сопротивление зависит от номиналов реактивных элементов, от частоты и формы тока в цепи. Более подробно ознакомится с комплексным сопротивлением можно на страничке импеданс.

С учётом сдвига фаз φ, созданного реактивными элементами, для синусоидального переменного тока обычно записывают Закон Ома в комплексной форме:

Элементы электрической цепи

Электрическую цепь разделяют на 2 участка – внутренний и внешний. Внутренним участком считается источник питания постоянного или переменного напряжения, а внешним – система, состоящая из нагрузки, приборов и соединительных элементов (проводов). Кроме обязательных элементов – источника и нагрузки, электрическая цепь может включать выключатели, реостаты, предохранительные плавкие или автоматические устройства, приборы контроля и индикации. Нагрузка также может состоять из различных потребителей, подключенных в цепь параллельно или последовательно.

Нелинейные элементы и цепи

Закон Ома не является фундаментальным законом природы и может быть применим в ограниченных случаях, например, для большинства проводников. Его невозможно использовать для расчёта напряжения и тока в полупроводниковых или электровакуумных приборах, где эта зависимость не является пропорциональной и её можно определять только с помощью вольтамперной характеристики (ВАХ). К данной категории элементов относятся все полупроводниковые приборы (диоды, транзисторы, стабилитроны, тиристоры, варикапы и т.д.) и электронные лампы. Такие элементы и цепи, в которых они используются, называют нелинейными.

Напряжение, ток и сопротивление

Электрическая цепь образуется, когда создается проводящий путь, позволяющий электрическому заряду непрерывно перемещаться. Это непрерывное движение электрического заряда по проводникам цепи называется током, и о нем часто говорят как о «потоке», как о потоке жидкости через полую трубу.

Сила, побуждающая носители заряда «течь» по цепи, называется напряжением. Напряжение – это особая мера потенциальной энергии, которая всегда относительна между двумя точками. Когда мы говорим об определенной величине напряжения, присутствующего в цепи, мы имеем в виду измерение потенциальной энергии для перемещения носителей заряда из одной конкретной точки этой цепи в другую конкретную точку. Без упоминания двух конкретных точек термин «напряжение» не имеет значения.

Ток, как правило, проходит через проводники с некоторой степенью трения или противодействия движению. Это противодействие движению правильнее называть сопротивлением. Величина тока в цепи зависит от величины напряжения и величины сопротивления в цепи, препятствующего прохождению тока. Как и напряжение, сопротивление – это величина, измеряемая между двумя точками. По этой причине величины напряжения и сопротивления часто указываются как «между» двумя точками в цепи.

Идеальный источник ЭДС

Электродвижущая сила (E) – физическая величина, определяющая степень воздействия внешних сил на перемещение в замкнутой цепи носителей заряда. Иными словами, от ЭДС будет зависеть то, как сильно ток стремится течь по проводнику.

При объяснении подобных непонятных явлений отечественные школьные учителя любят обращаться к методу гидравлических аналогий. Если проводник – это труба, а электрический ток – это количество протекающей по ней воды, то ЭДС – это давление, которое развивает насос, чтобы качать жидкость.

Термин электродвижущая сила родственен такому понятию, как напряжение. Она, ЭДС, так же измеряется в вольтах (ед. изм. – «В»). Каждый источник питания, будь то батарейка, генератор или солнечная панель, обладает своей собственной электродвижущей силой. Зачастую эта ЭДС близка к выходному напряжению (U), но всегда немного меньше его. Вызвано это внутренним сопротивлением источника, на котором неизбежно падает часть вольтажа.

Советуем изучить — Закалка стали

По этой причине идеальный источник ЭДС – это скорее абстрактное понятие или физическая модель, не имеющая места в реальном мире, ведь внутреннее сопротивление элемента питания Rвн хоть и весьма низкое, но всё же отлично от абсолютного нуля.

Идеальный и реальный источник ЭДС

Кулон и электрический заряд

Одна из основных единиц электрических измерений, которую часто преподают в начале курсов электроники, но нечасто используют впоследствии, – это кулон – единица измерения электрического заряда, пропорциональная количеству электронов в несбалансированном состоянии. Один кулон заряда соответствует 6 250 000 000 000 000 000 электронов. Символом количества электрического заряда является заглавная буква «Q», а единица измерения кулонов обозначается «Кл». Единица измерения тока, ампер, равна 1 кулону заряда, проходящему через заданную точку в цепи за 1 секунду. В этом смысле, ток – это скорость движения электрического заряда через проводник.

Как указывалось ранее, напряжение – это мера потенциальной энергии на единицу заряда, доступная для стимулирования протекания тока из одной точки в другую. Прежде чем мы сможем точно определить, что такое «вольт», мы должны понять, как измерить эту величину, которую мы называем «потенциальной энергией». Общей метрической единицей измерения энергии любого вида является джоуль, равный количеству работы, совершаемой силой в 1 ньютон при движении на 1 метр (в том же направлении). В этих научных терминах 1 вольт равен 1 джоулю электрической потенциальной энергии на (деленному на) 1 кулон заряда. Таким образом, 9-вольтовая батарея выделяет 9 джоулей энергии на каждый кулон заряда, проходящего через цепь.

Эти единицы и символы электрических величин станут очень важны, когда мы начнем исследовать отношения между ними в цепях.

Формула закона Ома

Основное открытие Ома заключалось в том, что величина электрического тока, протекающего через металлический проводник в цепи, при любой заданной температуре прямо пропорциональна напряжению, приложенному к нему. Ом выразил свое открытие в виде простого уравнения, описывающего взаимосвязь напряжения, тока и сопротивления:

В этом алгебраическом выражении напряжение (E) равно току (I), умноженному на сопротивление (R). Используя алгебру, мы можем преобразовать это уравнение в других два варианта, решая его для I и R соответственно:

Метода треугольника закона Ома

Закон Ома – очень простой и полезный инструмент для анализа электрических цепей. Он так часто используется при изучении электричества и электроники, что студент должен запомнить его. Если вы не очень хорошо умеете работать с формулами, то для его запоминания существует простой прием, помогающий использовать его для любой величины, зная две других. Сначала расположите буквы E, I и R в виде треугольника следующим образом:

Рисунок 5 – Треугольник закона Ома

Если вы знаете E и I и хотите определить R, просто удалите R с картинки и посмотрите, что осталось:

Рисунок 6 – Закон Ома для определения R

Если вы знаете E и R и хотите определить I, удалите I и посмотрите, что осталось:

Рисунок 7 – Закон Ома для определения I

Наконец, если вы знаете I и R и хотите определить E, удалите E и посмотрите, что осталось:

Рисунок 8 – Закон Ома для определения E

В конце концов, вам придется научиться работать с формулами, чтобы серьезно изучать электричество и электронику, но этот совет может облегчить запоминание ваших первых вычислений. Если вам удобно работать с формулами, всё, что вам нужно сделать, это зафиксировать в памяти E = IR и вывести из нее две другие формулы, когда они вам понадобятся!

Что нам дает параллельное и последовательное соединение?

Теоретические знания — это хорошо, но как их применить на практике? Параллельно и последовательно могут соединяться элементы любого типа. Но мы рассматривали только простейшие формулы, описывающие линейные элементы. Линейные элементы — это сопротивления, которые еще называют «резисторы». Итак, вот как можно использовать полученные знания:

  • Если в наличии нет резистора большого номинала, но есть несколько более «мелких», нужное сопротивление можно получить соединив последовательно несколько резисторов. Как видите, это полезный прием.
  • Для продления срока жизни батареек, их можно соединять параллельно. Напряжение при этом, согласно закону Ома, останется прежним (можно убедиться, измерив напряжение мультиметром). А «срок жизни» сдвоенного элемента питания будет значительно больше, нежели у двух элементов, которые сменят друг друга. Только обратите внимание: параллельно соединять можно только источники питания с одинаковым потенциалом. То есть, севшую и новую батарейки соединять нельзя. Если все-таки соединить, та батарейка которая имеет больший заряд, будет стремиться зарядить менее заряженную. В результате общий их заряд упадет до низкого значения.

Практическое применение закона Ома: можно создавать источники питания с нужным напряжением и силой тока

Практическое применение закона Ома: можно создавать источники питания с нужным напряжением и силой тока

В общем, это наиболее распространенные варианты использования этих соединений.

Работа и мощность электрического тока

Электрическое поле, создавая упорядоченное движение заряженных частиц в проводнике, выполняет работу, которую принято называть работой тока.

Работа электрического тока А — физическая величина, характеризующая: изменение электрической энергии тока — превращение ее в другие виды. Единица работы электрического тока — джоуль, 1 Дж. В быту и технике используют также внесистемная единица — киловатт-час (кВт • ч), 1 кВт • ч = 3,6 • 106 Дж.

Если рассматривать внешний участок электрической цепи, то работа тока определяется как А = qU = UIt, где q — заряд, прошедший через поперечное сечение проводника за время t, U — электрическое напряжение на участке цепи, I — сила тока.

 

Если на участке цепи, по которой проходит ток, не выполняется механическая работа и не происходят химические реакции, то результатом работы электрического тока будет только нагрев проводников. Нагретый проводник вследствие теплообмена отдает полученную энергию в окружающую среду. Согласно закону сохранения энергии, количество выделенной теплоты равна работе тока: Q = А и вычисляется по закону Джоуля — Ленца: количество теплоты Q, выделяемой за время t в проводнике с сопротивлением R во время прохождения по нему тока силой I, равна Q = I2Rt.

Воспользовавшись законом Ома I = U/R, математически можно получить и такие формулы закона Джоуля — Ленца: Q =U2t/R и Q = UIt. Однако, если в цепи выполняется механическая работа или происходят химические реакции, эти формулы использовать нельзя.

Мощность электрического тока Р — физическая величина, характеризующая способность электрического тока выполнять определенную работу и измеряется работой, выполненной в единицу времени, Р = A/t, здесь А — работа электрического тока, t — время, за которое эта работа выполнена. Мощность во внешнем участке электрической цепи можно определить по формулам Р = UI, Р = I2R, Р = U2/R, где U — электрическое напряжение, I — сила тока, R — электрическое сопротивление участка цепи. Единица мощности — ватт, 1 Вт = 1.

Если цепь состоит из нескольких потребителей, то при параллельном их соединения общая мощность тока во всей цепи равна сумме мощностей отдельных потребителей

Это стоит принять во внимание. В быту мы пользуемся мощными электрическими приборами

Если одновременно их включить, то общая мощность может превышать ту, на которую рассчитана электрическая сеть в помещении.

Выясним, в каком случае в электрической цепи выделяется максимальная мощность. Для этого запишем закон Ома для полной цепи в таком виде: ε = IR + Ir. Умножив обе части уравнения на I, получим: εI = I 2 R + I 2 r, где εI — полная мощность, которую развивает источник тока, I2R — мощность потребителей внешней участка цепи, I2г — мощность, которую потребляет внутренняя часть круга. Итак, потребляемая мощность внешней частью цепи, составляет: P = εI – I 2 r.

График зависимости потребляемой мощности во внешней части цепи от силы тока

Графиком зависимости Р (I) является парабола, вершина которой имеет координаты <ε/2r;ε2/4r>. Из графика видно, что максимальная мощность потребляется во внешнем цепи при силе тока I = ε/2r.

Параллельное и последовательное соединение

В электрике элементы соединяются либо последовательно — один за другим, либо параллельно — это когда к одной точке подключены несколько входов, к другой — выходы от тех же элементов.

Закон Ома для параллельного и последовательного соединения

Закон Ома для параллельного и последовательного соединения

Параллельное соединение

Параллельное соединение — это когда начала проводников/элементов сходятся в одной точке, а в другой — соединены их концы. Постараемся объяснить законы, которые справедливы для соединений этого типа. Начнем с тока. Ток какой-то величины подается в точку соединения элементов. Он разделяется, протекая по всем проводникам. Отсюда делаем вывод, что общий ток на участке равен сумме тока на каждом из элементов: I = I1 + I2 + I3.

Теперь относительно напряжения. Если напряжение — это работа по перемещению заряда, тоо работа, которая необходима на перемещение одного заряда будет одинакова на любом элементе. То есть, напряжение на каждом параллельно подключенном элементе будет одинаковым. U = U1=U2=U3. Не так весело и наглядно, как в случае с объяснением закона Ома для участка цепи, но понять можно.

Законы для параллельного соединения

Законы для параллельного соединения

Для сопротивления все несколько сложнее. Давайте введем понятие проводимости. Это характеристика, которая показывает насколько легко или сложно заряду проходить по этому проводнику. Понятно, что чем меньше сопротивление, тем проще току будет проходить. Поэтому проводимость — G — вычисляется как величина обратная сопротивлению. В формуле это выглядит так: G = 1/R.

Замкнутая и незамкнутая цепь

Определение 1Электрической цепью называют совокупность различных устройств, которые соединены конкретным способом. Устройства должны обеспечивать путь для протекания электрического тока. Существуют различные элементы цепей, служащие для множества целей. Для описания цепей используют специальные электрические схемы.

В состав любой электрической цепи входят различные элементы:

  • Источник тока. Им, например, может быть катушка индуктивности, по которой какое-то время шёл ток внешнего источника.
  • Проводники;
  • Нагрузка (в случае, когда она постоянна, вольтамперная характеристическая кривая представляет собой прямую линию, а такая нагрузка зовётся линейной;
  • Устройства защиты;
  • Устройства коммутации.

Различают два вида элементов цепей: пассивные и активные. Пассивные представляют собой соединительные элементы и приборы-потребители электроэнергии, также к пассивным элементам относятся конденсаторы. Активные элементы — это электродвигатели, заряжающиеся аккумуляторы и различные источники ЭДС.

Ничего непонятно? Попробуй обратиться за помощью к преподавателямОсновными видами электрической цепи являются:

  • замкнутая цепь;
  • разомкнутая цепь.

Замкнутая электрическая цепь

Замкнутая электрическая цепь представляет собой наиболее простой вариант соединения. Она состоит из источника электроэнергии, потребителя энергии и соединительных элементов в виде обычных проводов. Провода в цепи обязательно должны иметь соответствующую изоляцию.

Для обеспечения стабильной и безопасной работы электрической цепи ее снабжают дополнительными элементами. Обычно это различные электроизмерительные приборы, с помощью которых можно узнать величину токов и напряжения в системе, а также оборудование, предназначенное для замыкания и размыкания цепи.

Все замкнутые электрические цепи делят на две основные части:

  • внешний участок цепи;
  • внутренний участок цепи.

None Внешний участок цепи – система, которая состоит из одного или многих потребителей электроэнергии, а также соединительных проводов и приборов. Все они должны иметь отношение к функционированию замкнутой электрической цепи.

Закон Ома для замкнутой цепи

Закон Ома для замкнутой цепи показывает определенное значение тока. Оно зависит от сопротивления источника, а также от сопротивления нагрузки.

Величина тока в замкнутой цепи, которая состоит из источника цепи, будет равняться отношению электродвижущей силы источника к сумме внешнего и внутреннего сопротивлений. При этом источник тока должен обладать внешним и внутренним нагрузочным сопротивлением.

Такая зависимость была установлена экспериментальным путем в начале 19 века известным ученым Георгом Омом. Он смог описать результаты собственных опытов на математическом уровне. Закон Ома для замкнутой цепи можно записать следующим образом:

  • $\varepsilon$ – электродвижущая сила источника напряжения;
  • $R$ – сопротивление всех внешних элементов цепи, например, проводников;
  • $r$ – внутреннее сопротивление источника напряжения;
  • $I$ – сила тока в цепи.

Расчет для определенного сопротивления: $\varepsilon =I_1 R_1+I_1 r$$\varepsilon=I_2 R_2+I_2 r$После подстановки полученных значений, формула приобретает такой вид:

Физический смысл закона Ома для замкнутой цепи

Замкнутую электрическую цепь образуют потребители энергии только в совокупности с источником тока. Проходящий через потребителя ток течет обратно на его источник. Поэтому току достается сопротивление проводника и источника. Из этого складывается общее сопротивление замкнутой цепи, предполагающее наличие двух основных компонентов: сопротивления источника и сопротивления потребителя.

Зависимость тока от электродвижущей силы источника и сопротивления цепи состоит в следующем: при увеличении электродвижущей силы увеличивается энергия носителей зарядов. Это означает, что становится больше скорость движения зарядов в упорядоченном виде. Если увеличивать размер сопротивления цепи, то величина тока будет уменьшаться.

Электрический ток проходит непосредственно по замкнутой цепи. Необходимым условием присутствия электрического тока в цепи является надежное соединение проводниками источника электрической энергии с ее потребителями. Источники электроэнергии для различной аппаратуры: генераторы, аккумуляторы, гальванические элементы.

В различных устройствах могут быть определенные потребители электрической энергии. Чаще всего их представляют в виде ламп или электродвигателей.

Для соединения источников и потребителей в единую цепь применяют проводники из металлических материалов. Они могут быть различной формы, длины, толщины, обладать определенными техническими характеристиками. Часто применяются проводники, которые изолированы друг от друга.

Для возникновения тока нужно соединить две точки. Одна из точек должна иметь избыток электронов по отношению ко второй точке. Специалисты называют это действие созданием разности потенциалов между точками. Источник тока служит основным элементом для создания разности потенциалов в электрической цепи.

Любой потребитель электрической энергии может являться нагрузкой в цепи. Нагрузка создает сопротивление электрическому току. Электрический ток активно используют при создании искусственного освещения. Электрические простые лампы служат примером замкнутой цепи.

Разомкнутая электрическая цепь

При отсутствии потока электронов необходимое напряжение источника цепи проявляется на концах точек. В этом случае происходит процесс ожидания момента соединения концов точек, чтобы возобновился поток электронов. Подобную цепь принято называть разомкнутой.

Замечание 1При связывании концов проводов, где существует разрыв, непрерывность всей цепи восстановится. Это основная разница между замкнутой и разомкнутой цепью.

При включении и выключении электрического освещения (лампы) требуется постоянно осуществлять похожие процессы. Для удобства были созданы специальные устройства. Их называют выключателями или рубильниками. Они в автоматическом режиме по сигналу управляют потоками электронов в цепи, контролируя начало и завершение работы электрооборудования.

Рубильники практически идеально подходят для демонстрации принципов работы выключателей и переключателей. Однако при использовании их в больших электрических цепях существует немало проблем, связанных с безопасной эксплуатацией. Так как некоторые части рубильников открыты, то существует вероятность воспламенения горючих материалов. В современных выключателях применяются подвижные и неподвижные контакты, которые защищены изоляционным корпусом.

Простейшая электрическая цепь представляет собой нагрузку, подключенную к источнику питания. Для управления цепью в нее последовательно включают замыкающее устройство (ключ). При замкнутом ключе в цепи возникает электрический ток, а при разомкнутом – ток отсутствует. Именно от положения ключа (замкнутый/разомкнутый) напрямую зависит – какую электрическую цепь называют замкнутой и разомкнутой.

Элементы электрической цепи

Электрическую цепь разделяют на 2 участка – внутренний и внешний. Внутренним участком считается источник питания постоянного или переменного напряжения, а внешним – система, состоящая из нагрузки, приборов и соединительных элементов (проводов). Кроме обязательных элементов – источника и нагрузки, электрическая цепь может включать выключатели, реостаты, предохранительные плавкие или автоматические устройства, приборы контроля и индикации. Нагрузка также может состоять из различных потребителей, подключенных в цепь параллельно или последовательно.

Какую электрическую цепь называют замкнутой

Замкнутая цепь – это непрерывный контур, по которому через нагрузку протекает электрический ток. Простым примером является настольная лампа, подключенная в розетку. Пока кнопка выключателя выключена – цепь разомкнута.

При этом тока в цепи нет, поэтому лампочка не светит. Когда же кнопка включена, в цепи протекает электрический ток и лампа светит. Такая цепь называется замкнутой.

Более сложным примером является электросеть квартиры, которая представляет разветвленную цепь, состоящую из отдельных цепей, подключенных к одному источнику. Каждая ветка имеет свой выключатель. В этом случае вся цепь может быть замкнутой или только отдельный ее участок.

Какую электрическую цепь называют разомкнутой

Разомкнутая цепь имеет на своем участке, общем для всех потребителей, разрыв в виде отключенного контакта ключа. При этом цепь может оставаться под напряжением, но ток в такой цепи не возникает.

Электрический ток в замкнутой цепи

Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц (в металлическом проводнике – электронов). Ток возникает при замыкании выключателя, образуя непрерывный путь через нагрузку от одного потенциала к другому отличному от первого: от «+» к «-» или от фазы к нулю. Величина тока рассчитывается по закону Ома для замкнутой цепи.

Сила тока I (А) равна отношению электродвижущей силы источника ℰ (В) к суме сопротивления внешней нагрузки и внутреннего сопротивления источника тока R+r (Ом). I = ℰ/(R+r).

Определение работы электрической цепи

На практике определить замкнута или разомкнута цепь можно несколькими способами. Наиболее распространенным способом является индикация. Например, такие электробытовые приборы как светильники не нуждаются в индикации и их включение можно определить визуально, то есть если светильник светит, значит цепь замкнута.

Другой вопрос – как определить цепь с нагревательными или удаленными приборами? Как правило, такая техника как утюг, конвектор, электроплита и др. оснащаются индикаторной лампочкой, свечение которой оповещает о замкнутой цепи и работе прибора.

При нагревании до определенной температуры, термостат отключается, разрывая цепь, и лампочка потухает. После остывания на величину температурного гистерезиса, термостат снова включает цепь, в результате чего лампочка индикатора снова светится.

Индикация позволяет определить лишь наличие тока в цепи, а его величина определяется с помощью амперметра, включенного в цепь последовательно. Применяются также бесконтактные измерительные приборы – токоизмерительные клещи. Это портативный прибор, с помощью которого можно измерить электрический ток в изолированном проводнике. Наличие тока всегда свидетельствует о том, что цепь замкнута.

None Элементами электрической цепи являются: источник тока, нагрузка и проводники. Простейшая электрическая цепь показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Простейшая электрическая цепь.

В состав электрической цепи могут входить и другие элементы, таки как устройства коммутации, устройства защиты.

Как известно, для возникновения тока необходимо соединить две точки, одна из которых имеет избыток электронов в сравнении с другой. Другими словами необходимо создать разность потенциалов между этими двумя точками. Как раз для создания разности потенциалов в цепи применяется источник тока.

Источником тока в электрической цепи могут быть такие устройства, как генераторы, батареи, химические элементы и т. д.

Нагрузкой в электрической цепи считается любой потребитель электрической энергии. Нагрузка оказывает сопротивление электрическому току и от величины сопротивления нагрузки зависит величина тока. Ток от источника тока к нагрузке течет по проводникам. В качестве проводников стараются использовать материалы с наименьшим сопротивлением (медь, серебро, золото).

Важно, что для протекания тока в цепи, цепь должна быть замкнута! Типы электрических цепейВ электротехники по типу соединения элементов электрической цепи существуют следующие электрические цепи:

последовательная электрическая цепь; параллельная электрическая цепь;

последовательно-параллельная электрическая цепь. Последовательная электрическая цепь.

В последовательной электрической цепи (рисунок 2. ) все элементы цепи последовательно друг с другом, то есть конец первого с началом второго, конец второго с началом первого и т. д.

Рисунок 2. Последовательная электрическая цепь.

При таком соединении элементов цепи ток имеет только один путь протекания от источника тока к нагрузке.При этом общий ток цепи Iобщ будет равен току через каждый элемент цепи: Iобщ=I1=I2=I3Падение напряжения вдоль всей цепи, то есть на участке А-Б (Uа-б), будет равно приложенному к этому участку напряжению E и равно сумме падений напряжений на всех участках цепи (резисторах):

None В параллельной электрической цепи (рисунок 3.) все элементы соединены таким образом, что их начало соединены в одну общую точку, а концы в другую.

Рисунок 3. Параллельная электрическая цепь.

В этом случае у тока имеется несколько путей протекания от источника к нагрузкам, а общий ток цепи Iобщ будет равен сумме токов параллельных ветвей: Iобщ=I1+I2+I3Падение напряжения на всех резисторах будет равно приложенному напряжению к участку с параллельным соединением резисторов:

None Последовательно-параллельная электрическая цепь является комбинацией последовательной и параллельной цепи, то есть ее элементы включаются и последовательно и параллельно (рисунок 4).

Рисунок 4. Последовательно-параллельная электрическая цепь.

Закон Ома для участка цепи. Величина тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению.

Измерение тока в цепи

None Закон Ома для замкнутой цепи.

Величина тока в неразветвленной замкнутой цепи, содержащей один источник тока прямо пропорциональна Э. Д. С.

источника и обратно пропорциональна сопротивлению всей цепи. I = E/(R + r)Где E – Э. Д.

С. источника (в В); r – инутреннее сопротивление источника тока; .

Из формулы для замкнутой цепи вытекают следующие две формулы:

I*R = E – I*r U = E – I*rСледовательно, напряжение на зажимах источника тока меньше его Э.Д.С. на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника. При разомкнутой внешней цепи источника напряжение на зажимах источника равно его Э.Д.С.

Формула закона Ома для замкнутой цепи

Ток в неразветвленной замкнутой электрической цепи с несколькими источниками и несколькими сопротивлениями, определяется по следующей формуле: I = En/(Rm + rn)Где En = E1 – E2 + E3 алгебраическая сумма – Э.Д.С. всех источников (в В); rn = r1 + r2 + r3 – сумма внутренних сопротивлений источников тока; Rm = R1 + R2 + R3 – сумма сопротивлений внешней цепи.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Макеты страницДо сих пор мы не конкретизировали понятие «ресурс» — в реальных экосистемах это может быть либо энергия, либо какие-то жизненно необходимые вещества (например, углерод, азот или фосфор). Если по отношению к энергии любая экосистема является незамкнутой, энергия солнечного света «протекает» через экосистему, попутно рассеиваясь в виде тепла (расходы на дыхание, на метаболическую активность и т. д.), то по отношению к биологическим веществам (углероду, азоту, фосфору и т. д.) экосистемы являются замкнутыми (с той или иной степенью замкнутости). Замыкание происходит за счет деятельности так называемых «разла-гателей» (микроорганизмы, грибы, черви), которые разлагают мертвую органику до минеральных компонентов, служащих питательными веществами для первичных трофических уровней. То же самое справедливо и для трофических цепей. Поэтому в дальнейшем мы будем рассматривать два типа трофических цепей: незамкнутые («проточные») и замкнутые («циклы»). Схематически оба эти типа изображены на рис. 28. Рост и развитие экосистем, как правило, лимитируется каким-либо фактором (принцип Либиха). Это может быть либо солнечный свет, либо какой-нибудь химический элемент — обычно азот или фосфор. Рис. 28. Схема трофической цепи длины : а) незамкнутая («проточная») цепь; б) замкнутая цепь («цикл»). Коэффициенты а; — доли восстановленного вндами-разлагателями ресурса, содержащегося в отмершей биомассе i-гo вида. Эти коэффициенты характеризуют степень замыкания трофической цепи. Если солнечный свет — ресурс невозобновимый, то химические вещества за счет деятельности разлагателей снова вовлекаются в круговорот. Поэтому в том случае, когда лимитирующим фактором оказывается солнечный свет, трофическая цепь незамкнута, а если это один из биогенных элементов, то трофическая цепь замыкается в цикл. Рассмотрим более подробно схемы на рис. 28. Здесь R — ресурс, используемый 1-м видом с биомассой . Удельная скорость использования — это количество ресурса потребляемое единицей биомассы (одной особью) 1-го вида за единицу времени. Из общего количества потребляемого ресурса лишь доля его идет на воспроизводство новой биомассы вида, остальное расходуется на поддержание жизнедеятельности. Кроме того, с постоянной скоростью биомасса 1-го вида отмирает, 2-й вид использует уже в качестве ресурса биомассу 1-го вида, потребляя ее с удельной скоростью , 3-й вид — биомассу второго и т. д. Цепочка заканчивается на виде, биомассу которого уже никто не потребляет. Вторая схема этого рисунка отличается от первой тем, что существует вид — разлагатель, который в качестве ресурса использует мертвую биомассу первых видов и за счет своей жизнедеятельности частично восполняет убыль ресурса R. Мы будем предполагать, что разложение мертвой биомассы происходит достаточно быстро и высвободившийся при разложении ресурс практически мгновенно снова может быть использован видом. Кроме того, скорость роста биомассы вида-разлагателя столь велика, что он также практически мгновенно может утилизировать любое количество мертвой биомассы других видов. В этом случае нет необходимости рассматривать численность или биомассу вида-разлагателя в качестве отдельной фазовой переменной — можно считать, что вся отмирающая биомасса (или некоторая ее часть — если учитывать неизбежные потери в этом процессе) сразу же возвращается в блок ресурса. Пусть экосистема имеет трофический граф типа изображенных на рис. 28. Предположим, что вся таким образом организованная экосистема стремится к некоторому состоянию равновесия, причем в этом состоянии отличны от нуля стационарные численности только первых q видов. Такое устойчивое равновесие естественно называть трофической цепью длины Пусть скорость поступления в экосистему внешнего ресурса постоянна и равна Q. Ставится следующий вопрос: какова должна быть эта скорость (при заданных трофических функциях ), и параметрах чтобы в таком сообществе существовало устойчивое нетривиальное равновесное состояние с ненулевыми численностями первых q видов? Другими словами, каковы условия существования трофической цепи длины q? Очевидно, эти условия определяются параметрами экосистемы и скоростью поступления в экосистему внешнего ресурса. По трофическим графам на рис. 28 достаточно просто выписываются следующие балансовые уравнения для биомасс видов. а) Незамкнутая цепь: б) Замкнутая цепь: По своему биологическому смыслу параметры удовлетворяют ограничениям . Если считать, что ни один вид не имеет в избытке трофического ресурса, т. е. трофические связи «напряжены» (см. стр. 95), то в этом случае и уравнения (2.1) и (2.2) переходят в уравнения вольтерровского типа (за исключением первых уравнений, которые содержат член Q). Тогда, полагая формально мы получим для описания динамики трофически цепей двух типов следующие две системы. а) Незамкнутая цепь: б) Замкнутая цепь: В последующих параграфах будут рассмотрены условия существования и устойчивости равновесий в этих системах, или, иными словами, условия существования трофических цепей.

 

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *