Определите полюса источника тока источник тока: определите полюсы источника тока — Школьные Знания.com

Содержание

Определение полюсов источника тока — Справочник химика 21

    Опыт 3. Определение полюса источников тока. В чашечку налейте небольшое количество растворов хлористого натрия, прибавьте одну — две капли фенолфталеина и в раствор опустите концы токоотводов от медной и цинковой пластинок, предварительно отключив их от гальванометра. Почему у конца токоотво-да цинковой пластинки произошло окрашивание раствора Можно ли таким путем определить полюса гальванического элемента  [c.115]
    Определение полюсов источника тока [c.170]

    Схема полярографической установки и методика работы. Наиболее простая схема полярографической установки и форма электролизера показаны на рис. 45. Электролизером служит стакан I, на дне которого находится слой ртути . Эта ртуть обычно (например при определении металлов) является анодом и соединена посредством платинового контакта с положительным полюсом источника тока.

В стакан наливают анализируемый раствор и погружают в него толстостенную капиллярную трубку с очень малым внутренним диаметром (0,03—0,05 мм). Капилляр присоединен посредством резиновой трубки к сосуду 2 со ртутью, которая соединена с отрицательным полюсом источника тока. Ртуть из сосуда 2 вытекает через капилляр в исследуемый раствор отдельными каплями (диа- [c.216]

    Определив полюс, не выключая реостата В и предохранительного сопротивления D, присоединяют прибор для определения чисел переноса и серебряный кулонометр так, чтобы серебряные электроды обоих приборов являлись анодами, т. е. были соединены с положительным полюсом источника тока. 

[c.91]

    В гальваническом элементе катод считается положительным полюсом, анод — отрицательным. Если ток подводится к элементу извне — от генератора или от батареи — восстановление идет на электроде, присоединенном к отрицательному полюсу внешнего источника тока, этот электрод служит катодом, а электрод, соединенный с положительным полюсом генератора, — анодом. Это определение справедливо, когда элемент генерирует ток, а также когда ток подается извне. [c.23]

    На электрофоретическом стенде цвет проводников соответствует определенному полюсу источника тока (проводники на стенде двух цветов). В зависимости от направления движения границы золя судят о знаке заряда его частицы. 

[c.76]

    Мы уже знаем, что электроны в металле движутся по разным направлениям и с неодинаковыми скоростями. Соединение металлического проводника с источником тока приводит к некоторому изменению движения электронов — компонента скорости в направлении поля (т. е. от отрицательного полюса источника тока к положительному) становится несколько больше компоненты скорости в противоположном направлении. Увеличение скорости в определенном направлении очень мало по сравнению с абсолютными скоростями хаотического движения электронов, но его вполне достаточно, чтобы обеспечить протекание электрического тока. Такое положение типично для многих (физических и химических процессов. Ско 

[c.16]

    Для определения полюсов у источников постоянного тока применяют индикатор или неоновую лампу. [c.105]


    Установку для определения анодного выхода по току собирают по схеме рис. 18 с той лишь разницей, что в ванну 5 вместо анодов помещают катоды, изготовленные из железа, меди или латуни. Эти электроды соединяются вне сосуда 5 медной проволокой и с помощью клемм подключаются к отрицательному полюсу источника тока и. [c.29]

    Принципиальная схема устройства для нагрева в электролите была показана на рис. 6. К стальной ванне с раствором электролита подведен положительный полюс от источника постоянного тока. Металлическая деталь устанавливается или подвешивается таким образом, чтобы та часть ее, которую нужно нагреть до определенной температуры, была погружена в электролит. К детали подводится отрицательный полюс источника тока. Механизм процесса нагрева можно представить в виде двух фаз. Для первой фазы характерно образование газового слоя около катода. Если на электроды подать достаточно большое напряжение, то в результате электролиза выделяю- 

[c.104]

    Схема катодной защиты представлена на рис. П-32 Катодная поляризация металлической конструкции (стальной трубы) в определенном электролите достигается при помощи источника постоянного тока. К его положительному полюсу присоединяют вспомогательный, чаще всего нерастворимый анод, а к отрицательному — защищаемую металлическую конструкцию. В образовавшейся электрической цепи ток течет от положительного полюса по направлению к аноду, далее он через коррозионную среду направляется в защищаемую конструкцию, а из нее возвращается к отрицательному полюсу источника тока. Как правило, в качестве источника постоянного тока используют выпрямители. Сила протекающего в цепи тока обусловлена соответствующим напряжением на клеммах выпрямителя и сопротивлением системы. 

[c.51]

    Определение полюсов у источников постоянного тока [c.105]

    Обычная принципиальная схема электрического дренажа приведена на рис. 193. Основным звеном электрического дренажа является провод, соединяющий защищаемое сооружение с отрицательным полюсом источника тока. Вследствие малого сопротивления соединительного провода ток, собранный трубопроводом на катодных зонах, не переходит в почву, а идет в основном по дренажному соединению или к рельсам, или к отрицатель ной шине источника тока. Дополнительным оборудованием установки электрического дренажа является регулирующий реостат, амперметр, плавкий предохранитель и иногда сигнальное устройство. Амперметр предназначен для определения величины дренируемого тока, что необходимо при его регулировке при помощи реостата, плавкий предохранитель на предельно допустимый ток устанавливается на случай короткого замыкания в тяговой сети, а сигнальное устройство указывает на аварию дренажа. 

[c.354]

    Определение знаков полюсов. Если знаки полюсов источника тока неизвестны, то их можно определить, включив слабый ток и прикоснувшись к концам свинцовых проводов куском фильтровальной бумаги, пропитанной раствором поваренной сол и, содержащим немного фенолфталеина. Край бумаги вблизи отрицательного полюса, или катода, окрасится в розовый цвет. [c.8]

    Этот метод пригоден, в частности, и для определения непроницаемости слоя покрытия эмалированной аппаратуры. Метод состоит в том, что эмалированный аппарат заполняется 1 %-ным раствором поваренной соли, в который добавляют фенолфталеин, растворенный в спирте. Корпус аппарата присоединяют к отрицательному полюсу источника тока к положительному полюсу присоединяют какой-либо электрод, желательно нерастворимый уголь, графит, платину, а при отсутствии их — алюминий, сталь, медь. После 5—10-минутного испытания, в местах, где имеются изъяны, раствор окрасится в красный цвет. 

[c.339]

    Электрическая схема катодной защиты внешним током приведена на рис. 202, б. Источник постоянного тока 1 дает на зажимах напряжение , необходимое для защиты определенного участка трубопровода. Ток (отрицательные заряды) от отрицательного полюса источника по проводу с сопротивлением R попадает в точке дренажа на защищаемую трубу, сопротивление которой / 2- Затем следует сопротивление У з, являющееся переходным сопротивлением между трубопроводом и грунтом, которое тем больше, чем в лучшем состоянии находится защитная 

[c.304]

    Потенциал электрода. Поляризация и напряжение разложения. Прохождение тока через раствор электролита резко отличается от прохождения тока через металл. Если к концам металлического стержня присоединить провода от источника тока, то уже при самом небольшом приложенном напряжении через стержень будет идти поток электронов. Вещество металла при этом не изменяется, часть тока затрачивается только на некоторое нагревание проводника. Если же провода от источника постоянного тока опустить в раствор электролита, то электрический ток пойдет только при некоторых определенных условиях. Прохождение тока в этом случае связано с движением ионов в растворе и с разрядом ионов на электродах или с превращением атомов электрода в ионы. На электродах начинаются электрохимические процессы, которые приводят к изменению состава раствора и электрода. Таким образом, два одинаковых электрода становятся различными в результате прохождения тока через раствор. Эти два проводника становятся теперь различными полюсами гальванического элемента, возникающего внутри электролита такое явление, препятствующее прохождению тока через раствор, называют поляризацией. 

[c.216]


    Как видно из электрической схемы катодной заш иты внешним током (рис. 2), источник постоянного тока / дает на зажимах напряжение Е, необходимое для защиты определенного участка трубопровода. Ток (отрицательные заряды) от отрицательного полюса по проводу с сопротивлением попадает в точке дренажа на защищаемую трубу, сопротивление которой Затем следует сопротивление являющееся переходным сопротивлением между трубопроводом и грунтом, которое тем больше, чем в лучшем состоянии находится изоляция трубопровода. Сопротивление грунта на пути между трубопроводом и анодным заземлением в большинстве случаев не принимается во внимание вследствие незначительной его величины. 
[c.12]

    Определение полярности. Если полярность источника тока неизвестна, то ее можно определить, включив слабый ток и прикасаясь к концам токоподводящих проводов куском фильтровальной бумаги, смоченной раствором хлористого натрия, содержащим небольшое количество фенолфталеина. Та. часть бумаги, к которой прикасаются проводом, соединенным с отрицательным полюсом или катодом, окрасится в розовый цвет. [c.319]

    Широкое применение нашел. метод определения места замыкания оборудования на землю без отключения серии электролизеров, основанный на использовании различия в распределении напряжения по серии относительно земли при нормальной работе и заземлении в какой-либо точке. При резком изменении показаний вольтметров контроля можно найти порядковый номер электролизера (считая от положительного полюса источник питания серии током) по формуле  [c.188]

    Оксидирование металлов заключается в создании на поверхности плотных пленок их оксидов, что осуществляется либо химическим, либо электрохимическим путем. В. первом случае очищенную от продуктов коррозии и обезжиренную деталь погружают на определенное время в раствор окислителей, который вызывает пассивацию (гл. X, 2) металла. Так проводят воронение стали, для чего стальной предмет можно выдержать до 90 мин в смешанном растворе NaNOз (50 г/л), НаМОг (200 г/л) и МаОН (800 г/л) при 140°С (метод Е. И. Забываёва). Во втором случае обрабатываемый металл помещают в окислительный раствор и для интенсификации его окисления подключают к положительному полюсу источника постоянного ток , делая его анодом. Так получают оксидированный (анодированный) алюминий. [c.197]

    Определение полюсов у источников постоянного тока. …. Различные советы и указания [c.359]

    В главе II уже говорилось о том, что если в электролит погрузить две металлические пластины, соединенные проводниками с полюсами источника постоянного тока, то движение ионов, имевшее до сих пор беспорядочный характер, приобретает определенный порядок (см. фиг. 4). Ионы, имеющие отрицательный заряд,— анионы начинают двигаться по направлению к пластине, соединенной с положительным полюсом — анодом. В то же время положительно заряженные ионы — катионы двигаются к пластине, соединенной с отрицательным полюсом — катодом (анионы — к аноду, катионы — к катоду). Достигая поверхности анода, анионы разряжаются, отдавая избыточные электроны и превращаясь в нейтральные атомы или группы атомов, которые вступают в химические реакции или выделяются в свободном виде. Например, СГ—е=С 80/—2е = 50 (буквой е обозначается отрицательный заряд — электрон). [c.23]

    Отрицательный полюс внешнего источника тока подводят к колоколу часто с помощью гибкого провода с грушей на конце, которая вводится в колокол сверху иногда ток подводят к медной пластине, находящейся внутри барабана или колокола. Положительный полюс подводят через анодную штангу к завешенным на нее анодам. В колоколе или барабане в каждый определенный момент под непосредственным воздействием электрического тока находится лишь часть изделий, поэтому продолжительность покрытия увеличивается в 2—4 раза по сравнению с той, которая необходима для получения покрытия заданной расчетной толщины. [c.236]

    Окончив определение, растворяют осажденный на катоде никель кипячением в течение 15 мин с разбавленной (1 1) азотной и лoтoй. Растворение ускоряется, если в НЫОз присутствуют Си2+-ионы. Еще лучше растворение проводить электролитически. Лля этого сетчатый электрод, на котором осажден никель, делают анодом (т. е. соединяют его с положительным полюсом источника тока), а катодом служит медная проволока. В качестве электролита берут разбавленную азотную кислоту. [c.446]

    КИСЛОТЫ. Через определенный промежуток времени образовавшийся раствор собирают капиллярной пипеткой и анализируют. Этот раствор можно проанализировать также непосредственно на образце при помощи бумаги, пропитанной реактивом. Если образец является проводником, то можно применить метод электрографии [25]. Исследуемый образец соединяют с положительным полюсом источника постоянного тока и помещают на его поверхность фильтровальную бумагу, пропитанную раствором электролита, например КС1 на нее накладывают реактивную бумагу и прижимают ее алюминиевой или свинцовой пластинкой, подсоединенной к отрицательному полюсу источника тока. Ток вызывает анодное растворение материала образца. Таким способом можно легко обнаружить неоднородности поверхности и трещины в металлических покрытиях (способ отпечатков). Для этого особенно пригодна бумага, на которую нанесен слой, тормозящий диффузию, например желатинированная бумага, приготовленная фиксированием незасвеченной фотобумаги. В продаже имеются аппараты (электрографы), в которых между электродами можно зажимать небольшие изделия или пробы. [c.56]

    Как этот процесс, так и направление тока в цепи обратны тем, которые возникают под влиянием внеи ней э. д. с. при электролизе. Так как при электролизе катионы движутся и разряжаются на электроде, присоединенном к отрицательному полюсу внешнего источника тока (с определенной э.д. с.), от которого электрод получает электроны, этот электрод называется катодом второй эле1 трод, на котором разряжаются анионы (окисляются, т. е. отд 1ЮТ ему электроны), носит название анода. [c.427]

    Чтобы получить в элементе электрическую работу, надо подключить к нему какой-нибудь прибор (двигатель, осветительную лампу), иначе говоря, сопротивление / . С увеличением сопротивления растет падение напряжения между полюсами элемента и при оо оно становится наибольшим и равным электродвижущей силе (э. д. с.) элемента. Если включить навстречу источник тока, э. д. с. которого отличается на бесконечно малую величину от э. д. с. элемента, то можно провести процесс в прямом и обратном направлениях с бесконечно малыми химическими превращениями, отвечающими состоянию динамического равновесия. Несущественно, что прямой и обратный процессы разделены во времени. 1Гакой процесс называют квазистатическим, чем подчеркивается независимость равновесных состояний от времени. Квазистатический процесс не создает остаточных изменений ни в системе, ни в окружающей среде и по определению является термодинамически обратимым (квазиобратимым). [c.29]

    Методика определения. В стакан емкостью 100 мл наливают около 45 мл раствора фона (0,1 М раствор относительно K2SO4 и h3SO4) и 5 мл испытуемого раствора сульфата меди туда же опускают проволочные Pt-электроды I 3 см и d = мм) и магнитную мешалку. Один из электродов присоединяют к отрицательному полюсу внешнего источника тока, а второй — последовательно через переменные сопротивления, переключатель тока и амперметр — к положительному полюсу. Параллельно к электродам подключают вольтметр (соблюдать полярность ) и так подбирают сопротивления, чтобы при замыкании цепи напряжение на электродах было около 2 в. Проводят электролиз при перемешивании раствора до тех пор, пока вся медь не выделится на катоде. Выключают ток и прекращают перемешивание раствора. Реверсируют ток, удаляют вольтметр, заменяют амперметр миллиамперметром и, подбирая сопротивления, добиваются, чтобы в цепи протекал ток около 1 ма, строго постоянный одновременно с помощью переключателя включают ток и запускают секундомер. Прй анодном процессе растворения меди электрод должен быть подключен к клемме электронного вольтметра, к другой клемме которого подключен Нас. КЭ, находящийся в стакане емкостью 50 мл с насыщенным раствором КС1. Этот стакан с электролитом соединяют U-образной стеклянной трубкой, также наполненной насыщенным раствором КС1, с электролизером. [c.218]

    Полюсоискатели. Приводим наиболее простые электрохимические способы определения полюсов у источников тока при помощи медных электродов (концов проволок). [c.462]

    Ход определения. В ванну 6 (см. i i . 3.5) вводят приготовленный рабочий раствор грунтовки В-КФ-093 в количестве 100 г из расчета Xi + Х-1 + Хз = 100 г. Затем в раствор погружают стальную пластину (образец) 7, которая служит анодам (к ней подведен один из полюсов источника постоянного тока). П Ж зтом корпус ванны JJyжит противоположным по знаку электродом — катодом. Под воздействием постоянного электрического поля в водном растворе грушовки В-КФ-093 происходит перенос ноной пленкообраэующего в налравпеннн приложенного поля (к окрашиваемой пластине). Вначале грунтовка осаждается на острых кромках пластины, плотность заряда на которых высока. По мере увеличения осажденного слоя грунтовки на пластине происходит [c.91]

    При подключении к полюсам источника постоянного тока, например, двух металлических пластин, погруженных в раствор кислоты или щелочи, в гальванической батарее наблюдается появление электрического тока. Одновременно на металлических пластинах происходят определенные реакции. Так, в случае применения платиновых пластинок и растворов щелочей или кислот на пластинке, присоединенной к положительному (отрицательному) полюсу, выделяется кислород (водород). Этот процесс получш название электролиза, а раствор — электролита. [c.29]

    Прохождение электрического тока через растворы электролитов объясняется следующим. Как только опущенные в раствор электроды соединяются с источником электрического тока, они сейчас же заряжаются. Электрод, соединенный с положительным полюсом источника электрического тока (анод), заряжается положительно. Электрод, соединенный с отрицательным полюсом (катод), заряжается отрицательно. После этого ионы начинают передвигаться в растворе уже не беспорядочно, а в строго определенных направлениях. Отрицательно заряженные ионы, например, ионы С1 из хлорной меди СиС12, направляются к положительно заряженному аноду. Здесь происходит нейтрализация этих ионов и превращение их в электронейтральные атомы хлора. Атомы хлора, соединяясь попарно в молекулы СХз, выделяются у анода в виде газа. Положительно заряженные ионы, например, ионы Си» из хлорной меди, направляются к отрицательно заряженному катоду. Здесь также происходит их нейтрализация и превращение в электронейтральные атомы меди, которые осаждаются на катоде. [c.220]

    Тампонажное устройство изготовлено в виде переносного прибора, который состоит из источника постоянного тока (трансформатора, выпрямитель, измерительные приборы и регулирующие устройства), и тампона в виде металлического охлаждаемого водой овального электрода из нержавеющей стали. Овальная головка обтянута гигроскопическим чехлом из стекловолокна, способным впитать определенное количество электролита. Тампон подключают к отрицательному полюсу источника постоянного тока, положительный полюс, с помощью обыкновенной кро кодиловой клеммы, подключают к полируе.мой детали. [c.252]

    Если соединить концы двух металлических проводников (электродов), погруженных в раствор электролита, с полюсами источника постоянного тока, то положительно заряженным электродом (анодом) будут притягиваться отрицательно заряженные ионы (анионы), а отрицательным электродом (катодо м)—положительно заряженные ионы (катионы). Однако, разряд ионов может наступить только в том случае, когда подводимое напряжение достигнет вполне определенного значения, при обязательном условии, что применяемый нерастворимый анод не отдает в раствор посторонних ионов, что в действительности и имеет место при электроанализе. [c.431]


Электродвижущая сила (ЭДС) источника энергии

  

Для поддержания электрического тока в проводнике требуется внешний источник энергии, создающий все время разность потенциалов между концами этого проводника. Такие источники энергии получили название источников электрической энергии (или источников тока).

Источники электрической энергии обладают определенной электродвижущей силой (сокращенно ЭДС), которая создает и длительное время поддерживает разность потенциалов между концами проводника. Иногда говорят, что ЭДС создает электрический ток в цепи. Нужно помнить об условности такого определения, так как выше мы уже установили, что причина возникновения и существования электрического тока — электрическое поле.

Источник электрической энергии производит определенную работу, перемещая электрические заряды по всей замкнутой цепи..

Определение: Работа, совершаемая источником электрической энергии при переносе единицы положительного заряда по всей замкнутой цепи, называется ЭДС источника

За единицу измерения электродвижущей силы принят вольт (сокращенно вольт обозначается буквой В или V — «вэ» латинское).

ЭДС источника электрической энергии равна одному вольту, если при перемещении одного кулона электричества по всей замкнутой, цепи источник электрической энергии совершает работу, равную одному джоулю:

В практике для измерения ЭДС используются как более крупные, так и более мелкие единицы, а именно:

1 киловольт (кВ, kV), равный 1000 В;

1 милливольт (мВ, mV), равный одной тысячной доле вольта (10-3 В),

1 микровольт (мкВ, μV), равный одной миллионной доле вольта (10-6 В).

Очевидно, что 1 кВ = 1000 В; 1 В = 1000 мВ = 1 000 000 мкВ; 1 мВ= 1000 мкВ.

В настоящее, время существует несколько видов источников электрической энергии. Впервые в качестве источника электрической энергии была использована гальваническая батарея, состоящая из нескольких цинковых и медных кружков, между которыми была проложена кожа, смоченная в подкисленной воде. В гальванической батарее химическая энергия превращалась в электрическую (подробнее об этом будет рассказано в главе XVI). Свое название гальваническая батарея получила по имени итальянского физиолога Луиджи Гальвани (1737—1798), одного из основателей учения об электричестве.

Многочисленные опыты по усовершенствованию и практическому использованию гальванических батарей были проведены русским ученым Василием Владимировичем Петровым. Еще в начале прошлого века он создал самую большую в мире гальваническую батарею и использовал ее для ряда блестящих опытов.

Источники электрической энергии, работающие по принципу преобразования химической энергии в электрическую, называются химическими источниками электрической энергии.

Другим основным источником электрической энергий, получившим широкое применение в электротехнике и радиотехнике, является генератор. В генераторах механическая энергия преобразуется в электрическую.

На электрических схемах источники электрической энергии и генераторы обозначаются так, как это показано на рис. 1.

Рисунок 1. Условные обозначения источников электрической энергии: а — источник ЭДС, общее обозначение, б — источник тока, общее обозначение; в — химический источник электрической энергии; г — батарея химических источников; д — источник потоянного напряжения; е — источник переменного нарияжения; ж —  генератор.

 

У химических источников электрической энергии и у генераторов электродвижущая сила проявляется одинаково, создавая на зажимах источника разность потенциалов и поддерживая ее длительное время. Эти зажимы называются полюсами источника электрической энергии. Один полюс источника электрической энергии имеет положительный потенциал (недостаток электронов), обозначается знаком плюс ( + ) и называется положительным полюсом. Другой полюс имеет отрицательный потенциал (избыток электронов), обозначается знаком минус (—) и называется отрицательным полюсом.

От источников электрической энергии электрическая энергия передается по проводам к ее потребителям (электрические лампы, электродвигатели, электрические дуги, электронагревательные приборы и т. д.).

Определение: Совокупность источника электрической энергии, ее потребителя и соединительных проводов называется электрической цепью.

Простейшая электрическая цепь показана на рис. 2.

Рисунок 2. Простейшая электрическая цепь: Б — источник электрической энергии; SA — выключатель; EL — потребитель электрической энергии (лампа).

Для того чтобы по цепи проходил электрический ток, она должна быть замкнутой. По замкнутой электрической цепи непрерывно проходит ток, так как между полюсами источника электрической энергии существует некоторая разность потенциалов. Эта разность потенциалов называется напряжением источника и обозначается буквой U. Единицей измерения напряжения служит вольт. Так же как и ЭДС, напряжение может измеряться в киловольтах, милливольтах и микровольтах.

Для измерения величины ЭДС и напряжения применяется прибор, называемый вольтметром. Если вольтметр подключить непосредственно к полюсам источника электрической энергии, то при разомкнутой электрической цепи он покажет ЭДС источника электрической энергии, а при замкнутой — напряжение на его зажимах: (рис. 3).

Рисунок 3. Измерение ЭДС и напряжения источника электрической энергии: а— измерение ЭДС источника электрической энергии; б — измерение напряжения на зажимах источника электрической энергии..

Заметим, что напряжение на зажимах источника электрической энергии всегда меньше его ЭДС.  

ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!

Похожие материалы:

Добавить комментарий

Электрический ток — Физика — Теория, тесты, формулы и задачи

Оглавление:

 

Основные теоретические сведения

Электрический ток. Сила тока. Сопротивление

К оглавлению…

В проводниках при определенных условиях может возникнуть непрерывное упорядоченное движение свободных носителей электрического заряда. Такое движение называется электрическим током. За направление электрического тока принято направление движения положительных свободных зарядов, хотя в большинстве случае движутся электроны – отрицательно заряженные частицы.

Количественной мерой электрического тока служит сила тока I – скалярная физическая величина, равная отношению заряда q, переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени t, к этому интервалу времени:

Если ток не постоянный, то для нахождения количества прошедшего через проводник заряда рассчитывают площадь фигуры под графиком зависимости силы тока от времени.

Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным. Сила тока измеряется амперметром, который включается в цепь последовательно. В Международной системе единиц СИ сила тока измеряется в амперах [А]. 1 А = 1 Кл/с.

Средняя сила тока находится как отношение всего заряда ко всему времени (т.е. по тому же принципу, что и средняя скорость или любая другая средняя величина в физике):

Если же ток равномерно меняется с течением времени от значения I1 до значения I2, то можно значение среднего тока можно найти как среднеарифметическое крайних значений:

Плотность тока – сила тока, приходящаяся на единицу поперечного сечения проводника, рассчитывается по формуле:

При прохождении тока по проводнику ток испытывает сопротивление со стороны проводника. Причина сопротивления – взаимодействие зарядов с атомами вещества проводника и между собой. Единица измерения сопротивления 1 Ом. Сопротивление проводника R определяется по формуле:

где: l – длина проводника, S – площадь его поперечного сечения, ρ – удельное сопротивление материала проводника (будьте внимательны и не перепутайте последнюю величину с плотностью вещества), которое характеризует способность материала проводника противодействовать прохождению тока. То есть это такая же характеристика вещества, как и многие другие: удельная теплоемкость, плотность, температура плавления и т.д. Единица измерения удельного сопротивления 1 Ом·м. Удельное сопротивление вещества – табличная величина.

Сопротивление проводника зависит и от его температуры:

где: R0 – сопротивление проводника при 0°С, t – температура, выраженная в градусах Цельсия, α – температурный коэффициент сопротивления. Он равен относительному изменению сопротивления, при увеличении температуры на 1°С. Для металлов он всегда больше нуля, для электролитов наоборот, всегда меньше нуля.

Диод в цепи постоянного тока

Диод – это нелинейный элемент цепи, сопротивление которого зависит от направления протекания тока. Обозначается диод следующим образом:

Стрелка в схематическом обозначении диода показывает, в каком направлении он пропускает ток. В этом случае его сопротивление равно нулю, и диод можно заменить просто на проводник с нулевым сопротивлением. Если ток течет через диод в противоположном направлении, то диод обладает бесконечно большим сопротивлением, то есть не пропускает ток совсем, и является разрывом в цепи. Тогда участок цепи с диодом можно просто вычеркнуть, так как ток по нему не идет.

 

Закон Ома. Последовательное и параллельное соединение проводников

К оглавлению…

Немецкий физик Г.Ом в 1826 году экспериментально установил, что сила тока I, текущего по однородному металлическому проводнику (то есть проводнику, в котором не действуют сторонние силы) сопротивлением R, пропорциональна напряжению U на концах проводника:

Величину R принято называть электрическим сопротивлением. Проводник, обладающий электрическим сопротивлением, называется резистором. Это соотношение выражает закон Ома для однородного участка цепи: сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

Проводники, подчиняющиеся закону Ома, называются линейными. Графическая зависимость силы тока I от напряжения U (такие графики называются вольт-амперными характеристиками, сокращенно ВАХ) изображается прямой линией, проходящей через начало координат. Следует отметить, что существует много материалов и устройств, не подчиняющихся закону Ома, например, полупроводниковый диод или газоразрядная лампа. Даже у металлических проводников при достаточно больших токах наблюдается отклонение от линейного закона Ома, так как электрическое сопротивление металлических проводников растет с ростом температуры.

Проводники в электрических цепях можно соединять двумя способами: последовательно и параллельно. У каждого способа есть свои закономерности.

1. Закономерности последовательного соединения:

Формула для общего сопротивления последовательно соединенных резисторов справедлива для любого числа проводников. Если же в цепь последовательно включено n одинаковых сопротивлений R, то общее сопротивление R0 находится по формуле:

2. Закономерности параллельного соединения:

Формула для общего сопротивления параллельно соединенных резисторов справедлива для любого числа проводников. Если же в цепь параллельно включено n одинаковых сопротивлений R, то общее сопротивление R0 находится по формуле:

Электроизмерительные приборы

Для измерения напряжений и токов в электрических цепях постоянного тока используются специальные приборы – вольтметры и амперметры.

Вольтметр предназначен для измерения разности потенциалов, приложенной к его клеммам. Он подключается параллельно участку цепи, на котором производится измерение разности потенциалов. Любой вольтметр обладает некоторым внутренним сопротивлением RB. Для того чтобы вольтметр не вносил заметного перераспределения токов при подключении к измеряемой цепи, его внутреннее сопротивление должно быть велико по сравнению с сопротивлением того участка цепи, к которому он подключен.

Амперметр предназначен для измерения силы тока в цепи. Амперметр включается последовательно в разрыв электрической цепи, чтобы через него проходил весь измеряемый ток. Амперметр также обладает некоторым внутренним сопротивлением RA. В отличие от вольтметра, внутреннее сопротивление амперметра должно быть достаточно малым по сравнению с полным сопротивлением всей цепи.

 

ЭДС. Закон Ома для полной цепи

К оглавлению…

Для существования постоянного тока необходимо наличие в электрической замкнутой цепи устройства, способного создавать и поддерживать разности потенциалов на участках цепи за счет работы сил неэлектростатического происхождения. Такие устройства называются источниками постоянного тока. Силы неэлектростатического происхождения, действующие на свободные носители заряда со стороны источников тока, называются сторонними силами.

Природа сторонних сил может быть различной. В гальванических элементах или аккумуляторах они возникают в результате электрохимических процессов, в генераторах постоянного тока сторонние силы возникают при движении проводников в магнитном поле. Под действием сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему в замкнутой цепи может поддерживаться постоянный электрический ток.

При перемещении электрических зарядов по цепи постоянного тока сторонние силы, действующие внутри источников тока, совершают работу. Физическая величина, равная отношению работы Aст сторонних сил при перемещении заряда q от отрицательного полюса источника тока к положительному к величине этого заряда, называется электродвижущей силой источника (ЭДС):

Таким образом, ЭДС определяется работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда. Электродвижущая сила, как и разность потенциалов, измеряется в вольтах (В).

Закон Ома для полной (замкнутой) цепи: сила тока в замкнутой цепи равна электродвижущей силе источника, деленной на общее (внутреннее + внешнее) сопротивление цепи:

Сопротивление r – внутреннее (собственное) сопротивление источника тока (зависит от внутреннего строения источника). Сопротивление R – сопротивление нагрузки (внешнее сопротивление цепи).

Падение напряжения во внешней цепи при этом равно (его еще называют напряжением на клеммах источника):

Важно понять и запомнить: ЭДС и внутреннее сопротивление источника тока не меняются, при подключении разных нагрузок.

Если сопротивление нагрузки равно нулю (источник замыкается сам на себя) или много меньше сопротивления источника, то тогда в цепи потечет ток короткого замыкания:

Сила тока короткого замыкания – максимальная сила тока, которую можно получить от данного источника с электродвижущей силой ε и внутренним сопротивлением r. У источников с малым внутренним сопротивлением ток короткого замыкания может быть очень велик, и вызывать разрушение электрической цепи или источника. Например, у свинцовых аккумуляторов, используемых в автомобилях, сила тока короткого замыкания может составлять несколько сотен ампер. Особенно опасны короткие замыкания в осветительных сетях, питаемых от подстанций (тысячи ампер). Чтобы избежать разрушительного действия таких больших токов, в цепь включаются предохранители или специальные автоматы защиты сетей.

Несколько источников ЭДС в цепи

Если в цепи присутствует несколько ЭДС подключенных последовательно, то:

1. При правильном (положительный полюс одного источника присоединяется к отрицательному другого) подключении источников общее ЭДС всех источников и их внутреннее сопротивление может быть найдено по формулам:

Например, такое подключение источников осуществляется в пультах дистанционного управления, фотоаппаратах и других бытовых приборах, работающих от нескольких батареек.

2. При неправильном (источники соединяются одинаковыми полюсами) подключении источников их общее ЭДС и сопротивление рассчитывается по формулам:

В обоих случаях общее сопротивление источников увеличивается.

При параллельном подключении имеет смысл соединять источники только c одинаковой ЭДС, иначе источники будут разряжаться друг на друга. Таким образом суммарное ЭДС будет таким же, как и ЭДС каждого источника, то есть при параллельном соединении мы не получим батарею с большим ЭДС. При этом уменьшается внутреннее сопротивление батареи источников, что позволяет получать большую силу тока и мощность в цепи:

В этом и состоит смысл параллельного соединения источников. В любом случае при решении задач сначала надо найти суммарную ЭДС и полное внутреннее сопротивление получившегося источника, а затем записать закон Ома для полной цепи.

 

Работа и мощность тока. Закон Джоуля-Ленца

К оглавлению…

Работа A электрического тока I, протекающего по неподвижному проводнику с сопротивлением R, преобразуется в теплоту Q, выделяющееся на проводнике. Эту работу можно рассчитать по одной из формул (с учетом закона Ома все они следуют друг из друга):

Закон преобразования работы тока в тепло был экспериментально установлен независимо друг от друга Дж.Джоулем и Э.Ленцем и носит название закона Джоуля–Ленца. Мощность электрического тока равна отношению работы тока A к интервалу времени Δt, за которое эта работа была совершена, поэтому она может быть рассчитана по следующим формулам:

Работа электрического тока в СИ, как обычно, выражается в джоулях (Дж), мощность – в ваттах (Вт).

 

Энергобаланс замкнутой цепи

К оглавлению…

Рассмотрим теперь полную цепь постоянного тока, состоящую из источника с электродвижущей силой ε и внутренним сопротивлением r и внешнего однородного участка с сопротивлением R. В этом случае полезная мощность или мощность, выделяемая во внешней цепи:

Максимально возможная полезная мощность источника достигается, если R = r и равна:

Если при подключении к одному и тому же источнику тока разных сопротивлений R1 и R2 на них выделяются равные мощности то внутреннее сопротивление этого источника тока может быть найдено по формуле:

Мощность потерь или мощность внутри источника тока:

Полная мощность, развиваемая источником тока:

КПД источника тока:

 

Электролиз

К оглавлению…

Электролитами принято называть проводящие среды, в которых протекание электрического тока сопровождается переносом вещества. Носителями свободных зарядов в электролитах являются положительно и отрицательно заряженные ионы. К электролитам относятся многие соединения металлов с металлоидами в расплавленном состоянии, а также некоторые твердые вещества. Однако основными представителями электролитов, широко используемыми в технике, являются водные растворы неорганических кислот, солей и оснований.

Прохождение электрического тока через электролит сопровождается выделением вещества на электродах. Это явление получило название электролиза.

Электрический ток в электролитах представляет собой перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях. Положительные ионы движутся к отрицательному электроду (катоду), отрицательные ионы – к положительному электроду (аноду). Ионы обоих знаков появляются в водных растворах солей, кислот и щелочей в результате расщепления части нейтральных молекул. Это явление называется электролитической диссоциацией.

Закон электролиза был экспериментально установлен английским физиком М.Фарадеем в 1833 году. Закон Фарадея определяет количества первичных продуктов, выделяющихся на электродах при электролизе. Итак, масса m вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду Q, прошедшему через электролит:

Величину k называют электрохимическим эквивалентом. Он может быть рассчитан по формуле:

где: n – валентность вещества, NA – постоянная Авогадро, M – молярная масса вещества, е – элементарный заряд. Иногда также вводят следующее обозначение для постоянной Фарадея:

 

Электрический ток в газах и в вакууме

К оглавлению…

Электрический ток в газах

В обычных условиях газы не проводят электрический ток. Это объясняется электрической нейтральностью молекул газов и, следовательно, отсутствием носителей электрических зарядов. Для того чтобы газ стал проводником, от молекул необходимо оторвать один или несколько электронов. Тогда появятся свободные носителя зарядов — электроны и положительные ионы. Этот процесс называется ионизацией газов.

Ионизировать молекулы газа можно внешним воздействием — ионизатором. Ионизаторами может быть: поток света, рентгеновские лучи, поток электронов или α-частиц. Молекулы газа также ионизируются при высокой температуре. Ионизация приводит к возникновению в газах свободных носителей зарядов — электронов, положительных ионов, отрицательных ионов (электрон, объединившийся с нейтральной молекулой).

Если создать в пространстве, занятом ионизированным газом, электрическое поле, то носители электрических зарядов придут в упорядоченное движение – так возникает электрический ток в газах. Если ионизатор перестает действовать, то газ снова становится нейтральным, так как в нем происходит рекомбинация – образование нейтральных атомов ионами и электронами.

Электрический ток в вакууме

Вакуумом называется такая степень разрежения газа, при котором можно пренебречь соударением между его молекулами и считать, что средняя длина свободного пробега превышает линейные размеры сосуда, в котором газ находится.

Электрическим током в вакууме называют проводимость межэлектродного промежутка в состоянии вакуума. Молекул газа при этом столь мало, что процессы их ионизации не могут обеспечить такого числа электронов и ионов, которые необходимы для ионизации. Проводимость межэлектродного промежутка в вакууме может быть обеспечена лишь с помощью заряженных частиц, возникших за счет эмиссионных явлений на электродах.

Закон Ома (страница 3)

Решение:
Падения напряжения на резисторах R1 и R2, а также на резисторах 2R1 и 2R2 пропорциональны их сопротивлениям. Поэтому падение напряжения на резисторе R равно нулю и ток через него не проходит. Через резистор R2 течет ток


18 Один полюс источника тока с э. д. с. ε = 1400 В и внутренним сопротивлением r = 2,2 Ом подключен к центральной алюминиевой жиле кабеля (диаметр жилы D1 = 8мм), другой — к его свинцовой оболочке (наружный диаметр D2 =18 мм, внутренний — d2 = 16 мм). На каком расстоянии l от источника кабель порвался и произошло замыкание жилы с оболочкой, если начальный ток короткого замыкания I=120 А? Удельные сопротивления алюминия и свинца ρ1 =0,03 мкОм·м и ρ2 = 0,2 мкОм·м.

Решение:
Полное сопротивление цепи R= R1 + R2 + r, где сопротивления жилы и оболочки до места замыкания

Ток в цепи I= e/R; отсюда

19 Найти ток I, текущий через резистор с сопротивлением R1 в схеме, параметры которой даны на рис. 107, в первый момент после замыкания ключа, если до этого напряжение на конденсаторе было постоянным.

Решение:
Напряжение на конденсаторе V=ε. Это же напряжение будет в первый момент после замыкания ключа на резисторе R1. Поэтому текущий через него в этот момент ток I=ε/R1.

20 Найти напряжения V1 и V2 на конденсаторах с емкостями С1 и С2 в схеме, параметры которой даны на рис. 108.

Решение:
После включения источника тока с э. д. с. ε конденсаторы зарядятся, и, когда ток прекратится, все их обкладки, соединенные с резистором R, будут иметь одинаковый потенциал. Конденсаторы с емкостями С+С1 и С+С2 включены последовательно с источником тока. Общее напряжение на них V1+V2 =ε, а заряд на них

отсюда

21 Найти заряды q1, q2 и q3 на каждом из конденсаторов в схеме, параметры которой даны на рис. 109.

Решение:
Обкладки конденсатора C1 замкнуты через резисторы R1 и R2. Поэтому заряд на этом конденсаторе q1=0 (после прекращения зарядки конденсаторов С2 и С3). Так как после зарядки конденсаторов токи в схеме не протекают, то напряжения на конденсаторах С2 и С3 равны ε. Следовательно,

22 В цепь, питаемую источником тока с внутренним сопротивлением r = 3 Ом, входят два резистора с одинаковыми сопротивлениями R1 = R2 = 28 Ом, включенные параллельно, и резистор с сопротивлением R3 = 40 Ом (рис.110). Параллельно резистору R3 подключен конденсатор емкости С=5 мкФ, заряд которого q=4,2 Кл. Найти э. д. с. ε источника.

Решение:
Падение напряжения на резисторе R3 будет V=q/C=IR3; отсюда ток, текущий через этот резистор, I=q/CR3. Полное сопротивление цепи и э. д. с. источника тока


23 Два резистора с одинаковыми сопротивлениями R1 =25 Ом и резистор с сопротивлением R2 = 50 Ом подключены к источнику тока по схеме, изображенной на рис. 111. К участку ab подключен конденсатор емкости С = 5 мкФ. Найти э. д. с. ε источника тока, если заряд на конденсаторе q = 0,11 мКл.

Решение:


24 Найти заряд на конденсаторе емкости С в схеме, параметры которой даны на рис. 112.

Решение:
Сопротивление конденсатора постоянному току бесконечно велико. Поэтому после зарядки конденсатора по резистору R3 ток протекать не будет. Не будет и падения напряжения на этом резисторе. Следовательно, точка а и верхняя обкладка конденсатора будут иметь одинаковый потенциал. Потенциал же точки b будет равен потенциалу нижней обкладки конденсатора. Таким образом, напряжение на конденсаторе будет равно падению напряжения на резисторе R2. Ток в цепи

отсюда заряд на конденсаторе

25 Найти напряжение на конденсаторе емкости в схеме, параметры которой даны на рис. 113.

Решение:


26 Источник тока с внутренним сопротивлением r=10м замкнут на резистор с сопротивлением R. Вольтметр, подключенный к зажимам источника, показывает напряжение V1=20 B. Когда параллельно резистору с сопротивлением R присоединен резистор с таким же сопротивлением R, показание вольтметра уменьшается до V2 = 15 B. Найти сопротивление резистора R, если сопротивление вольтметра велико по сравнению с R.

Решение:
Напряжения на зажимах источника тока в первом и во втором случаях V1=I1R и V2=I2R/2. Токи в общей цепи в этих случаях

отсюда


27 К источнику тока с э. д. с. ε = 200 В и внутренним сопротивлением r = 0,5 Ом подключены последовательно два резистора с сопротивлениями R1 = 100Ом и R2 = 500 Ом. К концам резистора R2 подключен вольтметр. Найти сопротивление R вольтметра, если он показывает напряжение V=160 В.

Решение:
Падение напряжения на резисторе R2 (и на вольтметре) V=IRо (рис. 358), где R0 = R2R/(R2 + R)-сопротивление параллельно включенных вольтметра и резистора R2. Ток в общей цепи равен

Решая совместно эти уравнения, получим

Тот же результат можно получить, решая систему уравнений

28 Проволока из нихрома изогнута в виде кольца радиуса а=1 м (рис.114). В центре кольца помещен гальванический элемент с э. д. с. ε = 2 В и внутренним сопротивлением r=1,5 0м. Элемент соединен с точками с и d кольца по диаметру с помощью такой же нихромовой проволоки. Найти разность потенциалов между точками cad. Удельное сопротивление нихрома ρ=1,1мкОм⋅м, площадь сечения проволоки S= 1 мм2.

Решение:
В эквивалентной схеме резисторы R1 соответствуют проволокам, соединяющим элемент с кольцом, а резисторы R2-двум половинам кольца (рис. 359). Полное внешнее сопротивление цепи

Ток в общей цепи

Разность потенциалов между точками с и d


29 К источнику тока с внутренним сопротивлением r = 1 Ом подключены два параллельно соединенных резистора с сопротивлениями R1 = 10 Ом и R2 = 2 Ом. Найти отношение токов, протекающих через резистор R1 до и после обрыва в цепи резистора R2.

Решение:


30 Два резистора с сопротивлениями R1 = R2 = 1 Ом и реостат, имеющий полное сопротивление R3 = 2 Ом, присоединены к источнику тока с внутренним сопротивлением r = 0,5 Ом (рис. 115). К разветвленному участку цепи подключен вольтметр. Когда движок реостата находится на его середине (точка а), вольтметр показывает напряжение Va=13 В. Каково будет показание вольтметра, если движок передвинуть в крайнее правое положение на реостате? Сопротивление вольтметра велико по сравнению с R1 и R2.

Решение:


31 Шесть проводников с одинаковыми сопротивлениями R0 = 2 Ом соединены попарно параллельно. Все три пары соединены последовательно и подключены к источнику тока с внутренним сопротивлением r=1 Ом. При этом по каждому проводнику течет ток I0 = 2,5А. Какой ток будет течь по каждому проводнику, если один из них удалить?

Решение:
Сопротивление каждой пары проводников равно R0/2. Полное внешнее сопротивление цепи до удаления одного из проводников R1=3R0/2. По закону Ома для полной цепи

отсюда э. д. с. источника тока

После удаления одного из проводников полное внешнее сопротивление цепи

Ток в общей цепи

Через проводник, оставшийся без пары, будет идти ток

а через остальные проводники будут идти токи I2/2 = 2 А.

32 Источник тока с э. д. с. ε = 100 В и внутренним сопротивлением r = 0,2 Ом и три резистора с сопротивлениями R1 = 3 Ом, R2 = 2 Ом и R3 = 18,8 Ом включены по схеме, изображенной на рис. 116. Найти токи, текущие через резисторы R1 и R2.

Решение:


33 К источнику тока с э. д. с. e=120 В и внутренним сопротивлением r=10 Ом подключены два параллельных провода с сопротивлениями R1 =20 Ом. Свободные концы проводов и их середины соединены друг с другом через две лампы с сопротивлениями R2 = 200 Ом. Найти ток, текущий через источник тока.

Решение:
Верхняя лампа и провода, идущие к ней, начиная от места присоединения нижней лампы (рис. 360), образуют последовательную цепочку с сопротивлением R3=R1+R2. Эта цепочка соединена параллельно с нижней лампой и вместе с ней образует сопротивление

Полное внешнее сопротивление цепи

Через источник тока течет ток


34 При замыкании источника тока на резистор с сопротивлением R1=5 Ом в цепи идет ток I1 = 5 А, а при замыкании на резистор с сопротивлением R2 = 2 Ом идет ток I2 = 8 А. Найти внутреннее сопротивление r и э. д. с. источника тока ε.

Решение:
Если ε и r — э. д. с. и внутреннее сопротивление источника тока, то

Из этих уравнений имеем


35 При замыкании источника тока на резистор с сопротивлением R1 = 14 Ом напряжение на зажимах источника V1 = 28 В, а при замыкании на резистор с сопротивлением R2 = 29 Ом напряжение на зажимах V2 = 29 В. Найти внутреннее сопротивление r источника.

Решение:


36 Амперметр с сопротивлением R1 = 2 Ом, подключенный к источнику тока, показывает ток I1 = 5 А. Вольтметр с сопротивлением R2 = 150 Ом, подключенный к такому же источнику тока, показывает напряжение V=12B. Найти ток короткого замыкания Iк источника.

Решение:
При подключении к источнику тока амперметра через него течет I1=ε/(R1+r), где ε — э. д. с. батареи, а r — ее внутреннее сопротивление; при подключении к источнику тока вольтметра через него течет ток I2=ε/(R2+r), и вольтметр показывает напряжение

отсюда

Ток короткого замыкания (при равном нулю внешнем сопротивлении)

37 Два параллельно соединенных резистора с сопротивлениями R1=40 Ом и R2 = 10 Ом подключены к источнику тока с э. д. с. ε=10 В. Ток в цепи I=1 А. Найти внутреннее сопротивление источника и ток короткого замыкания.

Решение:


38 Аккумулятор с э. д. с. ε = 25 В и внутренним сопротивлением r = 1 Ом заряжается от сети с напряжением V=40 В через сопротивление R = 5 Ом. Найти напряжение Vа на зажимах аккумулятора.

Решение:
При зарядке аккумулятор включается навстречу источнику тока. Во время зарядки ток внутри аккумулятора течет от положительного полюса к отрицательному. Напряжение сети V=ε+I(R+r), где I-ток зарядки; отсюда I=(V-ε)/(R+r). Напряжение на зажимах аккумулятора

Электрическая цепь | Физика

Электрическая цепь и выключатели

Электрический ток может возникнуть только в замкнутой электрической цепи. Электрическая цепь состоит как минимум из следующих составляющих: источника электрического тока, проводников и какого-нибудь электрического устройства. Источник тока всегда имеет два полюса — плюс и минус.

Одним выключателем мы можем замыкать и размыкать электрическую цепь.

Существуют различные виды механических выключателей. Например, кнопочный, как кнопка дверного звонка или планочный, как выключатель света в комнате.

Переключатель одновременно размыкает одну электрическую цепь и замыкает другую. Кроме механических переключателей существуют электрические, которые называются реле.

Условные обозначения

Для изображения сложных электрических цепей используют условные обозначения тех или иных электрических устройств и правила их соединения. Проводники электрического тока обозначаются прямыми линиями, которые всегда пересекаются под прямым углом. Если мы хотим показать, что в точке пересечения существует контакт проводников, то это место обозначается жирной точкой.

Проводники и изоляторы

Разные материалы имеют различную электропроводность. Особенно хорошо проводят электрический ток серебро, медь, алюминий и железо. Не так хорошо проводят электрический ток уголь и кислоты. Плохими проводниками являются стекло, фарфор и искусственные материалы. Эти материалы используются при работе с электрическим током в качестве изоляторов.

Атомная структура и заряд

Любое тело состоит из атомов.

Каждый атом имеет ядро из положительно заряженных протонов и нейтрально заряженных нейтронов. Это ядро окружено отрицательно заряженными электронами. В целом атом электрически нейтрален, так как количество положительных и отрицательных частиц одинаково.

Рассмотрим эбонитовую палочку. Если мы потрем палочку о шелковый платок, то с нее часть электронов перейдет на платок. Таким образом, на палочке уменьшается количество отрицательно заряженных частиц. Равновесие нарушится, и палочка приобретет положительный заряд.

Из окружающего пространства положительно заряженная палочка начинает притягивать отрицательно заряженные частички пыли. Когда пылинки касаются палочки, электроны возвращаются на нее, и через некоторое время палочка снова становится электрически нейтральной.

Гроза

Грозовые облака образуются при определенных погодных условиях, когда теплый и влажный воздух быстро поднимается вверх, а холодные слои опускаются вниз.

Потоки теплого воздуха переносят частички воды вверх. При этом происходит разделение зарядов — точно такое же, как при трении эбонитовой палочки о шелковый платок. Воздушные течения поднимают положительно заряженные частички в верхнюю часть облака, в то время как отрицательный заряд концентрируется в его нижней части.

Таким образом, в большом грозовом облаке возникает огромная разница зарядов. Молния возникает в тот момент, когда заряды начинают перемещаться. При этом за очень короткое время протекает мощнейший электрический ток. Под его действием воздух нагревается и начинает интенсивно светиться. Большинство молний находится внутри облака.

Молния может возникнуть также между грозовым облаком и возвышенностью на поверхности Земли.

Благодаря выделению огромного количества энергии воздух вокруг молнии резко нагревается, расширяется и начинает быстро распространяться в виде волны. Эту ударную волну мы слышим как раскаты грома.

Направление тока

Металлы имеют определенное атомное строение, которое является причиной их хорошей электропроводности. Рассмотрим строение медной проволоки. Атомы меди расположены на одинаковом расстоянии один от другого, образуя атомную решетку. Вокруг каждого атома двигаются отрицательно заряженные свободные электроны, которые играют огромную роль для электропроводности металла.

Возьмем медную проволоку в качестве проводника в замкнутой электрической цепи. Тогда свободные электроны будут притягиваться положительным полюсом источника и одновременно отталкиваться от отрицательного полюса. В результате свободные электроны в медной проволоке движутся от отрицательного полюса источника к его положительному полюсу.

В источнике электрического тока электроны перемещаются от плюса к минусу под действием определенной химической реакции.
Когда в 18 веке открыли электрический ток, то об электронах не знали практически ничего. Действие электрического тока наблюдали только по внешним проявлениям, поэтому направление тока определили произвольно, от плюса к минусу. Такое направление тока называется техническим, и оно используется по сей день.

Сила тока, напряжение, сопротивление


Чтобы измерить электрический ток, необходимо узнать количество электронов, проходящих через поперечное сечение проводника за одну секунду. Эта величина называется силой тока и измеряется в амперах (A).

Если мы возьмем более сильный источник тока, то через поперечное сечение проводника пройдет большее количество заряженных частиц за одну секунду. Сила тока увеличилась, так как более мощный источник тока действует на электроны с большей силой притяжения. Эта сила притяжения источника тока называется электрическим напряжением и измеряется в вольтах (В).
(во втором случае электроны двигаются быстрее)

Если заменить батарею постоянным источником тока, то можно определить воздействие электрического напряжения на силу тока.

Сила тока и напряжение зависят один от другого. Большее напряжение означает также и большую силу тока.

Любой материал обладает электрическим сопротивлением, которое характеризует способность материала препятствовать движению электрического тока. Это означает, что сила тока будет тем больше, чем меньше электрическое сопротивление материала при условии постоянного напряжения.


Это пропорциональное соотношение называется законом Ома: напряжение (U), деленное на силу тока (I), есть величина постоянная (R). Эта величина называется электрическим сопротивлением и измеряется в омах. 1 ом равняется 1 вольту, деленному на 1 ампер.

Последовательное соединение

В гирлянде лампочки располагаются последовательно. Такое соединение называется последовательным соединением проводников.

Если замерить силу тока в такой цепи в любом ее месте, то амперметр будет показывать одну и ту же величину. В нашем случае это 0,2 ампера.

Вольтметр, в свою очередь, в разных точках показывает различные значения напряжения. Напряжение на отдельных лампочках суммируются в общее напряжение, равное 14 В. Это означает, что все потребители электрического тока должны делить эти 14 В между собой. Если мы, например, уберем из цепи 2 лампы с сопротивлением 20 Ом, то общее напряжение будет делиться на оставшиеся 3 лампы. Теперь на каждой лампе будет напряжение в 4,6 В.

Uобщ = U1 + U2 + U3 + U4 + U5

Таким образом, общее сопротивление цепи рассчитывается следующим образом:

Параллельное соединение

Большинство домашних электрических приборов функционируют при напряжении 220 В. Они не могут быть подключены в цепь последовательно, так как тогда на каждый прибор будет приходиться напряжение намного меньшее, чем 220 В. Подобным образом можно подключить только один прибор, который будет работать в полную силу.

В связи с этим домашние приборы подключаются к источнику тока параллельно, что позволяет каждому прибору получить нужное напряжение — 220 В.

При параллельном подключении приборов на каждом приборе будет одинаковое напряжение в 220 В.

При помощи амперметра измерим силу тока на трех участках электрической цепи. Общая сила тока составляет 12,6 А. Сила тока на измеренных участках: I1 = 3,5 A, I2 = 8,7 A, I3 = 0,4 A, что в сумме дает 12,6 А. Из этого следует, что при параллельном подключении общая сила тока равна сумме всех токов в цепи.

V = V1 = V2 = V3
I = I1 + I2 + I3

При параллельном подключении мы можем высчитать общее сопротивление и сопротивление на каждом отдельном участке цепи: Rобщ = Uобщ / Iобщ и в нашем случае: Rобщ = 220 / 12.6 = 17.5 Ом. Это сопротивление меньше, чем наименьшее отдельное сопротивление. Если мы хотим вычислить общее сопротивление цепи, зная сопротивление отдельных частей, то нам необходимо произвести следующее суммирование: 1/Rобщ = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3. Так выглядит закон вычисления общего сопротивления для параллельного подключения.

Постоянный и переменный ток

Если мы используем батарею или аккумулятор в качестве источника напряжения, то мы получим постоянный ток в электрической цепи. В цепи постоянного тока электроны текут медленно и всегда в одном направлении: вне батареи от минусового полюса к плюсовому полюсу, а внутри батареи наоборот.

Для большинства электрических приборов не имеет значения, используется постоянный или переменный ток. В любом случае, электростанции поставляют переменный ток. При переменном токе источник напряжения регулярно меняет полярность. Напряжение, которое мы можем измерить в розетке, составляет 220 В и имеет частоту 50 Гц. Это значит, что ток меняет направление 100 раз за секунду. Электроны в переменном токе текут, постоянно меняя направление, то в одну, то в другую сторону.
(на первой картинке электроны медленно перемещаются слева направо, на второй — дергаются туда-сюда)

Передавать электрическую энергию можно при помощи как постоянного, так и переменного тока. Использование переменного тока более выгодно, так как в этом случае потери энергии значительно снижаются.

Действие электрического тока

Если в цепь подключить кусок проволоки, то она скоро нагреется. Это нагревание происходит за счет движения электронов, которые, как говорят, «трутся» об атомы. Скорость и величина нагревания зависят от материала, из которого изготовлена проволока. Чем больше сопротивление материала, тем быстрее нагревается проволока.

Если мы хотим с помощью электрического тока нагреть электрическую плиту или утюг, то надо использовать материалы с высоким сопротивлением и хорошей теплопроводностью. Длинная проволока выделит больше тепла, чем короткая, но для удобства использования, ее надо свернуть в спираль.

Если на спираль накаливания подать большее напряжение, то вместе с теплом она будет давать и свет. Это явление используется с 1879 года, когда Эдисоном была изобретена лампочка накаливания.

Если напряжение слишком высокое, то проволока может расплавиться. Это связано с тем, что выделяется большое количество энергии, которого достаточно, чтобы расплавить проволоку.

Электрический ток способствует протеканию химических реакций в жидких проводниках. Примером жидких проводников являются кислоты, щелочи, растворы солей. Химическое действие электрического тока можно показать на следующем примере. Возьмем угольную палочку и железный гвоздь и опустим их в раствор хлорида меди. Эти, так называемые электроды, подключим к источнику напряжения. Гвоздь подсоединим к минусу, после чего будем называть его катодом, а угольную палочку — к плюсу, и назовем ее анодом.

Спустя некоторое время на поверхности угольной палочки начнут образовываться пузырьки газа, а поверхность железного гвоздя покроется коричневым налетом. Эту химическую реакцию вызвал электрический ток. Такой процесс называется электролизом.

В растворе хлорида меди перемещаются положительно заряженные ионы меди и отрицательно заряженные хлорид-ионы. Ионами называются заряженные частички, которые притягиваются противоположным электродом. Там они отдают свой заряд и становятся нейтральными. Это означает, что хлорид-ионы перемещаются к угольной палочке, а ионы меди к гвоздю.

Когда ион меди подходит к металлическому гвоздю и получает два электрона, то он превращается в металлическую медь, которая осаждается на поверхности гвоздя. В свою очередь, хлорид-ион отдает электрон положительному угольному электроду и превращается в чистый хлор, который имеет газообразную форму и выделяется из раствора. Такой вид электролиза можно использовать для покрытия металлических изделий тонким слоем различных металлов. Подобный процесс называется гальванизацией.

В свободном состоянии стрелка компаса всегда показывает на север. Н если компас поместить под кабель, по которому течет электрический ток, то стрелка обязательно отклониться. Электричество и магнетизм тесно связаны. Это явление в 1820 году впервые открыл Кристиан Эрстед.

Задачи на постоянный ток с подробными решениями

Задачи на постоянный ток с решениями

Закон Ома для участка цепи. Сопротивление

7.1.1 Определить силу тока, проходящего через сопротивление 15 Ом, если напряжение на нем
7.1.2 Определить падение напряжения на проводнике, имеющем сопротивление 10 Ом
7.1.3 Через лампочку накаливания проходит ток 0,8 А. Сколько электронов проводимости
7.1.4 Удлинитель длиной 30 м сделан из медного провода диаметром 1,3 мм. Каково сопротивление
7.1.5 Эквивалентное сопротивление трех параллельно соединенных проводников равно 30 Ом
7.1.6 Проволока имеет сопротивление 36 Ом. Когда ее разрезали на несколько равных частей
7.1.7 Определить плотность тока, текущего по медной проволоке длиной 10 м, на которую
7.1.8 Определить плотность тока, если за 0,4 с через проводник сечением 1,2 мм2 прошло
7.1.9 Найти плотность тока в стальном проводнике длиной 10 м, на который подано напряжение
7.1.10 Какое напряжение надо приложить к концам стального проводника длиной 30 см
7.1.11 Допустимый ток для изолированного медного провода площадью поперечного сечения
7.1.12 Определить падение напряжения на полностью включенном реостате, изготовленном
7.1.13 Определить падение напряжения в линии электропередачи длиной 500 м при токе
7.1.14 Найти массу алюминиевого провода, из которого изготовлена линия электропередачи
7.1.15 Вольтметр показывает 6 В. Найти напряжение на концах участка цепи, состоящей
7.1.16 На сколько надо повысить температуру медного проводника, взятого
7.1.17 Медная проволока при 0 C имеет сопротивление R_0. До какой температуры надо нагреть
7.1.18 Вольфрамовая нить электрической лампы при температуре 2000 C имеет сопротивление
7.1.19 Определить сопротивление вольфрамовой нити электрической лампы при 24 C
7.1.20 Сопротивление медной проволоки при температуре 20 C равно 0,04 Ом
7.1.21 При нагревании металлического проводника от 0 до 250 C его сопротивление увеличилось
7.1.22 До какой температуры нагревается нихромовая электрогрелка, если известно, что ток
7.1.23 Плотность тока в проводнике сечением 0,5 мм2 равна 3,2 мА/м2. Сколько электронов
7.1.24 По проводнику с поперечным сечением 0,5 см2 течет ток силой 3 А. Найти среднюю скорость
7.1.25 Средняя скорость упорядоченного движения электронов в медной проволоке сечением
7.1.26 К концам медного провода длиной 200 м приложено напряжение 18 В. Определить среднюю
7.1.27 Какой ток покажет амперметр, если напряжение U=15 В, сопротивления R1=5 Ом, R2=10 Ом
7.1.28 За одну минуту через поперечное сечение проводника прошел заряд 180 Кл
7.1.29 Какой ток покажет амперметр, если R1=1,25 Ом, R2=1 Ом, R3=3 Ом, R4=7 Ом, напряжение
7.1.30 В рентгеновской трубке пучок электронов с плотностью тока 0,2 А/мм2 попадает на участок
7.1.31 За какое время в металлическом проводнике с током 32 мкА через поперечное сечение
7.1.32 Анодный ток в радиолампе равен 16 мА. Сколько электронов попадает на анод лампы
7.1.33 Участок цепи AB состоит из пяти одинаковых проводников с общим сопротивлением 5 Ом
7.1.34 Четыре лампы накаливания сопротивлением 110 Ом каждая включены в сеть с напряжением

Закон Ома для полной цепи

7.2.1 Источник тока с ЭДС 18 В имеет внутреннее сопротивление 6 Ом. Какой ток потечет
7.2.2 Кислотный аккумулятор имеет ЭДС 2 В, а внутреннее сопротивление 0,5 Ом. Определить
7.2.3 Определить ЭДС источника питания, если при перемещении заряда 10 Кл сторонняя сила
7.2.4 К источнику тока с ЭДС 12 В и внутренним сопротивлением 2 Ом подсоединили
7.2.5 При внешнем сопротивлении 3,75 Ом в цепи идет ток 0,5 А. Когда в цепь ввели еще
7.2.6 Источник тока замкнут внешним резистором. Определить отношение электродвижущей силы
7.2.7 ЭДС аккумуляторной батареи равна 12 В, внутреннее сопротивление 0,06 Ом, а сопротивление
7.2.8 ЭДС батареи равна 1,55 В. При замыкании ее на нагрузку сопротивлением 3 Ом
7.2.9 В цепи, состоящей из источника тока с ЭДС 3 В и резистора сопротивлением 20 Ом
7.2.10 ЭДС элемента 15 В. Ток короткого замыкания равен 20 А. Чему равно внутреннее сопротивление
7.2.11 Определить ток короткого замыкания источника тока, если при внешнем сопротивлении
7.2.12 Батарея с ЭДС в 6 В и внутренним сопротивлением 1,4 Ом питает внешнюю цепь
7.2.13 Определить силу тока в проводнике R1, если ЭДС источника 14 В, его внутреннее сопротивление
7.2.14 В сеть с напряжением 220 В включены последовательно десять ламп сопротивлением по 24 Ом
7.2.15 ЭДС источника 6 В. При внешнем сопротивлении цепи 1 Ом сила тока 3 А. Какой будет
7.2.16 Источник тока с внутренним сопротивлением 1,5 Ом замкнут на резистор 1,5 Ом. Когда в цепь
7.2.17 Генератор с ЭДС 80 В и внутренним сопротивлением 0,2 Ом соединен со сварочным аппаратом
7.2.18 Для включения в сеть дуговой лампы, рассчитанной на напряжение 42 В и силу тока 10 А
7.2.19 Определить внутреннее сопротивление источника тока, имеющего ЭДС 1,1 В
7.2.20 Какой ток покажет амперметр, если R1=1,5 Ом, R2=1 Ом, R3=5 Ом, R4=8 Ом, ЭДС источника
7.2.21 Батарея гальванических элементов с ЭДС 15 В и внутренним сопротивлением 5 Ом замкнута
7.2.22 В сеть с напряжением 24 В включены два последовательно соединенных резистора. При этом
7.2.23 Щелочной аккумулятор создает силу тока 0,8 А, если его замкнуть на сопротивление 1,5 Ом
7.2.24 Какова ЭДС источника, если при измерении напряжения на его зажимах вольтметром
7.2.25 Два источника тока с ЭДС 2 и 1,2 В, внутренними сопротивлениями 0,5 и 1,5 Ом соответственно
7.2.26 Аккумулятор подключен для зарядки к сети с напряжением 12,5 В. Внутреннее сопротивление
7.2.27 Батарея элементов замкнута двумя проводниками сопротивлением 4 Ом каждый
7.2.28 Цепь состоит из аккумулятора с внутренним сопротивлением 5 Ом и нагрузки 15 Ом
7.2.29 Два источника с одинаковыми ЭДС 2 В и внутренними сопротивлениями 0,2 и 0,4 Ом соединены
7.2.30 Источник тока имеет ЭДС 12 В. Сила тока в цепи 4 А, напряжение на внешнем сопротивлении 11 В
7.2.31 Два элемента с внутренним сопротивлением 0,2 и 0,4 Ом соединены одинаковыми полюсами
7.2.32 Два элемента соединены параллельно. Один имеет ЭДС E1=2 В и внутреннее сопротивление
7.2.33 Два элемента с ЭДС, равными E1=1,5 В и E2=2 В, соединены одинаковыми полюсами
7.2.34 Определить число последовательно соединенных элементов с ЭДС 1,2 В и внутренним
7.2.35 Источник тока с внутренним сопротивлением 1,5 Ом замкнут на резистор 1,5 Ом. Когда
7.2.36 В схеме, показанной на рисунке, внутреннее и внешние сопротивления одинаковы, а расстояние
7.2.37 Имеется 5 одинаковых аккумуляторов с внутренним сопротивлением 1 Ом каждый
7.2.38 Определите заряд на обкладках конденсатора C=1 мкФ в цепи, изображенной на рисунке
7.2.39 Конденсатор и проводник соединены параллельно и подключены к источнику с ЭДС 12 В
7.2.40 Определите заряд на обкладках конденсатора C=1 мкФ. ЭДС источника 4 В, внутреннее
7.2.41 Проволока из нихрома изогнута в виде кольца радиусом 1 м. В центре кольца помещен
7.2.42 Указать направление вектора сторонней силы, действующей на положительный заряд q
7.2.43 В конце заряда батареи аккумуляторов током I1 присоединенный к ней вольтметр показывал
7.2.44 Источники тока, имеющие одинаковые внутренние сопротивления r=1 Ом, подключены
7.2.45 Источники тока, имеющие одинаковые внутренние сопротивления r=0,5 Ом, подключены
7.2.46 В указанной электрической схеме R1=R2=R3=6 Ом, ЭДС источника тока E=3,9 В, а его внутреннее
7.2.47 К полюсам батареи из двух источников, каждый с ЭДС 75 В и внутренним сопротивлением 4 Ом

Ток в жидкостях и газах

7.3.1 Через некоторое сечение электролитической ванны положительные ионы перенесли за 1 с
7.3.2 В газе между двумя электродами образуется 2×10^18 ионов в секунду. Найти силу тока в газе
7.3.3 Определите массу алюминия, который отложится на катоде за 10 ч при электролизе Al2(SO4)3
7.3.4 Цинковый анод массой 5 г поставлен в электролитическую ванну, через которую проходит ток
7.3.5 При какой силе тока протекает электролиз водного раствора сульфата меди, если за 50 мин
7.3.6 Определить затраты электроэнергии на получение 1 кг алюминия из трехвалентного состояния
7.3.7 Через раствор медного купороса в течение 2 с протекал электрический ток силой 3,2 А
7.3.8 При электролизе сернокислого цинка ZnSO4 в течение 4 ч выделилось 24 г цинка. Определить
7.3.9 Электролиз алюминия проводится при напряжении 10 В на установке с КПД 80%. Какое
7.3.10 Определите массу выделившейся на электроде меди, если затрачено 6 кВтч электроэнергии
7.3.11 При никелировании изделий в течение 2 ч отложился слой никеля толщиной 0,03 мм. Найти
7.3.12 При электролизе медного купороса за 1 ч выделяется медь массой, равной 0,5 г. Площадь
7.3.13 При электролизе раствора серной кислоты за 50 минут выделилось 0,3 г водорода. Определить
7.3.14 Определите сопротивление раствора серной кислоты, если известно, что при прохождении тока
7.3.15 Две электролитические ванны соединены последовательно. В первой ванне выделилось
7.3.16 Какой толщины слой серебра образовался на изделии за 3 мин, если плотность тока в растворе
7.3.17 Плотность тока при серебрении контактов проводов равна 40 А/м2. Определить толщину
7.3.18 В ряде производств водород получают электролизом воды. При каком токе, пропускаемом
7.3.19 Никелирование пластинок производится при плотности тока 0,4 А/дм2. С какой скоростью
7.3.20 Электролиз воды ведется при силе тока 2,6 А, причем в течение часа получено 0,5 л кислорода
7.3.21 Сколько электроэнергии надо затратить для получения 2,5 л водорода при температуре 25 C
7.3.22 Электрический пробой воздуха наступает при напряженности поля 3 МВ/м. Определить потенциал
7.3.23 Сила тока, характеризующая поток электронов в электронно-лучевой трубке, 400 мкА
7.(-7) кг/Кл. Сколько меди выделится на электроде
7.3.27 К источнику с ЭДС 200 В и внутренним сопротивлением 2 Ом подсоединены последовательно

Работа и мощность тока

7.4.1 По проводнику сопротивлением 20 Ом за 5 мин прошло количество электричества 300 Кл
7.4.2 Электрический паяльник рассчитан на напряжение 120 В при токе 0,6 А. Какое количество
7.4.3 Батарея, включенная на сопротивление 2 Ом, дает ток 1,6 А. Найти мощность, которая теряется
7.4.4 Дуговая сварка ведется при напряжении 40 В и силе тока 500 А. Определить энергию
7.4.5 К источнику тока с внутренним сопротивлением 0,6 Ом подключено внешнее сопротивление
7.4.6 Чему равен КПД источника тока с ЭДС 12 В и внутренним сопротивлением 0,5 Ом
7.4.7 Кипятильник работает от сети с напряжением 125 В. Какая энергия расходуется в кипятильнике
7.4.8 Во сколько раз увеличится количество теплоты, выделяемое электроплиткой, если сопротивление
7.4.9 Какое количество электроэнергии расходуется на получение 5 кг алюминия, если электролиз
7.4.10 Во сколько раз изменятся тепловые потери в линии электропередачи при увеличении напряжения
7.4.11 Найти полезную мощность, которую может дать батарея, ЭДС которой равна 24 В
7.4.12 Два резистора сопротивлением 2 и 5 Ом соединены последовательно и включены в сеть
7.4.13 Определите силу тока в кипятильнике, если при подключении к напряжению 12 В, он нагревает
7.4.14 Напряжение на зажимах автотранспортного генератора равно 24 В. Определить работу
7.4.15 Поперечное сечение медной шины 80 мм2. Какое количество теплоты выделится на 1 м длины
7.4.16 Мощность автомобильного стартера 6000 Вт. Какова сила тока, проходящего через стартер
7.4.17 Две лампы имеют одинаковые мощности. Одна из них рассчитана на напряжение 120 В
7.4.18 ЭДС источника тока равна 2 В, внутреннее сопротивление 1 Ом. Внешняя цепь потребляет
7.4.19 На сколько градусов изменится температура воды в калориметре, если через нагреватель
7.4.20 Через поперечное сечение спирали нагревательного элемента паяльника каждую секунду
7.4.21 Какую максимальную полезную мощность может выделить аккумулятор с ЭДС 10 В
7.4.22 Два проводника, соединенных параллельно, имеют сопротивления 4 и 8 Ом. При включении
7.4.23 Масса воды в нагревателе 2,5 кг. На сколько градусов повысится температура воды, если
7.4.24 Мощность, выделяемая на резисторе, подключенном к источнику тока с ЭДС 3,0 В
7.4.25 Из комнаты за сутки теряется 87 МДж тепла. Какой длины нужна нихромовая проволока
7.4.26 Две одинаковые лампочки мощностью 50 Вт каждая, рассчитанные на напряжение 10 В
7.4.27 Электролампа с вольфрамовой спиралью в момент включения при 20 C потребляет мощность
7.4.28 Электробритва имеет мощность 15 Вт и рассчитана на напряжение 110 В. При напряжении
7.4.29 При замыкании источника тока с внутренним сопротивлением 2 Ом на сопротивление 4 Ом
7.4.30 Емкость аккумулятора 75 А*ч. Какую работу должен совершить источник тока для зарядки
7.4.31 Электроплитка, работающая от сети с напряжением 220 В, расходует мощность 600 Вт
7.4.32 Девять нагревательных элементов с сопротивлением 1 Ом каждый соединены
7.4.33 Скоростной лифт массой 1600 кг за 300 с поднимается на высоту 30 м. Определить силу тока
7.4.34 Четыре одинаковых источника тока соединены, как показано на рисунке. ЭДС каждого
7.4.35 На сколько градусов поднимется температура медного стержня, если по нему в течение 0,5 с
7.4.36 Определить ток короткого замыкания источника питания, если при токе 15 А он отдает
7.4.37 ЭДС батареи аккумуляторов 12 В. Сила тока короткого замыкания 5 А. Какую наибольшую
7.4.38 В электрочайник с сопротивлением 140 Ом налита вода массой 1,5 кг при температуре 20 С
7.4.39 Два элемента с ЭДС 5 и 10 В и внутренними сопротивлениями 1 и 2 Ом соединены последовательно
7.4.40 Батарея состоит из параллельно соединенных источников тока. При силе тока во внешней цепи
7.4.41 Три лампочки мощностью P01=50 Вт и P02=25 Вт и P03=50 Вт, рассчитанные на напряжение
7.4.42 К источнику тока подключен реостат. При сопротивлении реостата 4 Ом и 9 Ом получается
7.4.43 Определить ЭДС аккумулятора, если при нагрузке в 5 А он отдает во внешнюю цепь 10 Вт
7.4.44 На резисторе внешней цепи аккумулятора выделяется тепловая мощность 10 Вт
7.4.45 При подключении к источнику тока ЭДС 15 В сопротивления 15 Ом КПД источника равен 75%
7.4.46 По линии электропередачи протяженностью в 100 км должен пройти электрический ток
7.4.47 Линия имеет сопротивление 300 Ом. Какое напряжение должен иметь генератор
7.4.48 Источник тока с ЭДС 5 В замыкается один раз на сопротивление 4 Ом, а другой раз – на 9 Ом
7.4.49 При замыкании на сопротивление 5 Ом батарея элементов дает ток 1 А
7.4.50 Определите КПД электропаяльника сопротивлением 25 Ом, если медная часть его массой
7.4.51 Найти ток короткого замыкания в цепи генератора с ЭДС 70 В, если при увеличении
7.4.52 Два чайника, каждый из которых потребляет при напряжении 200 В по 400 Вт, закипают
7.4.53 При силе тока 2 А во внешней цепи выделяется мощность 24 Вт, а при силе тока 5 А – мощность 30 Вт
7.4.54 Элемент замыкают один раз сопротивлением 4 Ом, другой – резистором сопротивлением 9 Ом
7.4.55 Сила тока, протекающего в проводнике, сопротивление которого равно 15 Ом, меняется
7.4.56 Лампу, рассчитанную на напряжение U1=220 В, включили в сеть с напряжением U2=110 В
7.4.57 Две лампочки имеют одинаковые мощности. Первая лампочка рассчитана на напряжение 127 В
7.4.58 При ремонте бытовой электрической плитки ее спираль была укорочена на 0,2 первоначальной
7.4.59 Сопротивление лампочки накаливания в рабочем состоянии 240 Ом. Напряжение в сети 120 В
7.4.60 Два резистора с одинаковым сопротивлением каждый включаются в сеть постоянного напряжения
7.4.61 Стоимость 1 кВт*ч электроэнергии равна 50 коп. Паяльник, включенный в сеть с напряжением
7.4.62 Определите силу тока в обмотке двигателя электропоезда, развивающего силу тяги 6 кН

Амперметр и вольтметр в электрической цепи. Шунты и добавочные сопротивления

7.5.1 Сопротивление вольтметра 400 Ом, предел измерения 4 В. Какое дополнительное сопротивление
7.5.2 Какое дополнительное сопротивление нужно подключить к вольтметру со шкалой 100 В
7.5.3 Миллиамперметр имеет сопротивление 25 Ом, рассчитан на предельный ток 50 мА
7.5.4 К амперметру с сопротивлением 0,1 Ом подключен шунт с сопротивлением 11,1 мОм
7.5.5 Какой шунт нужно подсоединить к гальванометру со шкалой на 100 делений, ценой деления 1 мкА
7.5.6 Вольтметр постоянного тока рассчитан на измерение максимального напряжения 3 В
7.5.7 Для измерения напряжения сети 120 В последовательно соединили два вольтметра
7.5.8 Амперметр имеет сопротивление 0,02 Ом, его шкала рассчитана на 1,2 А. Каково должно
7.5.9 Имеется миллиамперметр с внутренним сопротивлением 10 Ом, который может измерять
7.5.10 Предел измерения амперметра с внутренним сопротивлением 0,4 Ом 2 А. Какое шунтирующее
7.5.11 Зашунтированный амперметр измеряет токи до 10 А. Какую наибольшую силу тока
7.5.12 Амперметр показывает ток 0,04 А, а вольтметр – напряжение 20 В. Найти сопротивление
7.5.13 Вольтметр, рассчитанный на измерение напряжения до 20 В, необходимо включить в сеть
7.5.14 Гальванометр имеет сопротивление 200 Ом, и при силе тока 100 мкА стрелка отклоняется
7.5.15 Гальванометр со шкалой из 100 делений и ценой деления 50 мкА/дел, надо использовать как
7.5.16 К амперметру с внутренним сопротивлением 0,03 Ом подключен медный шунт длиной 10 см
7.5.17 Предел измерения амперметра 5 А, число делений шкалы 100, внутреннее сопротивление
7.5.18 Вольтметр, внутреннее сопротивление которого 50 кОм, подключенный к источнику
7.5.19 Вольтметр с внутренним сопротивлением 3 кОм, включенный в городскую осветительную сеть
7.5.20 Если подключить к гальванометру шунт 100 Ом, вся шкала соответствует току во внешней цепи
7.5.21 Стрелка миллиамперметра отклоняется до конца шкалы, если через миллиамперметр идет ток
7.5.22 Гальванометр со шкалой из 50 делений имеет цену деления 2 мкА/дел
7.5.23 Вольтметр, соединенный последовательно с сопротивлением R1=10 кОм, при включении
7.5.24 Амперметр с внутренним сопротивлением 2 Ом, подключенный к батарее, показывает ток 5 А
7.5.25 Вольтметр, подключенный к источнику с ЭДС 12 В, показывает напряжение 9 В. К его клеммам
7.5.26 Аккумулятор замкнут на некоторый проводник. Если в цепь включить два амперметра
7.5.27 К источнику тока подключены последовательно амперметр и резистор. Параллельно резистору
7.5.28 Два вольтметра, подключенные последовательно к ненагруженной батарее, показывают
7.5.29 В цепь, состоящую из источника ЭДС и сопротивления 2 Ом, включают амперметр сначала
7.5.30 Каково удельное сопротивление проводника, если его длина 10 км, площадь поперечного
7.5.31 Медный провод длиной 500 м имеет сопротивление 2,9 Ом. Найти вес провода
7.5.32 Проводники сопротивлением 2, 3 и 4 Ом соединены параллельно. Найти общее
7.5.33 Какого сопротивления проводник нужно соединить параллельно с резистором 300 Ом
7.5.34 Три проводника сопротивлением 2, 3 и 6 Ом соединены параллельно. Найти наибольший ток
7.5.35 В городскую осветительную сеть включены последовательно электрическая плитка, реостат
7.5.36 Во сколько раз площадь поперечного сечения алюминиевого провода больше, чем у медного
7.5.37 Цепь состоит из трех сопротивлений 10, 20 и 30 Ом, соединенных последовательно
7.5.38 Два электронагревателя сопротивлением 25 и 20 Ом находятся под напряжением 100 В
7.5.39 ЭДС батареи 6 В, внутреннее и внешнее сопротивления соответственно равны 0,5 и 11,5 Ом
7.5.40 Атомная масса золота 197,2, валентность 3. Вычислить электрохимический эквивалент золота
7.5.41 Лампу, рассчитанную на напряжение 220 В, включили в сеть напряжением 110 В. Во сколько
7.5.42 Спираль электронагревателя укоротили на 0,1 первоначальной длины. Во сколько раз
7.5.43 Сколько времени длилось никелирование, если был получен слой никеля массой 1,8 г
7.5.44 Электромотор имеет сопротивление 2 Ом. Какую мощность потребляет мотор при токе
7.5.45 Через раствор сернокислой меди (медного купороса) прошло 2*10^4 Кл электричества
7.5.46 Какой ток должен проходить по проводнику в сети напряжением 120 В, чтобы в нем
7.5.47 По проводнику сопротивлением 4 Ом в течение 2 минут прошло 500 Кл электричества
7.5.48 В схеме, изображенной на рисунке, R1=5 Ом, R2=6 Ом, R3=3 Ом, сопротивлением амперметра
7.5.49 Вольтметр, внутреннее сопротивление которого равно 50 кОм, подключенный к источнику
7.5.50 Определите показание амперметра в электрической цепи, изображенной на рисунке
7.5.51 Какой величины надо взять дополнительное сопротивление, чтобы можно было включить

( 31 оценка, среднее 4.16 из 5 )

Вы можете поделиться с помощью этих кнопок:

Магнитное поле тока и катушки.

Магнитное поле

Магнетизмом называется способность некоторых тел притягивать к себе стальные предметы.
Магнит, который каждый из нас когда нибудь видел, обладает способностью магнетизма. Если магнит разрезать , то его части также будут иметь опять по два полюса. И на сколько бы частей не был разделен магнит, каждая часть всегда будет иметь два полюса по концам, и никогда нельзя получить магнит с одним полюсом.

Поднося магниты друг к другу разными полюсами можно установить, что магнитные полюса взаимодействуют как и электрические заряды между собой, т.е. разноименные притягиваются, а одноименные — отталкиваются.
Эти силы притяжения и отталкивания показывает наличие магнитного поля вокруг полюсов. При отдалении от магнита эти силы ослабевают.

Как показывают опыты, магнитное поле действует не только через воздух, но и через другие диэлектрические материалы (стекло, картон, бумагу и т.д.) и только материалы из стали сильно ослабляют действие магнитов.
Находясь возле магнита стальные предметы намагничиваются и становятся магнитами.
Если применяются предметы из твердой (закаленной) стали, то они долго сохраняют магнитные свойства и ими можно пользоваться как постоянными магнитами.
Мягкая сталь становится магнитной только на время намагничивания. При удалении от магнита она теряет магнитные свойства.

Как же происходит намагничивание?
Из теории известно, что каждое вещество состоит из атомов в которых вокруг ядра вращаются электроны, создавая кольцевой формы элементарный проводничок с током — кольцевой ток. Этот кольцевой ток создает свое магнитное поле (на рисунке — маленькие стрелочки выходящие из кольцевого тока) с магнитными полюсами. Когда тело не намагничено, кольцевые токи не создают результирующего магнитного поля, т.к. электроны хаотично вращаются в разные стороны и их магнитные поля взаимно уничтожаются (рис.а).
Если, допустим, мягкую сталь поместить в магнитное поле магнита, то кольцевые токи будут под действием магнитного поля разворачиваться и располагаться своими торцами перпендикулярно к его силовым линиям, создавая общее результирующее поле (рис.b). Это поле и образует из стали магнит.
По окончанию действия внешнего магнитного поля кольцевые токи снова вернуться в беспорядочное вращение и мягкая сталь размагнитится.
В твердой (закаленной) стали элементарным кольцевым токам трудно возвращаться к беспорядочному вращению и поэтому в такой стали долго сохраняются магнитные свойства.
Магнитное поле невидимо, но его существование можно определить если насыпать на лист картона железные опилки и под него положить магнит.
Железные опилки, как маленькие магнитики, займут определенные положения по направлению магнитных силовых линий полюсов магнита(рис.с). На рис. свидно, что в середине магнита результирующее силовое поле будет минимальное и в определенной точке будет равно нулю.
На самом то деле, конечно, в магнитном поле никаких линий нет, но они помогают изобразить это поле графически. При этом принято считать, что эти линии идут снаружи магнита по направлению от северного полюса к южному, а внутри магнита — от южного к северному (рис.d). То есть силовые магнитные линии будут всегда замкнуты.

Чтобы определить полюса магнита нужно подвесить магнит на нитке за его середину и он повернется так, что одним своим полюсом будет указывать на юг (S), а другим на север (N), т.к. наша Земля тоже является большим магнитом со своими магнитными полюсами.
На северном географическом полюсе находится южный магнитный полюс, а на южном географическом — северный магнитный полюс.
Так как магниты притягиваются противоположными полюсами, значить северный полюс магнита будет указывать на северный географический полюс, а южный полюс магнита — на южный географический полюс. Полюса магнита так и принято называть — северный и южный полюса.
В устройсве магнитного компаса используется именно это свойство, только вместо магнита используется легкая намагниченная стрелка.

Магнитное поле тока

Раньше наука рассматривала явление магнетизма связанное только с постоянными магнитами. Но в 19 веке ученые доказали связь магнетизма и электричества. Доказательством этой связи будет опыт с катушкой c металлическим сердечником, подключенной к источнику питания.
При подаче напряжения на катушку сердечник намагничивается и становится электромагнитом, который притягивает металлическую стружку. Когда выключается источник тока, сердечник теряет свои магнитные свойства.

Так каким образом электрический ток намагничивает металлический сердечник?
Видимо вокруг проводов катушки создается магнитное поле, которое и намагничивает сердечник.

Магнитное поле прямолинейного проводника

Проверим наличие магнитного поля у прямолинейного проводника, поместив магнитную стрелку под проводом по которому проходит ток.
При изменении направления тока стрелка будет отклонятся в ту или иную сторону и стоять под углом к проводнику, который меняется от величины тока в проводе. Чем больше ток в проводнике, тем на больший угол поворачивается стрелка.
При определенным электрическом токе магнитная стрелка установится перпендикулярно проводу и будет находится в таком положении даже при ее движении вдоль проводника.
Это значит, что вдоль всего проводника присуствует магнитное поле, на которое и реагирует намагниченная стрелка.

Чтобы «увидеть» магнитное поле проводника пропустим провод через лист картона на котором рассыпаны металлические опилки. При подаче тока через проводник, из опилок образуются концентрические окружности, которые показывают магнитные силовые линии проводника. Если менять направление тока — будет меняться и направление силовых линий, что и показывают магнитные стрелки в магнитном поле проводника.

Чтобы определить в прямолинейном проводнике направление магнитного поля, зная направление тока, пользуются правилом правого винта (буравчика), который гласит: если ввинчивать винт в направлении движения тока в проводнике, то направление его вращения показывает направление магнитных силовых линий.

Магнитное поле катушки

Если провод свернуть в спираль или намотать на катушку, а затем подать на него ток, то магнитные поля суммируются от каждого витка и внутри катушки образуется сильное магнитное поле. Магнитное поле катушки (соленоида) будет тем больше, чем больше величина протекающего тока в катушке и чем больше витков в катушке.
Магнитное поле катушки похоже на поле постоянного магнита: такое же магнитное поле, такие же силовые линии, такие же северный и южный полюса.
Определить полюса нетрудно опять же по правилу правого винта (буравчика): если вращать винт по направлению тока в витках катушки, то поступательное движение винта покажет направление магнитных силовых линий.
Северный полюс катушки будет там, откуда силовые линии будут выходить из катушки, а куда будут входить — южный полюс.

Если в катушку вставить стальной сердечник, то это приведет к большому усилению ее магнитных свойств.
Причина этого усиления, во — первых: сталь имеет малое магнитное сопротивление в отличие от воздуха. Поэтому магнитному потоку легче пройти в стали и сконцентрироваться в стержне. Во — вторых : сталь имеет свойство намагничиваться за счет магнитных полей кольцевых токов электронов железа (см. выше «Магнитное поле»). В результате сложения магнитных полей катушки и сердечника получается суммирующий магнитный поток многократно превышающий поток катушки без сердечника.
Такими свойствами намагничивания обладают только железо, кобальт, никель и их сплавы, которые образуют ферромагнитную группу. Медь, цинк, алюминий и пр. не обладают магнитными свойствами.

Электромагнитная индукция

Выше уже рассматривалось, как при прохождении электрического тока по проводнику вокруг него образуется магнитное поле. Но есть и обратное явление: создание электрического тока в магнитном поле.

Убедимся в этом, проведя следующий эксперимент: к катушке подключаем гальванометр и быстро опускаем и поднимаем в середину катушки постоянный магнит.
Когда опускаем магнит стрелка прибора отклонится в сторону от нуля, показывая наличие в катушке тока, а при остановке движения магнита она вернется на ноль. Вынимая магнит произойдет подобная картина, только стрелка отклонится в другую сторону, показывая ток противоположного знака.
Если поменяем полюса магнита, то получим почти тоже самое. Отличие будет лишь в том, что направление тока при опускании магнита будет противоположным, чем в первом случае.
Аналогичное явление получится если вместо постоянного магнита применим электромагнит, подключенный к источнику питания. Опуская и поднимая электромагнит получим такой же результат, как и при постоянным магните.

Из этого делаем вывод: при движении магнита возле проводов, когда происходит пересечение витков катушки с магнитным полем, в них индуктируется электродвижущая сила (ЭДС). И неважно, движутся ли силовые линии относительно проводника, или движется проводник относительно силовых линий.
Возникновение электрического тока в замкнутом проводнике в изменяющем магнитном поле , называется электромагнитной индукцией.
ЭДС будет тем больше чем быстрее пересекаются между собой проводники и магнитные силовые линии; чем больше витков провода в катушке и чем сильнее магнитное поле.
Так же наибольшее значение электрического тока будет при движении проводника перпендикулярно силовым линиям. Если проводник движется под острым углом к силовым линиям, тогда ток уменьшается. При передвижении проводника параллельно силовым линиям в нем не будет никакого тока.

Практически направление индуктированной ЭДС определяется правилом правой руки: если правую руку поместить в магнитное поле так, чтобы силовые линии входили в ладонь, а отставленный большой палец показывал направление движения проводника (V), то остальные пальцы ладони покажут направление индуктированного напряжения (U).

Взаимная индукция

Взаимная индукция является одним из случаев электромагнитной индукции. Она образуется при наведение ЭДС индукции одной катушки от другой, в которой происходит изменение тока.

На рисунке показан опыт с двумя неподвижными катушками на стальном сердечнике, расположенных близко друг от друга.
При подаче от трансформатора на катушку L1 переменного напряжения в ней образуется магнитное поле в котором число силовых линий изменяется с частотой тока. Часть силовых линий попадают на витки катушки L2, пересекая их. Чем ближе катушки друг к другу, тем больше пересечений силовых линий с витками катушки. В результате на катушке L2 индукцируется переменное напряжение, которое и показывает вольтметр.
Но надо иметь в виду, что если на катушку L1 подать постоянное напряжение, на катушке L2 не будет наводиться ЭДС.
Величина индукцированной ЭДС зависит: от величины и частоты протекающего тока в катушке L1; от числа витков обеих катушек и от расстояния между катушками.
Взаимная индукция лежит в основе работы трансформаторов, катушек индуктивности в радиотехнике, ферромагнитных антенах в радиоприемниках и т.д.

Индуктивность

При протекании переменного тока через проводник магнитные силовые линии, появляющие при этом, будут пересекать этот проводник и, по закону электромагнитной индукции, в нем появится ЭДС самоиндукции.
Это явление первый изучил русский физик Э.Х. Ленц и сформулировал правило, которое гласит:
индукционный ток направлен так, чтобы своим магнитным полем противодействовать изменению магнитного потока, которым он вызван.

На рисунке наглядно видно, как при увеличении тока через проводник силовые магнитные линии расходятся от проводника концентрическими окружностями, а направление ЭДС самоиндукции противоположно току извне. Оно как бы «тормозит» увеличивающему внешнему току для того, чтобы оставить магнитный поток малым.
При уменьшении тока силовые линии сходятся к оси проводника, а направление ЭДС самоиндукции будет тоже, что и направление тока. В этом случае ЭДС «помогает» уменьшающему току сохранить большой магнитный поток.

Можно провести интересный опыт с лампочкой и силовым трансформатором, который демонстрирует явление индуктивности(рис.e).
Подключим постояное напряжение от источника питания через выключатель к первичной обмотке трансформатора. Выбираем первичную обмотку потому, что в ней много витков и значить при прохождении внешнего тока образуется большое магнитное поле. Параллельно первичной обмотке так же подключаем лампочку.
При включении выключателя лампочка загорается и светит нормально.
Выключив выключатель разрываем цепь тока, в результате чего силовые линии сходятся к центру, пересекая все витки обмотки. Наводится значительная ЭДС самоиндукции, которая «помогает» уменьшающему току, и лампочка вспыхивает ярче, а затем гаснет.
Проведенный опыт указывает на то, что магнитное поле тоже является носителем энергии, и при разрыве цепи эта энергия не исчезает, а переходит в энергию горения лампочки.

Свойство каждой катушки образовывать вокруг себя магнитные силовые линии при прохождении тока через ее витки называется индуктивностью.
Свойство индуктивности выражается в том, что при изменении величины тока через катушку индуктируется противодействующая электродвижущая сила.
Индуктивность зависит от количества витков в катушке. Чем больше витков, тем больше индуктивность данной катушки. Так же индуктивность зависит от длины катушки и сердечника катушки: из какого материала он изготовлен; длины и площади его поперечного сечения.

Единица измерения индуктивности называется генри (Г) в честь американского ученого Д.Генри.
Катушка будет иметь индуктивность 1 генри, если при изменении тока через нее на 1 ампер за 1 секунду на обоих концах ее возникает напряжение самоиндукции в 1 вольт.
Меньшими единицами индуктивности являются миллигенри и микрогенри:
1мГ=0,001Г
1мкГ=0,000 001Г.

Вверх

Источник тока и зависимые источники тока

Как следует из названия, источник тока — это элемент схемы, который поддерживает постоянный ток независимо от напряжения, развиваемого на его выводах, поскольку это напряжение определяется другими элементами схемы. То есть идеальный источник постоянного тока постоянно обеспечивает заданное количество тока независимо от импеданса, которым он управляет, и, как таковой, идеальный источник тока теоретически мог бы подавать бесконечное количество энергии.Так же, как источник напряжения может иметь номинальное значение, например, 5 вольт или 10 вольт и т. Д., Источник тока также будет иметь номинальный ток, например, 3 ампера или 15 ампер и т. Д.

Идеальные источники постоянного тока представлены аналогично источникам напряжения, но на этот раз символ источника тока представляет собой круг со стрелкой внутри, указывающей направление потока тока. Направление тока будет соответствовать полярности соответствующего напряжения, исходящего от положительного вывода.Буква «i» используется, чтобы указать, что это текущий источник, как показано.

Идеальный источник тока

В таком случае идеальный источник тока называется «источником постоянного тока», поскольку он обеспечивает постоянный установившийся ток независимо от подключенной к нему нагрузки, создавая ВАХ, представленную прямой линией. Как и в случае с источниками напряжения, источник тока может быть либо независимым (идеальным), либо зависимым (управляемым) напряжением или током в другом месте цепи, которые могут быть постоянными или изменяющимися во времени.

Идеальные независимые источники тока обычно используются для решения схемных теорем и для методов анализа схем для схем, содержащих реальные активные элементы. Самая простая форма источника тока — это резистор, включенный последовательно с источником напряжения, создающим токи в диапазоне от нескольких миллиампер до многих сотен ампер. Помните, что источник тока нулевого значения — это разомкнутая цепь, так как R = 0.

Источник тока представляет собой двухконтактный элемент, который позволяет протекать току, указанному направлением стрелки.Тогда источник тока имеет значение i в единицах ампер (A), которое обычно сокращается до ампер. Физическая взаимосвязь между источником тока и переменными напряжения в сети задается законом Ома, поскольку эти переменные напряжения и тока будут иметь заданные значения.

Может быть трудно определить величину и полярность напряжения идеального источника тока в зависимости от тока, особенно если в подключенной цепи есть другие источники напряжения или тока.Тогда мы можем знать ток, подаваемый источником тока, но не напряжение на нем, если только мощность, подаваемая источником тока, не задана, как P = V * I.

Однако, если источник тока является единственным источником в цепи, тогда будет легче установить полярность напряжения на источнике. Однако, если имеется более одного источника, то напряжение на клеммах будет зависеть от сети, к которой подключен источник.

Соединение источников тока вместе

Как и источники напряжения, идеальные источники тока также могут быть соединены вместе для увеличения (или уменьшения) доступного тока.Но существуют правила того, как два или более независимых источника тока с разными значениями могут быть подключены последовательно или параллельно.

Параллельный источник тока

Параллельное соединение двух или более источников тока эквивалентно одному источнику тока, общий выходной ток которого задается как алгебраическое сложение токов отдельных источников. Здесь, в этом примере, два источника тока по 5 ампер объединены для получения 10 ампер, как I T = I 1 + I 2 .

Источники тока разных величин можно соединять параллельно. Например, один из 5 ампер и один из 3 ампер будут объединены, чтобы дать один источник тока 8 ампер, поскольку стрелки, представляющие источник тока, указывают в одном направлении. Затем, когда два тока складываются, их соединение называется параллельным.

Хотя это не лучшая практика для анализа цепей, в параллельных соединениях используются источники тока, которые подключены в противоположных направлениях, чтобы сформировать единый источник тока, значение которого представляет собой алгебраическое вычитание отдельных источников.

Параллельные источники встречного тока

Здесь, поскольку два источника тока подключены в противоположных направлениях (обозначенных их стрелками), два тока вычитаются друг из друга, поскольку они обеспечивают замкнутый контур для циркулирующего тока, соответствующий закону Кирхгофа о токах, KCL. Так, например, два источника тока по 5 ампер каждый приведут к нулевому выходу, как 5A-5A = 0A. Точно так же, если два тока имеют разные значения, 5A и 3A, то на выходе будет вычтенное значение с меньшим током, вычтенным из большего тока.В результате получаем I T из 5 — 3 = 2A.

Мы видели, что идеальные источники тока могут быть соединены вместе параллельно, чтобы образовать параллельные или противолежащие источники тока. Что недопустимо или не является лучшей практикой для анализа цепей, так это соединение идеальных источников тока в последовательной комбинации.

Источники тока серии

Источники тока не могут быть соединены последовательно друг с другом, как с одинаковым значением, так и с источниками с разными значениями.Здесь, в этом примере, два источника тока по 5 ампер каждый соединены последовательно, но каково результирующее значение тока. Это равно одному источнику 5 ампер или суммированию двух источников, то есть 10 ампер. Затем последовательно соединенные источники тока добавляют неизвестный фактор в анализ схемы, что нехорошо.

Кроме того, еще одна причина, по которой последовательно соединенные источники не допускаются для методов анализа цепей, заключается в том, что они могут не подавать одинаковый ток в одном и том же направлении.Для идеальных источников тока не существует последовательных или встречных токов.

Пример источника тока №1

Два источника тока 250 мА и 150 мА соответственно соединены вместе в параллельной конфигурации для питания подключенной нагрузки 20 Ом. Рассчитайте падение напряжения на нагрузке и рассеиваемую мощность. Нарисуйте схему.

Тогда I T = 0,4 A или 400 мА, V R = 8 В и P R = 3.2Вт

Практический источник тока

Мы видели, что идеальный источник постоянного тока может бесконечно подавать одно и то же количество тока независимо от напряжения на его выводах, что делает его независимым источником. Следовательно, это означает, что источник тока имеет бесконечное внутреннее сопротивление (R = ∞). Эта идея хорошо работает для методов анализа цепей, но в реальных условиях источники тока ведут себя немного иначе, поскольку практические источники тока всегда имеют внутреннее сопротивление, независимо от того, насколько оно велико (обычно в диапазоне мегаомов), что приводит к изменению генерируемого источника. немного с нагрузкой.

Практичный или неидеальный источник тока можно представить как идеальный источник с подключенным к нему внутренним сопротивлением. Внутреннее сопротивление (R P ) дает тот же эффект, что и сопротивление, подключенное параллельно (шунтирующее) с источником тока, как показано. Помните, что элементы схемы, включенные параллельно, имеют одинаковое падение напряжения на них.

Идеальный и практичный источник тока

Вы, возможно, заметили, что практический источник тока очень похож на эквивалентную схему Нортона, поскольку теорема Нортона утверждает, что «любую линейную сеть постоянного тока можно заменить эквивалентной схемой, состоящей из источника постоянного тока, I S параллельно с резистор, R P “.Обратите внимание, что если это параллельное сопротивление очень низкое, R P = 0, источник тока закорочен. Когда параллельное сопротивление очень велико или бесконечно, R P ≈ ∞, источник тока можно смоделировать как идеальный.

Идеальный источник тока отображает горизонтальную линию на ВАХ, как показано выше. Однако, поскольку практические источники тока имеют внутреннее сопротивление источника, на это уходит часть тока, поэтому характеристика этого практического источника не является плоской и горизонтальной, а будет уменьшаться, поскольку ток теперь разделяется на две части, при этом одна часть тока течет в параллельное сопротивление R P и другая часть тока, протекающая прямо к выходным клеммам.

Закон

Ом говорит нам, что когда ток (i) протекает через сопротивление, (R) на том же сопротивлении возникает падение напряжения. Значение этого падения напряжения будет указано как i * R P . Тогда V OUT будет равно падению напряжения на резисторе без нагрузки. Мы помним, что для идеального источника тока R P бесконечен, поскольку нет внутреннего сопротивления, поэтому напряжение на клеммах будет нулевым, поскольку нет падения напряжения.

Сумма тока вокруг контура, определяемая законом Кирхгофа, KCL равна: I OUT = I S — V S / R P .Это уравнение может быть построено для определения ВАХ выходного тока. Это прямая линия с наклоном –R P , которая пересекает вертикальную ось напряжения в той же точке, что и I S , когда источник идеален, как показано.

Практические характеристики источника тока

Следовательно, все идеальные источники тока будут иметь прямолинейную ВАХ, но неидеальные или реальные практические источники тока будут иметь ВАХ, слегка наклоненную вниз на величину, равную V OUT / R P , где R P — сопротивление внутреннего источника.

Пример источника тока №2

Практический источник тока состоит из идеального источника тока 3 А, имеющего внутреннее сопротивление 500 Ом. На холостом ходу рассчитайте напряжение на клеммах холостого хода источников тока и мощность холостого хода, потребляемую внутренним резистором.

1. Значения холостого хода:

Затем рассчитывается напряжение холостого хода между сопротивлением внутреннего источника и клеммами A и B (V AB ) при 1500 вольт.

Часть 2: Если нагрузочный резистор 250 Ом подключен к клеммам того же практического источника тока, рассчитайте ток через каждое сопротивление, мощность, потребляемую каждым сопротивлением, и падение напряжения на нагрузочном резисторе. Нарисуйте схему.

2. Данные приведены с подключенной нагрузкой: I S = 3A, R P = 500 Ом и R L = 250 Ом

2а. Чтобы найти токи в каждой резистивной ветви, мы можем использовать правило деления тока.

2б. Мощность, потребляемая каждым резистором, определяется как:

.

2с. Тогда падение напряжения на нагрузочном резисторе R L определяется как:

Мы можем видеть, что напряжение на клеммах практического источника тока с разомкнутой цепью может быть очень высоким, оно будет производить любое напряжение, необходимое для подачи заданного тока, в данном примере 1500 вольт. Теоретически это напряжение на клеммах может быть бесконечным, поскольку источник пытается обеспечить номинальный ток.

Подключение нагрузки к его клеммам снизит напряжение, в этом примере на 500 вольт, поскольку теперь току есть куда идти, а для источника постоянного тока напряжение на клеммах прямо пропорционально сопротивлению нагрузки.

В случае неидеальных источников тока, каждый из которых имеет внутреннее сопротивление, общее внутреннее сопротивление (или импеданс) будет результатом их параллельного объединения, точно так же, как для резисторов, включенных параллельно.

Зависимый источник тока

Теперь мы знаем, что идеальный источник тока обеспечивает определенную величину тока, полностью независимую от напряжения на нем, и как таковой будет производить любое напряжение, необходимое для поддержания требуемого тока.Это делает его полностью независимым от цепи, к которой он подключен, в результате чего его называют идеальным независимым источником тока .

Управляемый или зависимый источник тока, с другой стороны, изменяет свой доступный ток в зависимости от напряжения или тока через какой-либо другой элемент, подключенный к цепи. Другими словами, выход зависимого источника тока управляется другим напряжением или током.

Зависимые источники тока ведут себя аналогично источникам тока, которые мы рассматривали до сих пор, как идеальные (независимые), так и практические.На этот раз разница в том, что зависимый источник тока может управляться входным напряжением или током. Источник тока, который зависит от входного напряжения, обычно называется источником тока с регулируемым напряжением или VCCS . Источник тока, который зависит от токового входа, обычно также называется источником тока с регулируемым током или CCCS .

Как правило, идеальный источник тока, зависящий от напряжения или тока, обозначается ромбовидным символом, где стрелка указывает направление тока, как показано.

Символы зависимых источников тока

Идеальный зависимый источник тока, управляемый напряжением, VCCS, поддерживает выходной ток I OUT , который пропорционален управляющему входному напряжению V IN . Другими словами, выходной ток «зависит» от значения входного напряжения, что делает его зависимым источником тока.

Тогда выходной ток VCCS определяется следующим уравнением: I OUT = αV IN .Эта постоянная умножения α (альфа) имеет единицы СИ: mhos, ℧ (знак перевернутого Ом), потому что α = I OUT / V IN , и поэтому ее единицами измерения будут амперы / вольт.

Идеальный зависимый источник тока с управляемым током, CCCS, поддерживает выходной ток, пропорциональный управляющему входному току. Тогда выходной ток «зависит» от значения входного тока, что снова делает его зависимым источником тока.

В качестве управляющего тока I IN определяет величину выходного тока, I OUT умножает на постоянную увеличения β (бета), выходной ток для элемента CCCS определяется следующим уравнением: I OUT = βI IN .Обратите внимание, что постоянная умножения β является безразмерным масштабным коэффициентом, поскольку β = I OUT / I IN , поэтому его единицами измерения будут амперы / амперы.

Обзор текущего источника

В этом руководстве мы видели около Источники тока , что идеальный источник тока (R = ∞) — это активный элемент, который обеспечивает постоянный ток, который полностью не зависит от напряжения на нем в результате нагрузки, подключенной к он дает характеристику ВАХ, представленную прямой линией.

Идеальные независимые источники тока могут быть соединены вместе параллельно для методов анализа цепей в виде параллельных или параллельных противоположных конфигураций, но они не могут быть соединены вместе последовательно. Также для решения схемотехнического анализа и теорем источники тока становятся источниками с разомкнутой цепью, чтобы сделать их ток равным нулю. Также обратите внимание, что источники тока могут передавать или поглощать энергию.

В случае неидеальных или практических источников тока они могут быть смоделированы как эквивалентный идеальный источник тока и внутреннее параллельное (шунтирующее) подключенное сопротивление, которое не бесконечно, а имеет очень высокое значение, как R ≈ ∞, дающее ВАХ не прямая, а понижается при уменьшении нагрузки.

Мы также видели здесь, что источники тока могут быть зависимыми или независимыми. Зависимый источник — это источник, значение которого зависит от некоторой другой переменной схемы. Источник тока, управляемый напряжением, VCCS, и источник тока, управляемый током, CCCS, являются типами зависимых источников тока.

Источники постоянного тока с очень высоким внутренним сопротивлением находят множество применений в электронных схемах и анализе и могут быть построены с использованием биполярных транзисторов, диодов, стабилитронов и полевых транзисторов, а также комбинации этих твердотельных устройств.

Магнитные полюса — обзор

32.1 Магнетизм

Большинство из нас когда-то интересовались магнитами. Если вы когда-нибудь играли с магнитной игрушкой, использовали компас или прикрепляли заметки к холодильнику с помощью магнита, вы, вероятно, задавались вопросом, как работают магниты. Интерес человечества к магнетизму можно проследить до открытия греками около 2000 лет назад, что магнитные камни из Магнезии (так называемый магнетит ) действуют друг на друга.С тех пор появилось бесчисленное множество технологических приложений, связанных с магнитными явлениями. Одним из наиболее важных из них является магнитный навигационный компас, впервые использованный в Китае примерно в 1000 году нашей эры. и до сих пор используется.

Магниты привлекают многих из нас, возможно, потому, что на самом деле можно почувствовать магнитную силу . Например, если вы держите магнит в руке, стоя рядом с железным или стальным предметом, вы чувствуете, как ваша рука тянется к этому предмету.Если вы держите магнит в каждой руке, вы чувствуете силы, действующие между одним магнитом и другим, даже когда магниты не соприкасаются; и если вы поместите изоляционный материал, такой как стекло, между двумя магнитами, силы сохранятся. Фактически, силы существуют, даже если магниты находятся в вакууме.

Если вы продолжите экспериментировать с магнитами таким образом, вы скоро узнаете, что источники магнитной силы в магните сосредоточены в областях, называемых полюса . Вы также обнаружите, что силы между магнитами могут быть притягивающими или отталкивающими.Мы можем объяснить это притяжение и отталкивание, определив два типа полюсов, N и S. Два N или два S-полюса отталкиваются друг от друга, но N-полюс и S-полюс притягиваются друг к другу (рис. 32.1). Поскольку Земля ведет себя как гигантский магнит с полюсами, расположенными рядом с ее географическими полюсами, мы определяем полюс N как полюс свободно подвешенного магнита, который притягивается и, следовательно, указывает на магнитный полюс Земли, который расположен недалеко от севера. географический полюс. Поскольку только полюса, в отличие от , притягиваются друг к другу, магнитный полюс около северного географического полюса должен быть южным полюсом.

Рисунок 32.1. Два полюса N или два полюса S разъединяются магнитными силами, но полюс N и полюс S притягиваются магнитными силами.

Если мы попытаемся изолировать магнитный полюс, разрезав магнит на две части, мы не получим отдельный полюс N и отдельный полюс S, а вместо этого получим два меньших магнита, каждый из которых имеет полюс N и полюс S (рис. 32.2). Это происходит независимо от того, сколько раз мы разрезаем магниты, а изолированный магнитный полюс никогда не получается .Несмотря на редкие заявления об обнаружении магнитного монополя, * исчерпывающих экспериментов с магнитами приводят нас к выводу, что элементарная магнитная сущность — это магнитный диполь, имеющий один полюс N и один полюс S.

Рисунок 32.2. Железный гвоздь намагничивается, когда его кладут на полюсные поверхности магнита. К концам намагниченного гвоздя притягивается кусок металлической опилки, но в середине нет притяжения. Если разрезать гвоздь пополам, получится два магнита. Концы, которые были около середины неотрезанного гвоздя, теперь являются магнитными полюсами.

Если мы посыпаем железные опилки вблизи стержневого магнита, опилки намагничиваются и образуют узор, удивительно похожий на узор, создаваемый крошечными кусочками нити, разбросанными вблизи электрического диполя (рис. 32.3a, b). Стрелка магнитного компаса, расположенная рядом с магнитом, выровняется с железными опилками (рис. 32.3c). Полюса стержневого магнита производят это выравнивание за счет приложения сил к полюсам намагниченных железных опилок. Мы можем представить эти силы как передаваемые на железные опилки и компас через магнитное поле, создаваемое магнитом.Но поскольку изолированных полюсов не существует, мы не можем исследовать магнитные поля, как мы исследовали электрические поля со статическими зарядами. Невозможно исследовать силу между изолированными полюсами или магнитное поле, создаваемое изолированным полюсом. Вместо этого мы рассматриваем силы и моменты, связанные с магнитными диполями и движущимися зарядами.

Рисунок 32.3a. Схема силовых линий электрического поля электрического диполя, выявленная при совмещении крошечных кусочков нити.

Рисунок 32.3b. Структура силовых линий магнитного диполя, обнаруженная по выравниванию крошечных кусочков железа.

Рисунок 32.3c. Компас ориентируется по касательной к силовой линии магнитного поля.

Хотя между электрическими и магнитными явлениями существует много общего, физическая связь не предполагалась до 21 июля 1820 года. Во время демонстрации лекции в этот день датский ученый Ганс Кристиан Эрстед случайно обнаружил, что компас под токоведущим проводом ориентируется сам. перпендикулярно проводу (рисунок 32.4). Эрстед изменил направление тока в проводе и заметил, что положение стрелки компаса на север и на юг поменялось местами. Он впервые установил взаимодействие между движущимися зарядами (электрическим током) и магнитным диполем. Если бы Эрстед высыпал кусочки железа на лист бумаги и вставил токопроводящий провод через центр и перпендикулярно плоскости бумаги, он бы увидел, что кусочки выстроились в четкие круглые узоры с центром на оси провода ( Рис 32.5), что свидетельствует о наличии магнитного поля. Стрелка компаса на любом круге будет выровнена перпендикулярно радиусу. Крутящий момент, испытываемый стрелкой компаса, возникает в результате взаимодействия магнитной стрелки и магнитного поля, создаваемого током в проводе. Движущийся заряд, создающий магнитное поле, называется эффектом Эрстеда. В следующей главе мы рассмотрим создание магнитных полей движением зарядов. Теперь обратимся к силе, которую существующее магнитное поле оказывает на движущийся заряд.

Рисунок 32.4. Компас под токоведущим проводом испытывает крутящий момент и ориентируется перпендикулярно проводу.

Рисунок 32.5. Токоведущий провод проходит через плоский пластиковый лист, ориентированный перпендикулярно проводу. Присыпанные на лист железные опилки ориентируются вдоль круговых силовых линий магнитного поля, создаваемых током в проводе.

Вопросы
1.

Две железки внешне идентичны. Однако один из них — магнитный диполь, а другой — нет.Наблюдая за силами, которые две части действуют друг на друга, как вы можете определить, какая из них не намагничена?

2.

Какое преимущество может быть в том, чтобы называть полюса магнита положительными и отрицательными, а не N и S?

3.

Предположим, у вас есть большое количество крошечных постоянных магнитов. Как можно было собрать их так, чтобы получился длинный и тонкий стержневой магнит? Как вы могли бы использовать постоянный стержневой магнит для регулировки за вас?

4.

Как можно заставить железные гвозди без начального магнетизма висеть встык на постоянном магните?

5.

Простые магнитные компасы могут вращаться только вокруг одной оси. Какие изменения произошли бы в ориентации стрелки компаса, если бы стрелка могла свободно вращаться вокруг любой оси, проходящей через ее центр?

Электромагниты

Электромагниты

Эксперименты с электромагнитами


Электромагниты

Что такое электромагнит?

Электромагнит просто моток проволоки.Обычно он наматывается на железный сердечник. Однако он может быть намотан на воздушный сердечник, и в этом случае он называется соленоидом. При подключении к источнику постоянного напряжения или тока электромагнит становится под напряжением, создавая магнитное поле, подобное постоянному магниту. Плотность магнитного потока пропорциональна величине тока. протекает в проводе электромагнита. Полярность электромагнит определяется направлением тока. Северный полюс электромагнита определяется правой рукой.Оберните свой пальцы вокруг катушки в том же направлении, в котором течет ток (обычный ток течет от + до -). Направление вашего большого пальца указывает направление магнитного поля, поэтому север будет выходить из электромагнит в направлении большого пальца. Электромагниты постоянного тока в основном используется, чтобы поднимать или удерживать предметы.

При подключении к источнику переменного напряжения или тока Электромагнит будет изменять свою магнитную индукцию по мере того, как ток колеблется. Полярность магнита также изменится по мере того, как ток меняет направление на противоположное. каждые полупериод. Электромагниты переменного тока могут использоваться для размагничивания объектов. (например, экраны телевизоров, аудиокассеты, видеомагнитофоны) или для удержания объектов. Однако из-за к индуктивности электромагнита, переменный ток, который будет фактически протекать будет уменьшено по сравнению с напряжением постоянного тока, равным среднеквадратичному значению переменного тока. напряжение питания электромагнита.

Ключевое значение электромагнита — способность контролировать силу магнитного потока, полярность поля, и форма поля.Сила плотности магнитного потока равна контролируется величиной тока, протекающего в катушке, полярность поле определяется направлением тока, а форма поле определяется формой железного сердечника, вокруг которого находится катушка. ранить.

Вот пример ярма телевизора. Оно сделано из два набора электромагнитов, перпендикулярных друг другу, и устанавливаются на шейка телевизионной трубки.Ток, протекающий по этим проводам управляет электронным лучом, идущим на экран телевизора, заставляя луч начертите растр или серию горизонтальных линий, одну за другой, от от верхней части экрана до нижней, а затем снова вверх для следующего Рамка. Это создает картинку, которую мы видим на экране телевизора. Один набор обмоток перемещает электронный луч слева направо, другой набор перемещается электронный луч сверху вниз.

Намотка катушки

Прежде чем вы сможете начать строительство электромагнит, сначала нужно выяснить следующее:
1.Из чего будет сделан сердечник из
2. Какой плотности магнитного потока вы пытаетесь достичь
3. Сколько витков потребуется для этого вместе с
4. Сколько ампер будет протекать по проводу
5. Насколько большим должен быть провод, чтобы выдерживать ток
? 6. Какая у вас площадь поверхности для охлаждения змеевика
7. Насколько большим будет электромагнит из-за вышеупомянутого
8. Какому номинальному напряжению должна соответствовать изоляция провода? выдержать
9.Какой будет индуктивность у электромагнита
10. Достать сердечник, проволоку, катушку (форма для обмотки)
11. Намотайте катушку
12. Проверить электромагнит

.

Как видите, иногда, когда вы проходите через эти шаги, которые, как только вы получите ответ, вам, возможно, придется вернуться на шаг или два назад и внесем некоторые изменения, и пересчитаем. Это итеративный процесс.

Чтобы помочь, я использую следующую таблицу Excel.Пожалуйста не стесняйтесь использовать это. Никаких гарантий не подразумевается. Возможны ошибки, но я так не думаю. Определенно есть возможности для улучшения. Coildata файл Excel. Просто сохраните его на диск, а затем откройте. Заполнить необходимые данные в зеленых полях. Он рассчитает длину провода в катушке сопротивление, и получить приблизительную индуктивность для воздушного сердечника, если вы хотите поиграть с числами.

Вот несколько отличных источников помощи в создании электромагнита или катушка.
http://www.ee.surrey.ac.uk/Workshop/advice/coils/index.html

Следует помнить о двух вещах:

1. Используйте магнитопровод с эмалевым покрытием
2. При намотке на металлический стержень или болт сначала оберните металл с одним или двумя слоями изоленты, чтобы обмотка не закорачивалась до металла.
3. Чистая, ровная намотка требует времени и осторожности.
4. После первого слоя оберните слой тонким кусочком бумага или другой слой изоленты, чтобы обеспечить гладкую поверхность для второй слой для укладки.Повторите это для каждого слоя или хотя бы для каждого три слоя.

При работе с электромагнитами я обнаружил, что наличие variac (variac — это переменный автотрансформатор) был большим подспорьем. Это обеспечивает источник переменного напряжения переменного тока. Когда вы что-то подключаете с его помощью вы можете регулировать выходное напряжение от 0 до 140 В переменного тока. я начинаю с нулевым значением, затем медленно поднимите его, наблюдая за током и Напряжение. Таким образом, я могу контролировать, что произойдет, если возникнет проблема. или ограничение.Подключив диодный мост к выходу вариака, вы также получаете источник переменного напряжения постоянного тока. Их оценивают по тому, насколько ток они могут выдержать. Выберите тот, который выдерживает 2 или 3 ампера минимум. Чем выше рейтинг усилителя, тем выше его цена. Они могут стоить около 100 долларов, неплохо для блока на 10 ампер со встроенным амперметром (метр что меряет амперы)!

Трансформаторы

Трансформатор — это просто два электромагнита, которые магнитно вместе.Между двумя обмотками есть гальваническая развязка, но мощность может передаваться от одной обмотки (первичной) к другой обмотке (вторичный) через переменное магнитное поле. Они работают от переменного тока напряжения. Отношение вторичного выходного напряжения к первичному входу напряжение равно отношению количества витков вторичной обмотки к количество витков в первичной обмотке. (т. е. Vout / Vin = Nsecondary / Nprimary)

На фотографии слева изображен управляющий трансформатор, потребляющий 230 В переменного тока. понижает его до 115 В переменного тока для цепей управления в промышленности.Вы также можете превратить это вокруг и поставить 115 В переменного тока и получить 230 В переменного тока. Трансформаторы имеют кВА номинальное выходное напряжение, умноженное на номинальный выходной ток, деленное на 1000. Вышеуказанный рассчитан на 0,200кВА или 200ВА. Две фотографии на справа показано, как продемонстрировать действие трансформатора с помощью двух катушек и Электромагнит переменного тока из наших экспериментов с электромагнитом.

Этот трансформатор назывался Sparker или катушка зажигания и использовался для создания искра, необходимая для свечей зажигания в автомобилях 30-х годов.В нем есть несколько витки первичной обмотки и много витков вторичной обмотки. Механизм на конце открывал и замыкал цепь несколько раз в секунду. создавая напряжение, подобное переменному току на первичной обмотке (поскольку она работала от 12 В аккумулятор, а трансформаторы не работают на постоянном токе, нужен был метод для создания переменного тока тип напряжения на первичной обмотке). Вторичный имеет тысячи витков на нем, создавая высокое напряжение около 30 000 В, которое будет иметь дугу около 10 мм. по воздуху.

Лестница Иакова с использованием неона знак трансформатор

В этой лестнице Иакова используется трансформатор, который создает 15000 В переменного тока на вторичная обмотка, когда к первичной обмотке приложено 120 В переменного тока. Я построил коробку вокруг блока, который я показываю здесь. Имеет оргстекло спереди, чтобы любопытные пальцы не касались проводов. Будь очень осторожен с этим!

с питанием от батареи Электромагнит, способный удерживать 500 фунтов!

Подъемный электромагнит производства www.sciencefirst.com который способен удерживать 500 фунтов всего с двумя батареями D! Это стоит около 55 долларов, но это довольно неплохая единица! Это их номер модели 20-035. У них также есть электромагнит немного меньшего размера, номер модели. 20-030, примерно за 47 долларов, который вмещает 200 фунтов всего с одной батареей D! Меньший блок также доступен в Наука онлайн (Эдмунд), номер по каталогу 60-435.

Он состоит из двух частей — ярма, которое также содержит катушку, и пластина.Секрет большой удерживающей силы в том, что пластина и кокетки тщательно обработаны, чтобы не было зазора между ними, когда они размещены вместе. В нем были отличные инструкции по эксперименты, которые вы можете проводить с ним. Однако я немного модифицировал более крупный блок. для удобства использования на моей деревянной подставке. Вот что я делал.

Сначала я снял держатели батарей, которые идут в комплекте. Затем я припаял к нему более длинные провода вместе с двумя банановыми вилками и зажимом для батареи 9В для последовательного подключения амперметра к держателю двухэлементной батареи AA или 4-элементный держатель для батареек AA от Radio Shack.Еще поставил кабельный зажим на нем, чтобы не было натяжения на проводах от узла катушки. Затем я вставил в пластину более длинный рым-болт и закрепил его плоским и замком. стиральная машина.

Доска

Деревянная подставка состоит из 4х4, шириной 30 дюймов и двух вертикальных опоры высотой 18 дюймов каждая. Плоская доска или доска на полу — это 2×10 и длина 36 дюймов. Поперечина на конце 2×10 представляет собой 2×4, 30 дюймов в длину, чтобы помочь стабилизировать 2×10, когда кто-то на нем сидит.В на фотографиях показаны детали конструкции. Болты по горизонтали 4х4 часть — болты с квадратным подголовком 1/2 «x 8». У меня также есть шнурок на плиту, чтобы она не упала ни на пол, ни на доску.

Для демонстрации требуется доброволец, который пойдет по доске в сторону электромагнит. Когда он стоит у электромагнита, тогда это держит его полный вес. Если бы кто-то (ведущий) встал на конец 2×10, где он прикреплен к поперечине 2×4, и доброволец должен был встать на 2х10 в дальнем конце, тогда электромагнит держать 1.В 5 раз больше веса добровольца. (Ведущему понадобится весить не менее половины веса волонтера, иначе ведущий поднимется вверх, как качели!) Когда волонтер на доске возле электромагнита, затем отсоедините аккумулятор и посмотрите пластину электромагнит отрывается от желтка электромагнита, в результате чего добровольно бросить на пол примерно 1,5 дюйма — это доказывает, что батареи были способный преобразовывать достаточное количество химической энергии в электрическую, катушка электромагнита могла преобразовывать электрическую энергию в магнитную энергии, а ярмо и пластина электромагнита могли преобразовывать магнитные энергию в механическую, чтобы удерживать вес добровольца! Довольно потрясающе!

Я знаю, что с четырьмя батареями АА в него может поместиться как минимум 300 фунтов.Я знаю, что с двумя батареями АА он может вмещать не менее 225 фунтов, но менее 300 фунтов. Я хотел использовать батарейки типа АА вместо батареек D. так как они были меньше и эффект более впечатляющий! Я называю это демо «Хождение по доске»!

Аудиоколонки

Динамики изготавливаются путем размещения однослойной катушки проволоки, намотанной на трубку, в магнитное поле. Конец трубки прикрепляем к центру. бумажного конуса динамика.Когда ток проходит через катушку, на катушку создается сила, заставляющая ее и трубку перемещаться внутри магнитное поле. Когда ток меняет направление, катушка и трубка двигаться в обратном направлении. Здесь используется правило левой руки.

На фотографиях выше показан динамик и магнит, используемые для катушки динамика и его трубка. Поле находится между центральной стойкой и внешней частью круглой щели.

Выступающий, показанный на трех нижних фотографиях, будет рассечен, чтобы вы могли посмотреть, что внутри.

Сначала отрежьте провода, идущие к клеммной колодке. Тогда возьми матовый нож и аккуратно обрежьте конус по краю. Пусть нож следует за металлом Рамка.

Затем вам нужно будет удерживать конус, осторожно обрезая внутреннюю часть. бумажный диск, обычно коричневого цвета. Затем вы можете поднять конус и Сборка звуковой катушки из магнита и рамки. Вы можете увидеть, как магнит выполнен с круглой прорезью в нем, центр которой — южный полюс, а внешнее кольцо — это северный полюс (по крайней мере, в этом динамике).В настоящее время протекает через катушку, она взаимодействует с магнитом. Чем быстрее ток меняет направление (чем выше частота сигнала), тем быстрее конус движется внутрь и наружу, создавая более высокочастотный звук. Чем больше величина тока, чем дальше конус входит и выходит из магнита, тем громче звук. Подключение батареи к динамику вызовет конус, чтобы втянуть или немного выдвинуть и оставаться там, пока сохраняется батарея связаны.Если поменять местами аккумуляторную батарею, конус движется (если он погас первым, замена батареи заставит его войти в второй раз). Для этого теста используйте батарею 1,5 В. Тот же эффект также продемонстрировано с левым Флемингом Демонстрация правила руки.

Это крупные планы магнита, диффузора и звуковой катушки. сборка. Звуковая катушка — это электромагнит или соленоид. это Изготовлен из очень тонкой (небольшого диаметра) проволоки, всего в два слоя.это затем припаян к гибким проводам, которые вы видите слева, которые присоединяются к клеммный блок. Эти провода очень гибкие, так как весь динамик конус входит и выходит из магнита для создания звуков.

Динамик в верхнем левом углу похож на разрезанный 5-дюймовый динамик. выше. Более крупный динамик — это 15-дюймовый низкочастотный динамик от Radio Shack. Поместите небольшие деревянные или стеклянные бусины в середину диффузора динамика и подключите генератор сигналов к клеммам громкоговорителей.Когда вы меняете частота и объем, бусинки начинают танцевать на конусе. Удовольствие от смотреть!

Сделай оратор!

Вы когда-нибудь хотели сделать свою собственную, работающую оратор? Вот отличный способ сделать это, к тому же он простой! я благодарен Майклу Гаспери за предложение и за созданный им комплект.

Вам понадобятся следующие материалы:
  • 24 дюйма из эмалевого магнита 30AWG (от Radio Shack, кат. 278-1345Б)
  • 1.5-дюймовый стальной стержень с латунным покрытием
  • керамический магнит, диаметр 0,5 дюйма, толщина 3/16 дюйма (от Radio Shack, p / n 64-1883)
  • 1,5-дюймовый квадратный кусок наждачной бумаги зернистостью 100
  • стакан из пенополистирола

Возьмите провод, оставьте около 4 дюймов для соединительного провода и оберните остальную часть вокруг стержня возле головы. Держите катушку на на расстоянии 3/16 дюйма от головы, как показано ниже. Опять же, оставьте примерно 4 дюйма на конце обмотки для подключения к катушке.

Теперь поместите магнит под голову (он будет прилипать к головку стержня) и вдавите стержень в дно чашки из пенополистирола. Разделите два выступа штифта и прижмите их к внутренней нижней части чашку, как показано здесь.

Наконец, возьмите наждачную бумагу и очистите примерно 3/4 дюйма каждого конец проводов от катушки, чтобы удалить эмалевую изоляцию и может выполнить электрическое соединение с катушкой.Вот и все! Просто подключите два конца катушки к разъему для радио, и вы сможете услышать Музыка.

Если хотите, найдите старые неиспользованные наушники и отрежьте вилка с прикрепленной к ней частью провода. Припаиваем пару проводов концы к концам катушки (один изолированный провод к одному концу катушки, другой провод пары к другому концу катушки). Затем вы можете подключить его напрямую. (Вы также можете купить мини-штекер 1/8 дюйма с зажимами из крокодиловой кожи в Radio Shack, p / n 42-2421, и закрепите его на концах катушки.)

Вот ссылка на изготовление динамика из бумажной тарелки!
https://www.youtube.com/watch?v=Awef78YtWmc


20.1 Магнитные поля, силовые линии и сила

Магниты и намагничивание

Люди знали о магнитах и ​​магнетизме тысячи лет. Самые ранние записи относятся к древним временам, особенно в регионе Малой Азии под названием Магнезия — название этого региона является источником таких слов, как магнит .Магнитные породы, найденные в Магнезии, которая сейчас является частью западной Турции, вызвали интерес в древние времена. Когда люди впервые обнаружили магнитные породы, они, вероятно, обнаружили, что некоторые части этих пород притягивают куски железа или других магнитных пород сильнее, чем другие части. Эти области называются полюсами магнита. Магнитный полюс — это часть магнита, которая оказывает самую сильную силу на другие магниты или магнитный материал, например, железо. Например, полюса стержневого магнита показаны на рисунке 20.2 — это место, где сосредоточены скрепки.

Рис. 20.2 Стержневой магнит со скрепками, притянутыми к двум полюсам.

Если стержневой магнит подвешен так, что он свободно вращается, один полюс магнита всегда будет поворачиваться на север, а противоположный полюс — на юг. Это открытие привело к созданию компаса, который представляет собой просто небольшой удлиненный магнит, установленный так, чтобы он мог свободно вращаться. Пример компаса показан на рисунке 20.3. Полюс магнита, направленный на север, называется северным полюсом, а противоположный полюс магнита — южным.

Рис. 20.3 Компас — это удлиненный магнит, установленный в устройстве, которое позволяет магниту свободно вращаться.

Открытие того, что один полюс магнита ориентирован на север, а другой — на юг, позволило людям идентифицировать северный и южный полюса любого магнита. Затем было замечено, что северные полюса двух разных магнитов отталкиваются друг от друга, как и южные полюса. И наоборот, северный полюс одного магнита притягивает южный полюс других магнитов.Эта ситуация аналогична ситуации с электрическим зарядом, когда одинаковые заряды отталкиваются, а разные — притягиваются. В магнитах мы просто заменяем заряд на полюс : подобные полюса отталкиваются, а разные полюса притягиваются. Это показано на рисунке 20.4, на котором показано, как сила между магнитами зависит от их взаимной ориентации.

Рис. 20.4. В зависимости от их взаимной ориентации полюса магнита будут притягиваться друг к другу или отталкиваться.

Еще раз рассмотрим тот факт, что полюс магнита, направленный на север, называется северным полюсом магнита.Если противоположные полюса притягиваются, то магнитный полюс Земли, который находится близко к географическому Северному полюсу, должен быть магнитным южным полюсом! Точно так же магнитный полюс Земли, который находится близко к географическому Южному полюсу, должен быть магнитным северным полюсом. Эта ситуация изображена на рис. 20.5, на котором Земля представлена ​​как содержащая гигантский внутренний стержневой магнит с южным магнитным полюсом на географическом Северном полюсе и наоборот. Если бы мы каким-то образом подвесили гигантский стержневой магнит в космосе около Земли, то северный полюс космического магнита был бы притянут к южному полюсу внутреннего магнита Земли.По сути, именно это происходит со стрелкой компаса: ее северный магнитный полюс притягивается к южному полюсу внутреннего магнита Земли.

Рис. 20.5. Землю можно представить как содержащую гигантский магнит, проходящий через ее ядро. Южный магнитный полюс магнита Земли находится на географическом Северном полюсе, поэтому северный полюс магнитов притягивается к Северному полюсу, так северный полюс магнитов получил свое название. Точно так же южный полюс магнитов притягивается к географическому Южному полюсу Земли.

Что произойдет, если разрезать стержневой магнит пополам? Вы получаете один магнит с двумя южными полюсами и один магнит с двумя северными полюсами? Ответ отрицательный: каждая половина стержневого магнита имеет северный и южный полюсы. Вы даже можете продолжить разрезать каждую часть стержневого магнита пополам, и вы всегда получите новый, меньший магнит с двумя противоположными полюсами. Как показано на рисунке 20.6, вы можете продолжить этот процесс вплоть до атомного масштаба, и вы обнаружите, что даже самые маленькие частицы, которые ведут себя как магниты, имеют два противоположных полюса.Фактически, ни в одном эксперименте не было обнаружено никаких объектов с одним магнитным полюсом, от мельчайших субатомных частиц, таких как электроны, до самых больших объектов во Вселенной, таких как звезды. Поскольку магниты всегда имеют два полюса, их называют магнитными диполями — di означает два . Ниже мы увидим, что магнитные диполи обладают свойствами, аналогичными электрическим диполям.

Рис. 20.6. Все магниты имеют два противоположных полюса, от самых маленьких, таких как субатомные частицы, до самых больших, таких как звезды.

Часы Physics

Введение в магнетизм

Это видео представляет собой интересное введение в магнетизм и обсуждает, в частности, как электроны вокруг своих атомов вносят вклад в наблюдаемые нами магнитные эффекты.

Проверка захвата

К какому магнитному полюсу Земли притягивается северный полюс стрелки компаса?

  1. Северный полюс стрелки компаса притягивается к северному магнитному полюсу Земли, который расположен недалеко от географического Северного полюса Земли.
  2. Северный полюс стрелки компаса притягивается к южному магнитному полюсу Земли, который расположен недалеко от географического Северного полюса Земли.
  3. Северный полюс стрелки компаса притягивается к северному магнитному полюсу Земли, который расположен недалеко от географического Южного полюса Земли.
  4. Северный полюс стрелки компаса притягивается к южному магнитному полюсу Земли, который расположен недалеко от географического Южного полюса Земли.

Только некоторые материалы, такие как железо, кобальт, никель и гадолиний, обладают сильными магнитными эффектами.Такие материалы называются ферромагнетиками, по латинскому слову ferrum , обозначающему железо. Другие материалы обладают слабыми магнитными эффектами, которые можно обнаружить только с помощью чувствительных инструментов. Ферромагнитные материалы не только сильно реагируют на магниты — так, как железо притягивается к магнитам, — но они также могут намагничиваться сами, то есть их можно вызвать намагничиванием или превратить в постоянные магниты (рис. 20.7). Постоянный магнит — это просто материал, который сохраняет свои магнитные свойства в течение длительного времени даже при воздействии размагничивающих воздействий.

Рис. 20.7 Немагниченный кусок железа помещается между двумя магнитами, нагревается, а затем охлаждается или просто постукивается в холодном состоянии. Утюг становится постоянным магнитом с выровненными полюсами, как показано: его южный полюс примыкает к северному полюсу исходного магнита, а его северный полюс примыкает к южному полюсу исходного магнита. Обратите внимание, что силы притяжения создаются между центральным магнитом и внешними магнитами.

Когда магнит приближается к ранее немагниченному ферромагнитному материалу, он вызывает локальное намагничивание материала с противоположными полюсами, расположенными ближе всего, как показано на правой стороне рисунка 20.7. Это вызывает силу притяжения, поэтому немагнитное железо притягивается к магниту.

То, что происходит в микроскопическом масштабе, показано на Рисунке 7 (а). Области внутри материала, называемые доменами, действуют как маленькие стержневые магниты. Внутри доменов выровнены магнитные полюса отдельных атомов. Каждый атом действует как крошечный стержневой магнит. В немагнитном ферромагнитном объекте домены имеют небольшие размеры и ориентированы случайным образом. В ответ на внешнее магнитное поле домены могут вырасти до миллиметра, выравниваясь, как показано на рисунке 7 (b).Это индуцированное намагничивание можно сделать постоянным, если материал нагреть, а затем охладить, или просто постучать в присутствии других магнитов.

Рис. 20.8 (a) Немагнитный кусок железа или другого ферромагнитного материала имеет произвольно ориентированные домены. (б) При намагничивании внешним магнитом домены демонстрируют большее выравнивание, и некоторые из них растут за счет других. Отдельные атомы выровнены внутри доменов; каждый атом действует как крошечный стержневой магнит.

И наоборот, постоянный магнит можно размагнитить сильными ударами или нагреванием в отсутствие другого магнита.Повышенное тепловое движение при более высокой температуре может нарушить и изменить ориентацию и размер доменов. Для ферромагнитных материалов существует четко определенная температура, называемая температурой Кюри, выше которой они не могут намагничиваться. Температура Кюри для железа составляет 1043 К (770 ° C ° C), что намного выше комнатной температуры. Есть несколько элементов и сплавов, которые имеют температуру Кюри намного ниже комнатной температуры и являются ферромагнитными только ниже этих температур.

Snap Lab

Магниты на холодильник

Мы знаем, что подобные магнитные полюса отталкиваются, а разные полюса притягиваются. Посмотрим, сможете ли вы показать это на примере двух магнитов на холодильник. Прилипнут ли магниты, если их перевернуть? Почему они вообще прилепляются к дверце холодильника? Что вы можете сказать о магнитных свойствах дверцы холодильника возле магнита? Магниты на холодильник прилипают к металлическим или пластиковым ложкам? Прилипают ли они ко всем типам металла?

Проверка захвата

У вас есть один магнит с обозначенными северным и южным полюсами.Как вы можете использовать этот магнит для определения северного и южного полюсов других магнитов?

  1. Если северный полюс известного магнита отталкивается полюсом неизвестного магнита при приближении их, этот полюс неизвестного магнита является его северным полюсом; в противном случае это его южный полюс.
  2. Если северный полюс известного магнита притягивается к полюсу неизвестного магнита при приближении их, этот полюс неизвестного магнита является его северным полюсом; в противном случае это его южный полюс.

Анализ передаточной функции | Основная теория переменного тока (AC)

Чрезвычайно важная тема в инженерии — это передаточных функций .Проще говоря, передаточная функция — это отношение выхода к входу для любой физической системы, обычно выход и вход являются математическими функциями от \ (s \). Другими словами, мы выражаем как выход системы, так и соответствующий вход этой системы в терминах экспоненциально растущих / затухающих синусоидальных волн, а затем решаем соотношение этих двух выражений.

К сожалению, обучение передаточным функциям и их связи с явлениями реального мира часто затрудняется из-за сильного акцента на математике.Цель этого раздела — представить эту концепцию очень «щадящим» способом, постоянно ссылаясь на реальные приложения. Если я смогу сделать что-нибудь, чтобы помочь приоткрыть завесу таинственности, окружающей такие концепции, как передаточные функции, переменная \ (s \) и графики полюс-ноль, то технические специалисты, а также инженеры смогут оценить мощь этого аналитического метода. и иметь возможность обмениваться другими идеями на одном «языке».

Простым примером передаточной функции является коэффициент усиления электронного усилителя.Все студенты, изучающие электронику, изучают, что «усиление» — это отношение выходного сигнала к входному сигналу для схемы. Начинающие студенты учатся представлять коэффициенты усиления схемы в виде скалярных значений (например, «Усилитель имеет коэффициент усиления по напряжению 24»), сначала в виде простых соотношений, а затем в виде цифр в децибелах (например, «Усилитель имеет коэффициент усиления по напряжению 27,6 дБ»). Одним из ограничений этого подхода является то, что он упрощает ситуацию, когда коэффициент усиления рассматриваемой схемы изменяется в зависимости от частоты и / или скорости роста / затухания сигнала, что случается довольно часто.Если мы примем инженерный подход к выражению выходных и входных сигналов как функций от \ (s \), мы получим более полную картину поведения этой схемы в широком диапазоне условий.

Другой простой пример передаточной функции — это то, что мы только что видели в этой книге: импеданс реактивного электрического компонента, такого как конденсатор или катушка индуктивности. Здесь речь идет о соотношении напряжения и тока. Если мы рассматриваем ток через компонент как «входной» сигнал, а напряжение на компоненте как «выходной» сигнал — оба выражаются в терминах \ (s \) — тогда импеданс \ (Z (s) = {V ( s) \ over I (s)} \) — передаточная функция для этого компонента.Это поднимает важный вопрос о передаточных функциях: то, что мы определяем как «вход» и «выход» системы, довольно произвольно, если между двумя сигналами существует реальная взаимосвязь.

Если мы напишем обобщенные передаточные функции выхода / входа \ (s \) для цепи переменного тока, мы можем математически проанализировать эту передаточную функцию, чтобы получить представление о поведении и характеристиках этой цепи. Интересующие нас особенности передаточных функций включают:

  • Нули : любое значение \ (s \), приводящее к нулевому значению передаточной функции (т.е.е. нулевое усиление)
  • Полюса : любое значение \ (s \), приводящее к бесконечному значению передаточной функции (т. Е. Максимальное усиление)

нулей цепи переменного тока говорят нам, где цепь не реагирует на входные стимулы. полюса цепи переменного тока говорят нам, где схема может генерировать выходной сигнал без входного стимула (то есть его естественный или неуправляемый режим (ы) ответа).

Для четкого понимания концепции передаточных функций очень полезны практические примеры.Здесь мы исследуем несколько очень простых цепей переменного тока, чтобы понять, что такое передаточные функции и какую пользу они приносят системному анализу.

Пример: схема фильтра нижних частот LR

Во-первых, давайте начнем с простой схемы фильтра нижних частот, состоящей из катушки индуктивности и резистора, соединенных последовательно:

Импеданс каждого компонента в зависимости от \ (s \) показан на диаграмме: полное сопротивление катушки индуктивности равно \ (sL \), а полное сопротивление резистора просто \ (R \).Любому изучающему электронику должно быть ясно, что эти два компонента будут функционировать как делитель напряжения , при этом выходное напряжение составляет некоторую часть входного напряжения. Зная это, мы можем написать передаточную функцию для этой схемы на основе формулы делителя напряжения, которая говорит нам, что отношение выходного напряжения к входному напряжению такое же, как отношение выходного импеданса к общему импедансу:

\ [\ hbox {Передаточная функция} = {V_ {out} (s) \ over V_ {in} (s)} = {R \ over {R + sL}} = {R \ over {R + (\ sigma + j \ omega) L}} \]

Эта передаточная функция позволяет нам вычислить «выигрыш» системы для любого заданного значения \ (s \), что подводит нас к следующему этапу нашего анализа.На этом этапе мы зададим себе три вопроса:

  1. Как эта система реагирует, когда \ (s = 0 \)?
  2. При каком значении \ (s \) передаточная функция приближается к нулю?
  3. При каком значении \ (s \) передаточная функция приближается к значению бесконечности?

Первый из этих вопросов относится к состоянию, когда мы подаем устойчивый сигнал постоянного тока на вход системы. Если \ (s = 0 \), то оба \ (\ sigma \) и \ (\ omega \) должны быть равны нулю.Нулевое значение для \ (\ sigma \) означает, что сигнал не растет и не затухает с течением времени, но остается на некотором неизменном значении. Нулевое значение для \ (\ omega \) означает, что сигнал не колеблется. Эти два условия могут относиться только к постоянному сигналу постоянного тока, приложенному к цепи. Подставляя ноль вместо \ (s \), получаем:

\ [{R \ over {R + 0 L}} \]

\ [{R \ over R} = 1 \]

Следовательно, передаточная функция этой схемы равна единице (1) в условиях постоянного тока. Это именно то, что можно было бы ожидать, если бы индуктор был последовательно соединен с резистором, а выходное напряжение принималось через резистор.Если в подаваемом сигнале нет изменений, то магнитное поле индуктора также не изменится, что означает, что он упадет нулевым напряжением (при условии, что индуктор чистый без сопротивления провода), в результате чего все входное напряжение упадет на резисторе.

Второй вопрос относится к состоянию, при котором выходной сигнал этой схемы равен нулю. Любые значения \ (s \), приводящие к нулевому выходу системы, называются нулями передаточной функции. Изучая передаточную функцию для этой конкретной схемы фильтра нижних частот LR, мы видим, что это может быть правдой только в том случае, если \ (s \) становится бесконечно большим, потому что \ (s \) находится в знаменателе дроби:

\ [{R \ over {R \ pm \ infty L}} = 0 \]

Это согласуется с поведением фильтра нижних частот: по мере увеличения частоты (\ (\ omega \)) выходной сигнал фильтра уменьшается.Однако передаточная функция не только говорит нам, как эта схема будет реагировать на изменение частоты — она ​​также сообщает нам, как схема будет реагировать на растущие или затухающие сигналы. Здесь мы видим, что бесконечно большие значения \ (\ sigma \) также приводят к нулевому выходу: индуктор, который имеет тенденцию противодействовать любому току, демонстрирующему высокую скорость изменения, не позволяет развиваться большому напряжению на резисторе, если вход сигнал очень быстро растет или затухает.

Третий вопрос относится к состоянию, при котором либо числитель передаточной функции приближается к бесконечности, либо ее знаменатель приближается к нулю.Любые значения \ (s \), имеющие этот результат, называются полюсами передаточной функции. Поскольку числитель в этом конкретном случае является константой (\ (R \)), только значение знаменателя, равное нулю, может привести к тому, что передаточная функция достигнет бесконечности:

\ [{R \ over {R + sL}} = \ infty \ hbox {только если} R + sL = 0 \]

Если необходимое условие для «полюса» состоит в том, что \ (R + sL = 0 \), то мы можем решить для \ (s \) следующим образом:

\ [R + sL = 0 \]

\ [sL = -R \]

\ [s = — {R \ over L} \]

Таким образом, эта передаточная функция для этой простой схемы фильтра нижних частот имеет один полюс, расположенный в точке \ (s = — R / L \).Поскольку и \ (R \), и \ (L \) являются действительными числами (не мнимыми) с положительными значениями, тогда значение \ (s \) для полюса должно быть действительным числом с отрицательным значением. Другими словами, решение для \ (s \) на этом полюсе — это все \ (\ sigma \), а не \ (\ omega \): это относится к экспоненциально затухающему сигналу постоянного тока .

Здесь важно рассмотреть, что означает это «состояние полюса» в реальной жизни. Представление о том, что схема способна генерировать выходной сигнал с нулевым входным сигналом, может показаться абсурдным, но это имеет смысл, если рассматриваемая схема обладает способностью накапливать и выделять энергию.В этой конкретной схеме катушка индуктивности является компонентом, накапливающим энергию, и она может создавать падение напряжения на резисторе с нулевым входным напряжением в режиме «разряда».

Иллюстрация помогает прояснить это. Если условие «полюса» таково, что \ (V_ {in} (s) = 0 \), мы можем показать это, закоротив вход нашей схемы фильтра, чтобы обеспечить условие нулевого входа:

Если предположить, что катушка индуктивности была «заряжена» энергией до короткого замыкания входа, выходное напряжение наверняка будет развиваться на резисторе по мере разряда катушки индуктивности.Другими словами, катушка индуктивности ведет себя как электрический источник , в то время как резистор ведет себя как электрическая нагрузка : подключенные последовательно, они, конечно, должны разделять один и тот же ток, но их соответствующие напряжения равны по величине и противоположны по полярности в соответствии с с законом напряжения Кирхгофа. Кроме того, значение \ (s \) в этом «полюсном» состоянии говорит нам, насколько быстро выходной сигнал будет затухать: это будет происходить со скоростью \ (\ sigma = -R / L \). Напомним, что член роста / убывания переменной \ (s \) является обратной величиной постоянной времени системы (\ (\ sigma = 1 / \ tau \)).Следовательно, значение \ (\ sigma \) для \ (R / L \) эквивалентно постоянной времени \ (L / R \), которая, как все начинающие студенты-электронщики узнают, является тем, как мы вычисляем постоянную времени для простая схема индуктор-резистор.

Передаточные функции легче понять, если они представлены графически в виде трехмерных поверхностей: действительная и мнимая части переменной \ (s \), занимающие горизонтальные оси, и величина доли передаточной функции, отображаемая как высота. Вот график полюс-ноль передаточной функции этой схемы фильтра нижних частот со значением резистора \ (R = 5 \> \ Omega \) и значением индуктивности \ (L = 10 \ hbox {H} \):

Этот поверхностный график делает значение термина «полюс» довольно очевидным: форма функции выглядит как резиновый коврик, натянутый в одной точке физическим полюсом.Здесь «полюс» поднимается на бесконечную высоту со значением \ (s \), где \ (\ sigma \) = \ (- 0,5 \) постоянные времени в секунду и \ (\ omega \) = 0 радиан в секунду. . Видно, что поверхность уменьшается по высоте по всем краям графика по мере увеличения значения \ (\ sigma \) и \ (\ omega \).

«Ноль» этой передаточной функции не так очевиден, как полюс, поскольку значение функции не равно нулю, пока \ (s \) не станет бесконечным, что, конечно, не может быть нанесено на любую конечную область. Достаточно сказать, что ноль этой передаточной функции лежит во всех горизонтальных направлениях на бесконечном расстоянии от начала графика (центра), что объясняет, почему поверхность наклоняется к нулю повсюду с увеличением расстояния от полюса.

Одно из ценных открытий, полученных с помощью трехмерного графика «полюс-ноль», — это реакция системы на входной сигнал постоянной величины и переменной частоты. Это обычно называется частотной характеристикой системы , а ее графическое представление — графиком Боде . Мы можем проследить график Боде для этой системы, обнаружив срез трехмерной поверхности вдоль плоскости, где \ (\ sigma = 0 \) (т.е. показывая, как система реагирует на синусоидальные волны различной частоты, которые не действуют). t растут или распадаются со временем):

Здесь нанесена только половина поверхности полюс-ноль, чтобы лучше показать поперечное сечение по оси \ (j \ omega \).Жирная красная кривая показывает край поверхности передаточной функции, когда она начинается с нулевой частоты (DC) до все более положительных значений \ (j \ omega \). Таким образом, красная кривая представляет собой график Боде для этого фильтра нижних частот, начиная с максимального значения 1 (\ (V_ {out} = V_ {in} \) для входного сигнала постоянного тока) и приближаясь к нулю по мере увеличения частоты.

Какими бы проницательными ни были трехмерные графики «полюс-ноль», их сложно построить вручную, и даже с помощью компьютера для настройки может потребоваться значительное время.По этой причине графики полюс-нуль традиционно рисовались в двухмерном, а не трехмерном формате, с высоты птичьего полета, смотрящей вниз на плоскость \ (s \). Поскольку этот вид скрывает любые характеристики высоты, полюса и нули вместо этого расположены на плоскости \ (s \) символами \ (\ times \) и \ (\ circ \) соответственно. Пример традиционного графика «полюс-ноль» для нашего фильтра нижних частот показан здесь:

По общему признанию, этот тип графика полюс-ноль гораздо менее интересен для просмотра, чем трехмерная поверхность, построенная компьютером, но, тем не менее, содержит полезную информацию о системе.Единственный полюс, лежащий на реальной оси (\ (\ sigma \)), говорит нам, что система не будет автоколебаться (т. Е. \ (\ Omega = 0 \) на полюсе), и что она по своей природе устойчива: при воздействии импульса, его естественная тенденция — затухать до стабильного значения с течением времени (т.е. \ (\ sigma <0 \)).

Следует отметить, что передаточные функции и графики полюс-ноль применимы не только к схемам фильтров. Фактически, любая физическая система , имеющая такую ​​же характеристику «нижних частот», что и эта схема фильтра, описывается той же передаточной функцией и теми же графиками полюс-нуль.Электрические цепи оказываются удобными приложениями, потому что их индивидуальные характеристики компонентов легко представить как функции от \ (s \). Однако, если мы можем охарактеризовать компоненты другой физической системы в одних и тех же терминах, применяются те же математические инструменты.

Пример: RC-схема фильтра верхних частот

Для нашего следующего исследовательского примера мы рассмотрим еще одну простую схему фильтра, на этот раз состоящую из конденсатора и резистора, с выходным сигналом, принимаемым через резистор.Как и раньше, мы можем получить передаточную функцию, выразив \ (V_ {out} / V_ {in} \) как отношение импеданса резистора к общему последовательному импедансу резистор-конденсатор (рассматривая это как схему делителя напряжения):

\ [\ hbox {Передаточная функция} = {V_ {out} (s) \ over V_ {in} (s)} = {R \ over {R + {1 \ over sC}}} \]

После написания этой начальной передаточной функции, основанной на импедансах компонентов, мы будем алгебраически манипулировать ею, чтобы исключить составные дроби. Это поможет нам проанализировать отклик цепи по постоянному току, нули и полюса:

\ [R \ over {R + {1 \ over sC}} \]

\ [R \ over {{sRC \ over sC} + {1 \ over sC}} \]

\ [R \ over {1 + sRC \ over sC} \]

\ [sRC \ более 1 + sRC \]

Эта передаточная функция позволяет нам вычислить «выигрыш» системы для любого заданного значения \ (s \), что подводит нас к следующему этапу нашего анализа.Еще раз зададим себе три вопроса о передаточной функции:

  1. Как эта система реагирует, когда \ (s = 0 \)?
  2. При каком значении \ (s \) передаточная функция приближается к нулю?
  3. При каком значении \ (s \) передаточная функция приближается к значению бесконечности?

Отвечая на первый вопрос, мы видим, что передаточная функция равна нулю, когда \ (s = 0 \):

\ [{0RC \ over 1 + 0RC} \]

\ [{0 \ over 1 + 0} = {0 \ over 1} = 0 \]

Конечно, значение 0 для \ (s \) означает воздействие постоянного сигнала постоянного тока: такого, который не растет, не затухает со временем и не осциллирует.Следовательно, эта схема резистор-конденсатор будет выдавать нулевое напряжение при воздействии чисто постоянного входного сигнала. Это имеет концептуальный смысл, когда мы исследуем саму схему: напряжение входного сигнала постоянного тока означает, что конденсатор не будет испытывать никаких изменений напряжения с течением времени, что означает, что он не будет пропускать ток через резистор. Без тока через резистор не будет выходного напряжения. Таким образом, конденсатор «блокирует» входной сигнал постоянного тока, не давая ему достичь выхода. Такое поведение — именно то, что мы ожидаем от такой схемы, в которой любой изучающий электронику должен немедленно распознать простой высокочастотный фильтр : постоянный ток — это условие нулевой частоты, которое должно быть полностью заблокировано любой схемой фильтра с характеристика высоких частот.

Ответ на наш первый вопрос является также ответом на второй вопрос: «какое значение \ (s \) делает передаточную функцию равной нулю?» Здесь мы видим, что только при значении \ (s = 0 \) значение всей передаточной функции будет равно нулю. Любые другие значения для \ (s \) — даже бесконечные — дают ненулевые результаты. В отличие от последней схемы (фильтр нижних частот резистор-индуктор) эта схема показывает особую «нулевую» точку в своей передаточной функции: одно конкретное место на графике «полюс-ноль», где значение функции уменьшается до нуля.

Когда мы рассматриваем третий вопрос («Какое (ые) значение (а) \ (s \) заставляет передаточную функцию приближаться к значению бесконечности?»), Мы поступаем так же, как и раньше: найдя значение (я) \ (s \ ), что сделает знаменатель дроби передаточной функции равным нулю. Если мы установим часть знаменателя равной нулю и решим относительно \ (s \), мы получим полюс для схемы:

\ [1 + sRC = 0 \]

\ [sRC = -1 \]

\ [s = — {1 \ over RC} \]

Мы знаем, что и \ (R \), и \ (C \) являются действительными числами, а не мнимыми.Это говорит нам, что \ (s \) также будет действительным числом на полюсе. То есть \ (s \) будет состоять из всех \ (\ sigma \) и не \ (\ omega \). Тот факт, что значение \ (\ sigma \) отрицательно, говорит нам, что полюс представляет собой условие экспоненциального спада , точно так же, как в случае фильтра нижних частот резистора-индуктора. Как и раньше, это означает, что схема будет производить сигнал выходного напряжения без сигнала входного напряжения, когда скорость затухания сигнала равна \ (\ sigma = -1 / RC \).

Напомним, что скорость распада в переменной \ (s \) (\ (\ sigma \)) не более чем обратная величина постоянной времени системы (\ (\ tau \)).Таким образом, скорость затухания, равная \ (1 / RC \), соответствует постоянной времени \ (\ tau = RC \), которая, как известно всем студентам-электронщикам, позволяет рассчитать постоянную времени для любой простой цепи резистор-конденсатор.

Используя компьютер для построения трехмерного представления этой передаточной функции, мы ясно видим полюс и ноль как сингулярности. Здесь я использовал резистор 10 \ (\ Omega \) и конденсатор 0,2 Ф, чтобы разместить полюс в том же месте, что и в схеме фильтра нижних частот \ (s = -0.5 + j0 \), для справедливого сравнения:

Здесь мы ясно видим полюс в точке \ (s = -0,5 + j0 \) и нуль в точке \ (s = 0 + j0 \): полюс — это особая точка бесконечной высоты, а ноль — особая точка. нулевой высоты. Трехмерная поверхность передаточной функции выглядит как резиновый лист, растянутый на бесконечную высоту у полюса и растянутый до уровня земли в нуле.

Как и в последнем примере, мы можем перестроить передаточную функцию таким образом, чтобы показать вид в разрезе в точке \ (\ sigma = 0 \), чтобы выявить частотную характеристику этой схемы фильтра верхних частот:

Еще раз жирная красная кривая показывает край поверхности передаточной функции, когда она начинается с нулевой частоты (DC) до все более положительных значений \ (j \ omega \).Таким образом, красная кривая представляет собой график Боде для этого фильтра верхних частот, начиная с минимального значения 0 (\ (V_ {out} = 0 \) для входного сигнала постоянного тока) и приближаясь к единице (1) по мере увеличения частоты. Естественно, это тип отклика, который мы ожидаем увидеть от схемы фильтра верхних частот.

На более традиционном двумерном графике полюс-ноль для этой схемы полюс обозначается символом «\ (\ times \)», а ноль — символом «\ (\ circ \)»:

Пример: контур LC «резервуар»

Далее мы исследуем передаточную функцию для цепи резервуара , состоящей из конденсатора и катушки индуктивности.Мы предположим использование здесь чистых реактивных сопротивлений без электрического сопротивления или других потерь энергии любого рода, просто чтобы проанализировать идеальный случай. Выходное напряжение в этой конкретной цепи будет приниматься на катушке индуктивности:

.

Запись передаточной функции для этой цепи резервуара — это (еще раз) вопрос выражения отношения между импедансом выходного компонента и полным сопротивлением цепи:

\ [\ hbox {Передаточная функция} = {V_ {out} (s) \ over V_ {in} (s)} = {sL \ over {sL + {1 \ over sC}}} \]

Алгебраическое изменение этой функции для исключения составных дробей:

\ [sL \ over {sL + {1 \ over sC}} \]

\ [sL \ over {{sLsC \ over sC} + {1 \ over sC}} \]

\ [sL \ over {{s ^ 2LC \ over sC} + {1 \ over sC}} \]

\ [sL \ over {s ^ 2LC + 1 \ over sC} \]

\ [sLsC \ over {s ^ 2LC + 1} \]

\ [s ^ 2LC \ over {s ^ 2LC + 1} \]

Обратите внимание, как эта передаточная функция содержит члены \ (s ^ 2 \), а не члены \ (s \). 2LC + 1} \]

\ [{0 \ over 0 + 1} = {0 \ over 1} = 0 \]

Как и RC-фильтр нижних частот, его отклик на постоянном токе также оказывается нулевым для передаточной функции.2 = — {1 \ over LC} \]

\ [s = \ sqrt {- {1 \ over LC}} \]

\ [s = \ pm j \ sqrt {1 \ over LC} \]

Учитывая тот факт, что \ (L \) и \ (C \) являются действительными положительными числами, и поэтому решение для \ (s \) требует извлечения квадратного корня из отрицательного действительного числа, мы видим, что значение \ (s \) должен быть воображаемым. Мы также видим здесь, что в этой передаточной функции есть , два полюса : один в \ (s = 0 + j \ sqrt {1 \ over LC} \), а другой в \ (s = 0 — j \ sqrt {1 \). над LC} \).

Используя компьютер для построения трехмерного представления этой передаточной функции, мы ясно видим один ноль в точке \ (s = 0 \) и два полюса, симметрично расположенных вдоль оси \ (j \ omega \). Здесь я предположил, что конденсатор 0,2 Ф и катушка индуктивности 5 Н для значений компонентов:

Два полюса, расположенные на оси \ (j \ omega \) (один в точке \ (s = 0 + j1 \), а другой в точке \ (s = 0 — j1 \)), говорят нам, что схема способна генерировать колебательный выходной сигнал (\ (\ omega \) = частота 1 радиан в секунду) с постоянной величиной (\ (\ sigma = 0 \)) без входного сигнала.Это возможно только потому, что мы предположили идеальный конденсатор и идеальную катушку индуктивности без каких-либо потерь энергии. Если мы зарядим один или оба этих компонента, а затем немедленно закоротим вход цепи, чтобы гарантировать \ (V_ {in} = 0 \), он будет постоянно колебаться на своей резонансной частоте.

Ранее мы отметили, что полюса в этой цепи были \ (s = 0 + j \ sqrt {1 \ over LC} \) и \ (s = 0 — j \ sqrt {1 \ over LC} \). Другими словами, его резонансная частота равна \ (\ omega = \ sqrt {1 \ over LC} \).Вспоминая, что определение для \ (\ omega \) — это радианы вращения вектора в секунду и что за один полный оборот (цикл) приходится \ (2 \ pi \) радиан, мы можем вывести знакомую формулу резонансной частоты для простого Цепь LC:

\ [\ omega = \ sqrt {1 \ over LC} \]

\ [\ hbox {. . . заменяя} 2 \ pi f \ hbox {на} \ omega \ hbox {. . .} \]

\ [2 \ pi f = \ sqrt {1 \ over LC} \]

\ [f = {1 \ over 2 \ pi \ sqrt {LC}} \]

Взяв поперечное сечение этого участка поверхности в точке \ (\ sigma = 0 \), чтобы получить частотную характеристику (график Боде) цепи резервуара LC, мы видим, что выходной сигнал этой схемы начинается с нуля, когда частота (\ ( \ omega \)) равен нулю, тогда выходной пик достигает резонансной частоты (\ (\ omega \) = 1 рад / сек), затем выходной сигнал приближается к единице (1), когда частота увеличивается после резонанса:

Более традиционный двумерный график полюс-ноль для этой схемы локаций показывает ноль и два полюса с использованием символов «\ (\ circ \)» и «\ (\ times \)»:

Пример: схема полосового фильтра RLC

Для нашей следующей примерной схемы мы добавим резистор последовательно с катушкой индуктивности и конденсатором, чтобы исследовать его влияние на передаточную функцию. 2 \).Снова пробежимся по трем нашим вопросам:

  1. Как эта система реагирует, когда \ (s = 0 \)?
  2. При каком значении \ (s \) передаточная функция приближается к нулю?
  3. При каком значении \ (s \) передаточная функция приближается к значению бесконечности?

Ответы на первые два вопроса одинаковы: числитель передаточной функции будет равен нулю, когда \ (s = 0 \), это единственный ноль функции.Вспоминая, что условие \ (s = 0 \) представляет входной сигнал постоянного тока (без роста или затухания с течением времени и без колебаний), это имеет смысл: наличие в этой цепи конденсатора блокировки постоянного тока обеспечивает выходной сигнал. напряжение в установившемся режиме должно быть нулевым.

При ответе на третий вопрос об идентификации полюсов для этой цепи мы сталкиваемся с более сложной математической проблемой, чем это было в предыдущих примерах схем. Знаменателем дроби передаточной функции является полином второй степени от переменной \ (s \). 2 — 4LC \).Эта часть квадратной формулы называется дискриминантом , и его значение определяет как количество корней, так и их действительный или мнимый характер. Если дискриминант равен нулю, у нашего многочлена будет единственный действительный корень и, следовательно, только один полюс для нашей схемы. Если дискриминант больше нуля (т.е. положительное значение), то будет два действительных корня и, следовательно, два полюса, лежащих на оси \ (\ sigma \) (т.е. нет мнимых частей \ (j \ omega \)).Если дискриминант меньше нуля (то есть отрицательное значение), то для нашего полинома будет два комплексных корня и, следовательно, два комплексных полюса, имеющих как действительную, так и мнимую части.

Рассмотрим на мгновение, что означает знак дискриминанта на практике. Полюс, который является чисто реальным, означает значение для \ (s \), которое представляет собой все \ (\ sigma \) и не \ (\ omega \): представляет собой состояние роста или распада, но без колебаний. Это похоже на то, что мы видели со схемами нижних / верхних частот LR или RC, где схема в состоянии разряда могла генерировать выходной сигнал даже при закороченных входных клеммах, чтобы гарантировать отсутствие входного сигнала.

Если у нас есть положительное значение для дискриминанта, которое дает два реальных полюса, это означает два различных возможных значения для \ (\ sigma \) (скорость роста / спада), которые могут возникнуть при отсутствии входного сигнала в схему. Такое поведение возможно только с двумя компонентами, накапливающими энергию в цепи: своего рода с двойной постоянной времени , где разные части схемы разряжаются с разной скоростью. Отсутствие какой-либо воображаемой части в \ (s \) означает, что схема по-прежнему не будет автоколебаться.

Если у нас есть отрицательное значение дискриминанта, которое дает два комплексных полюса , это означает два разных значения для \ (s \), оба из которых имеют действительную и мнимую части. Поскольку действительная часть (\ (\ sigma \)) представляет рост / распад, а мнимая часть (\ (\ omega \)) представляет колебания, комплексные полюса говорят нам, что схема будет способна автоколебаться, но не с постоянной величиной. как с идеальным контуром резервуара (без потерь). Фактически, интуиция должна сказать нам, что эти сложные полюса должны иметь отрицательные действительные значения, представляющие затухающие колебания, потому что это нарушило бы Закон сохранения энергии, чтобы наша цепь автоколебалась с возрастающей величиной.2 = 4LC \]

\ [RC = \ sqrt {4LC} \]

\ [RC = 2 \ sqrt {L} \ sqrt {C} \]

\ [R = {2 \ sqrt {L} \ sqrt {C} \ over C} \]

\ [R = {{2 \ sqrt {L} \ sqrt {C}} \ over {\ sqrt {C} \ sqrt {C}}} \]

\ [R = {2 \ sqrt {L} \ over \ sqrt {C}} = 2 \ sqrt {L \ over C} \]

Это критическое значение \ (R \), приводящее к одному действительному полюсу, представляет собой минимальное сопротивление, необходимое для предотвращения автоколебаний. Если в этот момент схема работает, говорят, что она критически демпфирована .Большие значения \ (R \) приведут к появлению нескольких реальных полюсов, при этом считается, что цепь имеет избыточное демпфирование . Меньшие значения \ (R \) допускают возникновение некоторых автоколебаний, и говорят, что цепь недемпфирована .

Иногда инженеры-электрики намеренно устанавливают резисторы в цепи, содержащие как индуктивность, так и емкость, специально для гашения колебаний. В таких случаях резистор называется антирезонансным резистором , потому что его назначение — бороться с резонансными колебаниями, которые в противном случае возникли бы, когда индуктивные и емкостные элементы цепи обмениваются энергией назад и вперед друг с другом.Если намерение инженера состоит в том, чтобы установить в схему сопротивление, достаточное для предотвращения колебаний, не создавая ненужных задержек по времени, то лучшим значением резистора будет то, которое вызывает критическое затухание.

Напомним, что вопрос о передаточных функциях, полюсах и нулях относится к любой линейной системе , а не только к цепям переменного тока. Механические системы, контуры управления с обратной связью и многие другие физические системы могут быть охарактеризованы таким же образом с использованием тех же математических инструментов.Этот конкретный вопрос демпфирования чрезвычайно важен в приложениях, где колебания вредны. Рассмотрим конструкцию системы подвески автомобиля, в которой дополнительные явления накопления энергии — натяжение пружины и масса автомобиля — вызывают колебания после удара с возмущением на поверхности дороги. Работа амортизатора заключается в том, чтобы действовать как «резистор» в этой системе и рассеивать энергию, чтобы минимизировать колебания после неровностей дороги. Амортизатор меньшего размера не будет достаточно хорошо рассеивать энергию возмущения, и поэтому подвеска транспортного средства будет иметь сложные полюса (т.е. после удара будут некоторые затяжные колебания). Амортизатор слишком большого размера будет слишком «жестким» и позволит передать слишком много энергии удара к раме транспортного средства и пассажирам. Однако амортизатор идеального размера «критически демпфирует» систему, полностью предотвращая колебания, обеспечивая при этом максимально плавную езду.

Аналогичным образом, колебания, следующие за возмущением, нежелательны в системе управления с обратной связью, где целью является поддержание переменной процесса как можно ближе к заданному значению.Контур обратной связи с недостаточным демпфированием будет иметь тенденцию к чрезмерным колебаниям после возмущения. Контур обратной связи с избыточным демпфированием не будет колебаться, но потребуется слишком много времени, чтобы вернуться к заданному значению, что также нежелательно, потому что это означает, что больше времени будет проводиться вне заданного значения. Контур обратной связи с критическим затуханием — лучший компромисс, когда колебания устраняются, а время сходимости сводится к минимуму.

Чтобы полностью проиллюстрировать характеристики передаточной функции этой схемы, мы сделаем это для трех разных номиналов резистора: один, где \ (R \) дает критическое затухание (один действительный полюс), второй, где \ (R \) делает схему с чрезмерным демпфированием (два реальных полюса), и один, где \ (R \) делает схему недозатухающей (два комплексных полюса).Мы будем использовать трехмерный график, чтобы показать реакцию передаточной функции в каждом случае. Чтобы соответствовать нашему предыдущему примеру цепи резервуара, мы предположим то же значение конденсатора 0,2 Фарад и такое же значение индуктивности 5 Генри. Величина резистора будет изменяться в каждом случае для создания различных условий демпфирования.

Во-первых, пример с критическим демпфированием, с сопротивлением 10 Ом:

Как и ожидалось, один ноль появляется в точке \ (s = 0 \), а единственный полюс — в точке \ (s = -1 + j0 \).{-1} \]

Интересно, что только \ (L \) и \ (R \) определяют скорость распада (\ (\ sigma \), действительная часть \ (s \)) в условиях критического затухания. Это ясно, если мы установим дискриминант в ноль в формуле квадратного уравнения и ищем переменные для отмены:

\ [s = {{-RC \ pm \ sqrt {0}} \ over 2LC} = — {R \ over 2L} \]

Затем мы построим ту же передаточную функцию с большим сопротивлением резистора (15 Ом), чтобы гарантировать чрезмерное демпфирование:

Мы ясно видим , два полюса с центром вдоль оси \ (\ sigma \) на этом графике, представляющие два действительных корня знаменателя передаточной функции.{-1} \), более медленная из этих двух скоростей затухания определяет переходную характеристику схемы в течение длительных периодов времени.

Затем мы построим ту же передаточную функцию с меньшим сопротивлением резистора (5 Ом), чтобы обеспечить недостаточное демпфирование:

Мы снова ясно видим два полюса , но ни один из них не расположен на оси. Они представляют два комплексных значений для \ (s \), описывающих поведение схемы при нулевом входе. Мнимая (\ (j \ omega \)) часть \ (s \) говорит нам, что схема способна автоколебаться.{-1} \]

Расчетное значение \ (\ omega \) 0,866 радиан в секунду меньше, чем резонансная частота 1 рад в секунду, вычисленная для контура чистого резервуара, имеющего те же значения \ (L \) и \ (C \), показывая, что демпфирующий резистор искажает «центральную» частоту этого полосового фильтра RLC. Вычисленное значение \ (\ sigma \) постоянной времени \ (- 0,5 \) в секунду (эквивалент постоянной времени \ (\ tau \) = 2 секунды) описывает скорость затухания синусоидальных колебаний по величине.{-1} \)).

Если мы сравним двумерные графики полюс-ноль для каждого из трех значений резистора в этой цепи RLC, мы можем сопоставить реакции с избыточным демпфированием, критическим демпфированием и недостаточным демпфированием:

Если мы возьмем графики поперечного сечения передаточной функции в \ (\ sigma = 0 \), чтобы показать частотную характеристику этого полосового фильтра RLC, мы увидим, что ответ становится «более резким» (более избирательным) по мере того, как значение резистора уменьшается, и полюса перемещаются ближе к оси \ (j \ omega \).Специалисты-электронщики связывают это с коэффициентом качества или \ (Q \) схемы полосового фильтра, схема демонстрирует более высокое «качество» выбора полосы пропускания по мере увеличения отношения реактивного сопротивления к сопротивлению:

Хотя каждый полюс на графике нулевого полюса имеет одинаковую (бесконечную) высоту, полюса становятся более узкими при удалении друг от друга и шире при близком расположении. По мере того, как сопротивление в этой цепи уменьшается, а полюса перемещаются дальше друг от друга и ближе к оси \ (j \ omega \), их ширина сужается, а пик кривой частотной характеристики становится более узким и крутым.

Резюме анализа передаточной функции

Вот краткое изложение некоторых основных концепций, важных для анализа передаточной функции:

  • Переменная \ (s \) представляет собой выражение растущих / затухающих синусоидальных волн, состоящее из действительной и мнимой частей (\ (s = \ sigma + j \ omega \)). Действительная часть \ (s \) (\ (\ sigma \)) — это скорость роста / спада, показывающая, насколько быстро сигнал растет или затухает с течением времени, при этом положительные значения \ (\ sigma \) представляют рост, а отрицательные. значения \ (\ sigma \), представляющие распад.{-1} \)).
  • Важное предположение, которое мы делаем при анализе передаточной функции (функций) любой системы, заключается в том, что система является линейной (т.е. ее выходная и входная величины будут пропорциональны друг другу для всех условий) и неизменной во времени (т.е. характеристики системы не меняются с течением времени). Если мы хотим проанализировать нелинейную систему с помощью этих инструментов, мы должны ограничиться диапазонами работы, в которых реакция системы приблизительно линейна, а затем принять небольшие ошибки между результатами нашего анализа и реальной реакцией системы.
  • Для любой линейной инвариантной во времени системы (системы LTI) \ (s \) является описательным во всей системе. Другими словами, для определенного значения \ (s \), описывающего вход в эту систему, это же значение \ (s \) также будет описывать выход этой системы.
  • Передаточная функция является выражением коэффициента усиления системы , измеренного как отношение выходного сигнала к входному. В технике передаточные функции обычно представляют собой математические функции от \ (s \) (т.е. \ (s \) — независимая переменная в формуле).При таком выражении передаточная функция для системы сообщает нам, какой выигрыш система будет иметь для любого заданного значения \ (s \).
  • Передаточные функции полезны для анализа поведения электрических цепей, но они не ограничиваются этим приложением. Любая линейная система, будь то электрическая, механическая, химическая или другая, может быть охарактеризована передаточными функциями и проанализирована с использованием тех же математических методов. Таким образом, передаточные функции и переменная \ (s \) являются общими инструментами, не ограничивающимися анализом электрических цепей.
  • A zero — любое значение \ (s \), которое приводит к нулевому значению передаточной функции (то есть нулевому усилению или отсутствию выхода для любой величины входа). Это говорит нам, где система будет наименее отзывчивой. На трехмерном графике «полюс-ноль» каждый ноль отображается как нижняя точка, в которой поверхность касается плоскости \ (s \). На традиционном двумерном графике полюс-ноль каждый ноль отмечен кружком (\ (\ circ \)). Мы можем найти ноль (а) системы, решив значение (я) \ (s \), которое сделает числитель передаточной функции равным нулю, поскольку числитель передаточной функции представляет вывод срок системы.
  • Полюс — это любое значение \ (s \), которое приводит к тому, что передаточная функция имеет бесконечное значение (т. Е. Максимальное усиление, дающее выход без какого-либо входа). Это говорит нам, что система способна делать, когда она не «управляется» никакими входными стимулами. Полюса обычно связаны с элементами аккумулирования энергии в пассивной системе, потому что единственный способ, которым система без питания может генерировать выход с нулевым входом, — это если в этой системе есть элементы, аккумулирующие энергию, которые разряжаются на выход.На трехмерном графике полюс-ноль каждый полюс выглядит как вертикальный шип на поверхности, уходящий в бесконечность. На традиционном двумерном графике полюс-ноль каждый полюс помечен символом (\ (\ times \)). Мы можем найти полюс (ы) системы, решив значение (а) \ (s \), которое сделает знаменатель передаточной функции равным нулю, поскольку знаменатель передаточной функции представляет ввод члена системы.
  • Системы второго порядка способны к автоколебаниям.Это обнаруживается полюсами, имеющими мнимые значения. Эти колебания могут быть полностью незатухающими (т. Е. \ (S \) является полностью мнимым, с \ (\ sigma = 0 \)), и в этом случае система способна бесконечно колебаться сама по себе. Если в системе второго порядка присутствуют элементы, рассеивающие энергию, колебания будут затухать (т. Е. Затухать по величине с течением времени).
  • Система с недостаточным демпфированием демонстрирует комплексные полюса, причем \ (s \) имеет как мнимые (\ (j \ omega \)) значения частоты, так и действительные (\ (\ sigma \)) значения затухания.Это означает, что система может автоколебаться, но только с уменьшающейся величиной с течением времени.
  • Система с критическим демпфированием — это система, обладающая достаточным диссипативным поведением для полного предотвращения автоколебаний, демонстрирующая единственный полюс, имеющий только реальное (\ (\ sigma \)) значение и не имеющий воображаемого (\ (j \ omega \)) ценить.
  • Система с избыточным демпфированием — это система с избыточным рассеянием, имеющая несколько реальных полюсов. Каждый из этих реальных полюсов представляет различную скорость распада (\ (\ sigma \)) или постоянную времени (\ (\ tau = 1 / \ sigma \)) в системе.Когда эти скорости распада существенно отличаются друг от друга, самая медленная из них будет доминировать в поведении системы в течение длительных периодов времени.

Магнитные развороты


Что мы подразумеваем под инверсией магнитного поля или магнитным «переворотом» Земли?

У Земли есть магнитное поле, что можно увидеть с помощью магнитного компаса. Это в основном образовался в очень горячем расплавленном ядре планеты и, вероятно, существовал в большинстве жизни Земли.Магнитное поле в основном дипольное, под которым мы понимаем что у него один северный полюс и один южный полюс. В эти места будет указывать стрелка компаса. прямо вниз или вверх соответственно. Его часто описывают как похожий по своей природе на поле барного магнита (например, на холодильник). Однако есть много мелкомасштабных вариаций в Поле Земли, которое сильно отличается от поля стержневого магнита. В любом случае мы можем говорят, что в настоящее время на поверхности Земли наблюдаются два полюса, один в Северное полушарие и одно в Южном полушарии.

Под перемагничиванием, или «переворотом», мы понимаем процесс преобразования северного полюса. в Южный полюс, а Южный полюс становится Северным. Интересно, что магнитное поле иногда может быть только «экскурсией», а не разворотом. Здесь он страдает большой уменьшение его общей силы, то есть силы, перемещающей стрелку компаса. В течение Экскурсия поле не переворачивается, но позже восстанавливается с той же полярностью, то есть Север остается Севером, а Юг остается Югом.

Вернуться к началу.

Как часто происходят развороты?

Согласно геологическим данным, магнитное поле Земли претерпело многочисленные инверсии. полярности. Мы можем видеть это на магнитных картинах, обнаруженных в вулканических породах, особенно те, что были извлечены со дна океана. За последние 10 миллионов лет было, в среднем 4 или 5 инверсий за миллион лет. В другое время в истории Земли например, в меловую эпоху были гораздо более длительные периоды, когда не было произошли развороты.Разворот непредсказуем и, конечно, не периодичен по своей природе. Следовательно, мы можем говорить только о среднем интервале разворота.

Вернуться к началу.

Магнитное поле Земли сейчас меняется на противоположное? Откуда нам знать?

Измерения магнитного поля Земли производились более или менее непрерывно с тех пор, как около 1840 года. Некоторые измерения даже восходят к 1500-м годам, например, в Гринвиче в Лондоне. Если мы посмотрим на тенденцию изменения силы магнитного поля за это время (например, так называемый «дипольный момент», показанный на графике ниже), мы видим тенденцию к снижению.Действительно, прогнозирование этого будущего во времени предполагает нулевой дипольный момент примерно в 1500-1600 гг. лет время. Это одна из причин, по которой некоторые люди считают, что эта область может быть на ранней стадии. разворота. Мы также знаем из исследований намагничивания минералов в древней глине. горшки, что магнитное поле Земли было примерно вдвое сильнее во времена Римской империи, чем сейчас.

Даже в этом случае сила тока магнитного поля не является особенно низкой с точки зрения диапазона значений, которые она имела за последние 50 000 лет, а с момента последнего обращения прошло почти 800 000 лет.Также подшипник имея в виду то, что мы сказали об экскурсиях выше, и зная, что мы делаем с недвижимостью математических моделей магнитного поля, далеко не ясно, что мы можем легко экстраполировать через 1500 лет.

Вернуться к началу.

Как быстро полюса «переворачиваются»?

У нас нет полной записи истории каких-либо отмен, поэтому любые претензии, которые мы можем сделать, являются в основном на основе математических моделей поведения месторождения и частично на ограниченных свидетельства из горных пород, которые сохраняют отпечаток древнего магнитного поля, присутствующего, когда они были сформированы.Например, математическое моделирование предполагает, что полный разворот для завершения может потребоваться от одной до нескольких тысяч лет. Это быстро по геологическим стандарты, но медленные в человеческом масштабе времени.

Вернуться к началу.

Что происходит при развороте? Что мы видим на поверхности Земли?

Как и выше, у нас есть ограниченные данные геологических измерений о закономерностях изменений. в магнитном поле при инверсии.Мы могли бы ожидать увидеть, основываясь на моделях месторождения запускать на суперкомпьютерах, гораздо более сложную картину поля на поверхности Земли, с возможно, более одного Северного и Южного полюсов в любой момент времени. Мы также можем увидеть полюса «блуждающие» со временем от своего текущего положения по направлению к экватору и через него. Общая напряженность поля в любой точке Земли не может быть более десятой части его. сила сейчас.

Вернуться к началу.

Есть ли опасность для жизни?

Почти наверняка нет.Магнитное поле Земли содержится в области космоса, известный как магнитосфера, под действием солнечного ветра. Магнитосфера многих отклоняет, но не все, высокоэнергетические частицы, которые текут от Солнца в солнечном ветре и от другие источники в галактике. Иногда Солнце особенно активно, например, когда много солнечных пятен, и он может отправить облака частиц высоких энергий в направлении Земля. Во время таких солнечных «вспышек» и «выбросов корональной массы» астронавты на околоземной орбите могут нужно дополнительное укрытие, чтобы избежать более высоких доз радиации.Поэтому мы знаем, что Земля магнитное поле оказывает лишь некоторое, а не полное сопротивление излучению частиц от Космос. Действительно, частицы высоких энергий действительно могут ускоряться в магнитосфере.

На поверхности Земли атмосфера действует как дополнительное одеяло, чтобы остановить всех, кроме самых энергия солнечного и галактического излучения. В отсутствие магнитного поля Атмосфера по-прежнему задерживала бы большую часть излучения. Действительно, атмосфера защищает нас от высокоэнергетическое излучение так же эффективно, как бетонный слой толщиной около 13 футов.

Люди и их предки были на Земле в течение нескольких миллионов лет, в течение которых не было было много обратных событий, и нет очевидной корреляции между человеческим развитием и развороты. Точно так же паттерны разворота не соответствуют паттернам вымирания видов во время геологическая история.

Некоторые животные, например голуби и киты, могут использовать магнитное поле Земли для определения направления. находка. Если предположить, что обращение происходит за несколько тысяч лет, то есть за многие поколения каждого вида, каждое животное может хорошо адаптироваться к изменяющейся магнитной среде, или разработать разные методы навигации.

Вернуться к началу.

Меня интересует более техническое описание. Вы можете мне больше рассказать?

Источником магнитного поля является богатое железом жидкое внешнее ядро ​​Земли. Этот жидкость движется сложным образом в результате конвекции тепла глубоко внутри ядра и вращения планеты. Движение керновой жидкости непрерывно и никогда не прекращается, даже во время разворота. Он может остановиться только при выходе из строя источника энергии.Вырабатывается тепло по крайней мере, частично из-за затвердевания жидкого ядра на твердом внутреннем ядре что находится в центре Земли. Этот процесс работает непрерывно более миллиардов лет. В верхней части жидкого ядра, примерно в 3000 км под нашими ногами и под каменистым слоем мантии жидкость может перемещаться с горизонтальной скоростью в десятки километров в год. Движение этой металлической жидкости через существующие силовые линии магнитного поля производит электрические токи, а они, в свою очередь, создают большее магнитное поле.Это процесс, известный как адвекция. Чтобы уравновесить любой рост поля и, таким образом, стабилизировать то, что мы называем «геодинамо», нам нужна диффузия, когда поле «утекает» из ядра и разрушается. В конечном итоге поток жидкости в ядре создает сложную картину магнитного поля на земной поверхности. поверхность со сложной вариацией времени.

Моделирование геодинамо на суперкомпьютерах продемонстрировало сложную природу поле и его поведение во времени.Моделирование также выявило инверсию полярности, где магнитный северный полюс заменен южным, и наоборот. В таких симуляциях сила основного диполя, кажется, ослабевает, возможно, примерно до 10% от его нормального значения (но не исчезнут), и существующие полюса могут блуждать по земному шару и к ним присоединятся другие временные северный и южный магнитные полюса («недипольное поле»).

В этих симуляциях было показано, что твердое железное внутреннее ядро ​​Земли играет важную роль. в управлении процессом разворота.Поскольку это твердое тело, внутреннее ядро ​​не может генерировать магнитное поле за счет адвекции, но любое поле, которое генерируется во внешнем ядре жидкости, может диффузия или распространение во внутреннем ядре. Процесс генерации поля (адвекции) в внешнее ядро, кажется, регулярно пытается повернуть вспять. Но если поле не заблокировано внутреннее ядро ​​сначала рассеивается, истинное перевернутое поле не может установиться повсюду ядро. По сути, внутреннее ядро ​​сопротивляется любому «новому» полю, распространяющемуся внутрь, и, возможно, только каждая десятая такая попытка разворота оказывается успешной.

Стоит подчеркнуть, что эти результаты, хотя и интересны сами по себе, не известны. быть строго верным по отношению к «настоящей» Земле. Однако у нас есть математические модели земных магнитное поле в течение последних 400 лет, с ранними моделями, основанными в основном на наблюдениях, сделанных моряками, занимающимися торговым и военно-морским судоходством. От этих моделей и экстраполяции вниз в Землю известно, что области обратного потока на границе ядро-мантия имеют выросло со временем.В этих регионах компас указывает в противоположном направлении, внутрь или наружу. ядро по сравнению с окружающими территориями. Это рост площади такой перевернутой пятно потока под южной Атлантикой, которая в первую очередь ответственна за распад основных диполярное поле. Этот обратный патч также отвечает за минимум напряженности поля. называется Южно-Атлантической аномалией, в настоящее время сосредоточенной над Южной Америкой. В этом регионе энергичный частицы могут приближаться к Земле более близко, вызывая повышенный радиационный риск для Земли орбитальные спутники.

Еще предстоит проделать большую работу для понимания свойств глубин Земли. Это мир, в котором силы дробления и внутренние температуры аналогичны таковым на поверхности Солнце доводит наше научное понимание до предела.

Вернуться к началу.

Ссылки на другие описания магнитного поля Земли. 1. Не специалист
Часто задаваемые вопросы по геомагнетизму
«Когда север идет на юг»
Исследование магнитосферы
«Великий магнит, Земля»

2.Подробнее Технические
Группа глубоких исследований Земли, Школа Земли и окружающей среды, Университет Лидса
«Земля: магнитное поле и магнитосфера»

Вернуться к началу.

Простая схема

Простая схема

Понимание основ работы с автомобильной электрической системой важно для ваших базовых навыков и помогает вам выявлять первопричины и устранять электрические неисправности. Следующая информация поможет вам изучить элементы электричества, определить методы понимания цепей, сопротивления, нагрузки, проверить напряжение холостого хода или доступное напряжение, а также падение напряжения.

Помните о трех элементах электричества; напряжение, сила тока и сопротивление. Напряжение (иногда называемое электродвижущей силой) — это представление электрической потенциальной энергии между двумя точками в электрической цепи, выраженное в вольтах. Подумайте о напряжении как об электрическом давлении, которое существует между двумя точками в проводнике, или о силе, которая заставляет электроны двигаться в электрической цепи. Другими словами, это давление или сила, которые заставляют электроны двигаться в определенном направлении внутри проводника.Когда электроны перемещаются из отрицательно заряженной области в положительно заряженную область, это движение электронов между атомами называется электрическим током. Электрический ток — это мера потока этих электронов через проводник или электричества, протекающего в цепи или электрической системе. Если вы подумаете о садовом шланге в качестве примера, ток — это количество воды, протекающей через шланг. Напряжение — это величина давления, под действием которого вода проходит через шланг.

Этот поток электронов измеряется в единицах, называемых амперами.Амперы или ампер — это единица измерения силы или скорости протекания электрического тока. Электрическое сопротивление описывает величину сопротивления протеканию тока. Чем больше значение сопротивления, тем больше он борется. Все, что препятствует или останавливает прохождение тока, увеличивает сопротивление цепи. Это сопротивление или противодействие тока измеряется в Ом. Один вольт — это величина давления, необходимая для того, чтобы пропустить один ампер тока через один ом сопротивления в цепи.

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ

Цепь — это законченный путь, по которому течет электричество.Основными элементами базовой электрической цепи являются: источник, нагрузка и заземление. Электричество не может течь без источника питания (батареи), нагрузки (лампочка или резистор-электрическое устройство / компонент) и замкнутого проводящего пути (соединяющих его проводов). Электрические цепи состоят из проводов, соединителей проводов, переключателей, устройств защиты цепей, реле, электрических нагрузок и заземления. Схема, показанная ниже, имеет источник питания, предохранитель, выключатель, лампу и провода, соединяющие их в петлю. Когда соединение завершено, ток течет от положительной клеммы батареи через цепь к отрицательной клемме батареи.

В замкнутой цепи напряжение источника обеспечивает электрическое давление, проталкивающее ток через цепь. Сторона источника цепи включает в себя все части цепи между положительным полюсом батареи и нагрузкой. Нагрузка — это любое устройство в цепи, которое производит свет, тепло, звук или электрическое движение при протекании тока. Нагрузка всегда имеет сопротивление и потребляет напряжение только при протекании тока. В приведенном ниже примере один конец провода от второй лампы возвращает ток в аккумулятор, поскольку он подключен к кузову или раме транспортного средства.Корпус или рама работают как заземление (то есть часть цепи, которая возвращает ток к батарее).

ТРЕБОВАНИЯ К ЦЕПИ

Полная электрическая цепь необходима для практического использования электричества. Электроны должны течь от источника питания и возвращаться к нему. Соединяя отрицательный и положительно заряженный концы источника питания с проводником, мы получаем потенциал движения электронов. Таким образом, полная цепь — это «путь» или петля, которая позволяет электричеству (току) течь.Но чтобы заставить этот контур или схему работать на нас, нам нужно добавить две вещи: источник питания (аккумулятор или генератор переменного тока) и нагрузку (пример — фары). После того, как электричество выполнило свою работу через Нагрузку, оно должно вернуться обратно к Источнику (Батареи). Если у вас где-то в этой цепи произойдет обрыв, у вас будет разрыв электрического тока. Это также известно как «разомкнутая цепь». Напряжение холостого хода измеряется при отсутствии тока в цепи.

Типы цепей

Существует три основных типа цепей: последовательные, параллельные и последовательно-параллельные.Отдельные электрические цепи обычно объединяют одно или несколько устройств сопротивления или нагрузки. Конструкция автомобильной электрической цепи будет определять, какой тип цепи используется, но все они требуют одинаковых основных компонентов для правильной работы:

1. Источник питания (аккумулятор, генератор, генератор и т. Д.) Необходим для обеспечения потока электронов (электричества).

2. Защитное устройство (предохранитель, плавкая вставка или автоматический выключатель) предотвращает повреждение цепи в случае короткого замыкания.

3. Управляющее устройство (переключатель, реле или транзистор) позволяет пользователю управлять включением или выключением цепи.

4. Нагрузочное устройство (лампа, двигатель, обмотка, резистор и т. Д.). Преобразует электричество в работу.

5. Проводник (обратный путь, заземление) обеспечивает электрический путь к источнику питания и от него.

Цепи серии

Компоненты последовательной цепи соединены встык друг за другом, чтобы образовалась простая петля для прохождения тока через цепь.Последовательная цепь имеет только один путь к земле, все нагрузки размещены последовательно, поэтому ток должен проходить через каждый компонент, чтобы вернуться на землю. Если в цепи есть разрыв (например, перегоревшая лампочка), вся цепь и любые другие лампочки гаснут. Если путь нарушен, ток не течет, и никакая часть цепи не работает. Рождественские огни — хороший тому пример; когда гаснет одна лампочка, вся струна перестает работать.

Параллельные схемы

Параллельная цепь имеет более одного пути для прохождения тока.На каждую ветвь подается одинаковое напряжение. Если сопротивление нагрузки в каждой ветви одинаково, ток в каждой ветви будет одинаковым. Если сопротивление нагрузки в каждой ветви разное, ток в каждой ветви будет разным. Компоненты параллельной цепи соединены бок о бок, так что у потока тока есть выбор путей в цепи. Если одна ветвь сломана, ток продолжит течь к другим ветвям.

В приведенной ниже параллельной цепи два или более сопротивления (R1, R2 и т. Д.) соединены в цепь следующим образом: один конец каждого сопротивления подключен к положительной стороне цепи, а один конец подключен к отрицательной стороне.

Последовательные параллельные схемы

Последовательно-параллельная схема включает некоторые компоненты, включенные последовательно, а другие — параллельно. Источник питания и устройства управления или защиты обычно включены последовательно; нагрузки обычно параллельны. Если последовательный участок прерывается, ток перестает течь по всей цепи.Если параллельная ветвь разорвана, ток продолжает течь в последовательной части и оставшихся ветвях.

Внутреннее освещение приборной панели — хороший пример соединения резисторов и ламп в последовательно-параллельную цепь. В этом примере, регулируя реостат, вы можете увеличить или уменьшить яркость света.

Диагностические схемы

Проблемы с электрической цепью обычно вызваны неисправным компонентом или низким или высоким сопротивлением в цепи.

Низкое сопротивление в цепи, как правило, может быть вызвано коротким замыканием компонента или замыканием на землю и, как правило, приводит к перегоранию предохранителя, плавкой вставки или автоматического выключателя.

Высокое сопротивление в цепи может быть вызвано коррозией или разрывом в цепи источника или заземления. Все, что препятствует или останавливает прохождение тока, увеличивает сопротивление цепи.

УСТРОЙСТВА ЗАЩИТЫ ЦЕПИ

Устройства защиты цепей используются для защиты проводов и разъемов от повреждения избыточным током, вызванным перегрузкой по току или коротким замыканием.Избыточный ток вызывает чрезмерное нагревание, что может вызвать «разрыв цепи» защиты цепи. Предохранители, плавкие элементы, плавкие вставки и автоматические выключатели используются в качестве устройств защиты цепей. Устройства защиты цепей доступны в различных типах, формах и определенных номинальных токах.

Предохранители

Предохранитель

A — это наиболее распространенный тип устройства защиты от перегрузки по току. В электрическую цепь вставлен предохранитель, который получает такое же электрическое питание, что и защищаемая цепь.Короткое замыкание или заземление позволяет току течь на землю до того, как он достигнет нагрузки. Поэтому, когда подается слишком большой ток, превышающий номинал предохранителя, он «сгорает» или «сгорает», потому что металлический провод или плавкий элемент в предохранителе плавится. Это размыкает или прерывает цепь и предотвращает повреждение проводов, разъемов и электронных компонентов схемы перегрузкой по току. Размер металлического плавкого элемента (или плавкой вставки) определяет его номинал.

Помните, что чрезмерный ток вызывает избыточное тепло, и именно тепло, а не ток вызывает размыкание цепи защиты.Как только предохранитель «перегорел», его необходимо заменить новым. После того, как вы определили, что предохранитель перегорел, наиболее важным элементом является обеспечение замены предохранителя с той же номинальной силой тока, что и перегоревший. Максимальная нагрузка на один предохранитель не должна превышать семидесяти процентов от номинала предохранителя. Обычно следует выбирать предохранитель с номиналом, немного превышающим нормальный рабочий ток (сила тока), который может использоваться при любом напряжении ниже номинального напряжения предохранителя. Если новый предохранитель тоже перегорел, значит, в цепи что-то не так.Проверьте проводку к компонентам, которые выходят из строя сгоревшим предохранителем. Ищите плохие соединения, порезы, разрывы или шорты.

Предохранители

имеют разные время-токовые нагрузочные характеристики для конечного времени работы при использовании и для скорости, с которой плавкий элемент перегорает в ответ на состояние перегрузки по току. Со временем нормальные скачки напряжения могут вызвать усталость предохранителей, что может привести к перегоранию предохранителя даже при отсутствии неисправности. На предохранителях всегда указывается номинальный ток в амперах, на который они рассчитаны в непрерывном режиме при стандартной температуре.

Расположение предохранителей

Предохранители расположены по всему автомобилю. Обычное расположение включает в себя моторный отсек, под приборной панелью за левой или правой панелью для ног или под IPDM. Предохранители обычно сгруппированы вместе и часто смешиваются с другими компонентами, такими как реле, автоматические выключатели и элементы предохранителей.

Крышки блока предохранителей

Крышки блока предохранителей / реле обычно маркируют расположение и положение каждого предохранителя, реле и элемента предохранителя, содержащегося внутри.

Типы предохранителей

Предохранители подразделяются на основные категории: предохранители ножевого типа и патронные предохранители старого образца. Используются несколько вариаций каждого из них.

Общие типы предохранителей

Лопастной предохранитель и плавкий элемент на сегодняшний день являются наиболее часто используемыми. Предохранители ножевого типа имеют пластиковый корпус и два штыря, которые вставляются в гнезда и могут быть установлены в блоки предохранителей, линейные держатели предохранителей или зажимы предохранителей. Существуют три различных типа плавких предохранителей; предохранитель Maxi, предохранитель Standard Auto и предохранитель Mini.

Базовая конструкция

Предохранитель плоского типа представляет собой компактную конструкцию с металлическим элементом и прозрачным изоляционным корпусом, который имеет цветовую кодировку для каждого номинального тока. (Стандартный автоматический режим показан ниже; однако конструкция предохранителей Mini и Maxi одинакова.)

Номинальная сила тока предохранителя, цвет

Номинальные значения силы тока предохранителя для предохранителей Mini и Standard Auto идентичны. Однако для определения номинальной силы тока предохранителей макси используется другая схема цветовой кодировки.

Плавкие вставки и элементы предохранителей

Плавкие вставки делятся на две категории: патрон плавкого элемента и плавкая вставка. Конструкция и принцип действия плавких вставок и элементов предохранителей аналогичны плавким предохранителям. Основное отличие состоит в том, что плавкая вставка и плавкий элемент используются для защиты электрических цепей с более высоким током, обычно цепей на 30 ампер или более. Как и в случае с предохранителями, при перегорании плавкой вставки или плавкого элемента его необходимо заменить новым.Плавкие вставки защищают цепи между аккумулятором и блоком предохранителей.

Плавкие вставки

Плавкие вставки — это короткие отрезки проволоки меньшего диаметра, предназначенные для плавления при перегрузке по току. Плавкая вставка обычно на четыре (4) сечения провода меньше, чем цепь, которую она защищает. Изоляция плавкой вставки — специальный негорючий материал. Это позволяет проводу расплавиться, но изоляция останется нетронутой в целях безопасности. Некоторые плавкие ссылки имеют на одном конце тег, который указывает их рейтинг.Как и предохранители, плавкие вставки необходимо заменять после того, как они «перегорели» или расплавились. Многие производители заменили плавкие вставки плавкими вставками или предохранителями Maxi.

Картридж с предохранителем

Предохранители, плавкая вставка картриджного типа, также известна как предохранители Pacific. Элемент имеет клеммную и плавкую части как единое целое. Элементы предохранителя почти заменили плавкую перемычку. Они состоят из корпуса, в котором находятся клемма и предохранитель.Картриджи с плавкими предохранителями имеют цветовую маркировку для каждой силы тока. Хотя элементы предохранителей доступны в двух физических размерах и могут быть вставлены или закреплены на болтах, вставной тип является наиболее популярным.

Конструкция картриджа с плавким элементом

Конструкция элемента предохранителя довольно проста. Цветной пластиковый корпус содержит элемент термозакрепления, который виден через прозрачный верх. Номиналы предохранителей также указаны на корпусе.

Цветовая маркировка элемента предохранителя

Номинальные значения силы тока предохранителя приведены ниже.Плавкая часть элемента предохранителя видна через прозрачное окошко. Номинальные значения силы тока также указаны на предохранительном элементе.

Плавкие элементы

Плавкие элементы часто располагаются рядом с аккумулятором сами по себе.

Плавкие элементы также могут располагаться в блоках реле / ​​предохранителей в моторном отсеке.

Автоматические выключатели

Автоматические выключатели используются вместо предохранителей для защиты сложных силовых цепей, таких как электрические стеклоподъемники, люки на крыше и цепи обогревателя.Существует три типа автоматических выключателей: тип с ручным сбросом — механический, тип с автоматическим сбросом — механический и твердотельный с автоматическим сбросом — PTC. Автоматические выключатели обычно располагаются в блоках реле / ​​предохранителей; однако в некоторые компоненты, такие как двигатели стеклоподъемников, встроены автоматические выключатели.

Конструкция автоматического выключателя (ручного типа)

Автоматический выключатель в основном состоит из биметаллической ленты, соединенной с двумя выводами и контактом между ними.Ручной автоматический выключатель при срабатывании (ток превышает номинальный) размыкается и должен быть сброшен вручную. Эти ручные автоматические выключатели называются «нециклическими» автоматическими выключателями.

Автоматический выключатель (ручной тип)

Автоматический выключатель содержит металлическую полосу, состоящую из двух разных металлов, соединенных вместе, называемую биметаллической полосой. Эта полоса имеет форму диска и вогнута вниз. Когда тепло от чрезмерного тока превышает номинальный ток автоматического выключателя, два металла меняют форму неравномерно.Полоса изгибается или деформируется вверх, и контакты размыкаются, чтобы остановить прохождение тока. Автоматический выключатель можно сбросить после срабатывания.

Ручной сброс Тип

Когда автоматический выключатель размыкается из-за перегрузки по току, автоматический выключатель требует сброса. Для этого вставьте небольшой стержень (канцелярскую скрепку), чтобы переустановить биметаллическую пластину, как показано.

Тип с автоматическим сбросом — механический

Автоматические выключатели с автоматическим сбросом называются «циклическими» выключателями.Этот тип автоматического выключателя используется для защиты силовых цепей, таких как дверные замки с электроприводом, электрические стеклоподъемники, кондиционер и т. Д. Автоматический выключатель с автоматическим возвратом в исходное положение содержит биметаллическую полосу. Биметаллическая полоса будет перегреваться и открываться из-за перегрузки по току в условиях перегрузки по току и автоматически сбрасывается, когда температура биметаллической ленты остывает.

Устройство и работа с автоматическим сбросом

Циклический автоматический выключатель содержит металлическую полосу, состоящую из двух разных металлов, соединенных вместе, называемую биметаллической полосой.Когда тепло от чрезмерного тока превышает номинальный ток автоматического выключателя, два металла меняют форму неравномерно. Полоса изгибается вверх, и набор контактов размыкается, чтобы остановить прохождение тока. При отсутствии тока биметаллическая полоса охлаждается и возвращается к своей нормальной форме, замыкая контакты и возобновляя прохождение тока. Автоматические выключатели с автоматическим возвратом в исходное положение считаются «циклическими», потому что они циклически размыкаются и замыкаются до тех пор, пока ток не вернется к нормальному уровню.

Твердотельный тип с автоматическим сбросом — PTC

Полимерный прибор с положительным температурным коэффициентом (PTC) известен как самовосстанавливающийся предохранитель.

Полимерный PTC — это специальный тип автоматического выключателя, называемый термистором (или терморезистором). Термистор PTC увеличивает сопротивление при повышении температуры. PTC, которые сделаны из проводящего полимера, представляют собой твердотельные устройства, что означает, что они не имеют движущихся частей. PTC обычно используются для защиты электрических цепей стеклоподъемников и дверных замков.

Конструкция и эксплуатация полимеров PTC

В нормальном состоянии материал в полимерном ПТК имеет форму плотного кристалла с множеством частиц углерода, упакованных вместе.Углеродные частицы обеспечивают проводящие пути для прохождения тока. Это сопротивление низкое. Когда материал нагревается от чрезмерного тока, полимер расширяется, разрывая углеродные цепи. В этом расширенном «отключенном» состоянии есть несколько путей для тока. Когда ток превышает порог срабатывания, устройство остается в состоянии «разомкнутой цепи» до тех пор, пока в цепи остается поданное напряжение. Он сбрасывается только при снятии напряжения и остывании полимера. PTC используются для защиты электрических цепей стеклоподъемников и дверных замков.

УСТРОЙСТВА УПРАВЛЕНИЯ

Управляющие устройства используются для «включения» или «выключения» протекания тока в электрической цепи. Устройства управления включают в себя различные переключатели, реле и соленоиды. Электронные устройства управления включают конденсаторы, диоды и переключающие транзисторы. Коммутационные транзисторы действуют как переключатель или реле с электронным управлением. Преимущество транзистора — это скорость открытия и закрытия цепи.

Управляющие устройства необходимы для запуска, остановки или перенаправления тока в электрической цепи.Устройство управления или переключатель позволяет включать или выключать электричество в цепи. Выключатель — это просто соединение в цепи, которое можно разомкнуть или замкнуть. Большинству переключателей для работы требуется физическое движение, в то время как реле и соленоиды работают с электромагнетизмом.

Коммутаторы

  • Однополюсный односторонний (SPST)
  • Однополюсный, двусторонний (SPDT)
  • Многополюсный многопозиционный переключатель (MPMT или групповой переключатель)
  • Мгновенный контакт
  • Меркурий
  • Температура (биметалл)
  • Задержка по времени
  • Мигалка
  • РЕЛЕ
  • СОЛЕНОИДЫ

Переключатель — это наиболее распространенное устройство управления цепями.Переключатели обычно имеют два или более набора контактов. Размыкание этих контактов называется «разрывом» или «размыканием» цепи, замыкание контактов называется «замыканием» или «завершением» цепи.

Переключатели описываются количеством полюсов и ходов, которые они имеют. «Полюса» относятся к количеству клемм входной цепи, а «Броски» относятся к количеству клемм выходной цепи. Переключатели называются SPST (однополюсные, одноходовые), SPDT (однополюсные, двухпозиционные) или MPMT (многополюсные, многоходовые).

Однополюсный одинарный бросок (SPST)

Самый простой тип переключателя — переключатель «шарнирная защелка» или «лезвие ножа». Он либо «завершает» (включает), либо «размыкает» (выключает) цепь в одной цепи. Этот переключатель имеет один входной полюс и один выходной ход.

Однополюсный, двойной бросок (SPDT)

Однополюсный входной двухпозиционный выходной переключатель имеет один провод, идущий к нему, и два выходных провода. Переключатель света фар является хорошим примером однополюсного двухпозиционного переключателя.Переключатель диммера фары посылает ток либо в дальний, либо в ближний свет цепи фары.

Многополюсная многоточечная (MPMT)

Многополюсный вход, многополюсные выходные переключатели, также известные как «групповые» переключатели, имеют подвижные контакты, подключенные параллельно. Эти переключатели перемещаются вместе для подачи тока на разные наборы выходных контактов. Выключатель зажигания — хороший пример многополюсного многопозиционного переключателя. Каждый переключатель посылает ток из разных источников в разные выходные цепи одновременно в зависимости от положения.Пунктирная линия между переключателями указывает, что они движутся вместе; один не будет двигаться без движения другого.

Мгновенный контакт

Переключатель мгновенного действия имеет подпружиненный контакт, который не позволяет ему замкнуть цепь, за исключением случаев, когда на кнопку прикладывается давление. Это «нормально открытый» тип (показан ниже). Выключатель звукового сигнала является хорошим примером переключателя с мгновенным контактом. Нажмите кнопку звукового сигнала и раздастся звуковой сигнал; отпустите кнопку, и звуковой сигнал прекратится.

Вариантом этого типа является нормально закрытый (не показан), который работает наоборот, как описано выше. Пружина удерживает контакты в замкнутом состоянии, кроме случаев, когда кнопка нажата. Другими словами, цепь находится в состоянии «ВКЛ» до тех пор, пока не будет нажата кнопка для разрыва цепи.

Меркурий

Ртутный выключатель представляет собой герметичную капсулу, частично заполненную ртутью. На одном конце капсулы расположены два электрических контакта. Когда переключатель вращается (перемещается из истинной вертикали), ртуть течет к противоположному концу капсулы с контактами, замыкая цепь.Ртутные переключатели часто используются для обнаружения движения, например, тот, который используется в моторном отсеке на светофоре. Другие применения включают отключение подачи топлива при опрокидывании и некоторые приложения для датчиков подушки безопасности. Ртуть — опасные отходы, с которыми следует обращаться осторожно.

Температурный биметаллический

Термочувствительный переключатель, также известный как «биметаллический» переключатель, обычно содержит биметаллический элемент, который изгибается при нагревании, замыкая контакт, замыкая цепь, или размыкая контакт, размыкая цепь.В реле температуры охлаждающей жидкости двигателя, когда охлаждающая жидкость достигает предельной температуры, биметаллический элемент изгибается, вызывая замыкание контактов в переключателе. Это замыкает цепь и загорается предупреждающий индикатор на панели приборов.

Задержка по времени

Выключатель с выдержкой времени содержит биметаллическую полосу, контакты и нагревательный элемент. Переключатель задержки времени нормально замкнут. Когда ток течет через переключатель, ток течет через нагревательный элемент, вызывая его нагрев, в результате чего биметаллическая полоса изгибается и размыкает контакты.Поскольку ток продолжает течь через нагревательный элемент, биметаллическая полоса остается горячей, сохраняя контакты переключателя открытыми. Время задержки перед размыканием контактов определяется характеристиками биметаллической ленты и количеством тепла, выделяемого нагревательным элементом. Когда питание выключателя отключается, нагревательный элемент охлаждается, и биметаллическая полоса возвращается в исходное положение, а контакты замыкаются. Обычное применение переключателя с задержкой времени — обогреватель заднего стекла.

Мигалка

Мигающий сигнал работает в основном так же, как переключатель задержки времени; кроме случаев, когда контакты размыкаются, ток перестает течь через нагревательный элемент. Это вызывает охлаждение нагревательного элемента и биметаллической ленты. Биметаллическая полоса возвращается в исходное положение, замыкая контакты, позволяя току снова течь через контакты и нагревательный элемент. Этот цикл повторяется снова и снова, пока не будет отключено питание мигающего устройства. Обычно этот тип переключателя используется для включения сигналов поворота или четырехпозиционного указателя поворота (аварийных фонарей).

Реле

Реле — это просто переключатель дистанционного управления, который использует небольшой ток для управления большим током. Типичное реле имеет как цепь управления, так и цепь питания. Конструкция реле содержит железный сердечник, электромагнитную катушку и якорь (набор подвижных контактов). Существует два типа реле: нормально разомкнутые (показаны ниже) и нормально замкнутые (НЕ показаны). У нормально разомкнутого (Н.C.) реле имеет контакты, которые «замкнуты» до тех пор, пока реле не сработает.

Работа реле

Ток протекает через управляющую катушку, которая намотана на железный сердечник. Железный сердечник усиливает магнитное поле. Магнитное поле притягивает верхний контактный рычаг и тянет его вниз, замыкая контакты и позволяя мощности от источника питания поступать на нагрузку. Когда катушка не находится под напряжением, контакты разомкнуты, и питание на нагрузку не поступает.Однако, когда переключатель схемы управления замкнут, ток течет к реле и питает катушку. Возникающее магнитное поле тянет якорь вниз, замыкая контакты и позволяя подавать питание на нагрузку. Многие реле используются для управления большим током в одной цепи и низким током в другой цепи. Примером может служить компьютер, который управляет реле, а реле управляет цепью более высокого тока.

Соленоиды — тянущие, тип

Соленоид — это электромагнитный переключатель, который преобразует ток в механическое движение.Когда ток течет через обмотку, создается магнитное поле. Магнитное поле притянет подвижный железный сердечник к центру обмотки. Этот тип соленоида называется соленоидом «тянущего» типа, поскольку магнитное поле втягивает подвижный железный сердечник в катушку. Обычно тянущие соленоиды используются в пусковой системе. Соленоид стартера соединяет стартер с маховиком.

Работа вытяжного типа

Когда ток течет через обмотку, создается магнитное поле.Эти магнитные силовые линии должны быть как можно меньше. Если рядом с катушкой, по которой течет ток, поместить железный сердечник, магнитное поле будет растягиваться, как резинка, протягиваясь и втягивая железный стержень в центр катушки.

Работа толкающего / толкающего типа

В соленоиде двухтактного типа в качестве сердечника используется постоянный магнит. Поскольку «одинаковые» магнитные заряды отталкиваются, а «непохожие» магнитные заряды притягиваются, при изменении направления тока, протекающего через катушку, сердечник либо «втягивается», либо «выталкивается наружу».«Обычно этот тип соленоида используется в электрических дверных замках.

УСТРОЙСТВА НАГРУЗКИ

Любое устройство, такое как лампа, звуковой сигнал, электродвигатель стеклоочистителя или обогреватель заднего стекла, потребляющее электричество, называется нагрузкой. В электрической цепи все нагрузки считаются сопротивлением. Нагрузки расходуют напряжение и контролируют величину тока, протекающего в цепи. Нагрузки с высоким сопротивлением вызывают протекание меньшего тока, в то время как нагрузки с более низким сопротивлением позволяют протекать большим токам.

Фары

Фонари бывают разной мощности, чтобы излучать больше или меньше света. Когда лампы соединяются последовательно, они разделяют доступное напряжение в системе, и излучаемый свет уменьшается. Когда лампочки расположены параллельно, каждая лампочка имеет одинаковое количество напряжения, поэтому свет будет ярче.

Двигатели

Двигатели используются в различных системах автомобиля, включая сиденья с электроприводом, дворники, систему охлаждения, системы отопления и кондиционирования воздуха.Двигатели могут работать на одной скорости, например, сиденья с электроприводом, или на нескольких скоростях, например, электродвигатель вентилятора системы отопления и кондиционирования воздуха. Когда двигатели работают на одной скорости, на них обычно подается системное напряжение. Однако, когда двигатели работают с разной скоростью, входное напряжение может быть в разных точках якоря, чтобы уменьшить, чтобы увеличить скорость двигателя, аналогично тому, как спроектирован двигатель стеклоочистителя, или они могут делить напряжение с резистором, который находится в серия с двигателем, как двигатель вентилятора для системы отопления и кондиционирования воздуха.

Нагревательные элементы

Нагревательные элементы установлены в наружных зеркалах, заднем стекле и сиденьях. На нагревательные элементы обычно подается напряжение системы в течение определенного времени для нагрева компонента по запросу.

ЧТО ТАКОЕ ЗАКОН ОМА?

Понимание взаимосвязи между напряжением, током и сопротивлением в электрических цепях важно для быстрой и точной диагностики и ремонта электрических проблем.Закон Ома гласит: ток в цепи всегда будет пропорционален приложенному напряжению и обратно пропорционален величине имеющегося сопротивления. Это означает, что если напряжение повышается, ток будет расти, и наоборот. Кроме того, когда сопротивление растет, ток падает, и наоборот. Закон Ома можно найти хорошее применение при поиске и устранении неисправностей в электрических сетях. Но вычисление точных значений напряжения, тока и сопротивления не всегда практично … да и действительно необходимо. Однако вы должны быть в состоянии предсказать, что должно происходить в цепи, в отличие от того, что происходит в аварийном транспортном средстве.

Source Voltage не зависит ни от тока, ни от сопротивления. Он либо слишком низкий, либо нормальный, либо слишком высокий. Если он слишком низкий, ток будет низким. Если это нормально, ток будет высоким, если сопротивление низкое, или ток будет низким, если сопротивление высокое. Если напряжение слишком высокое, ток будет большим.

На ток влияет напряжение или сопротивление. Если напряжение высокое или сопротивление низкое, ток будет большим. Если напряжение низкое или сопротивление велико, ток будет низким.

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *