Электрическая цепь¶

Электрическая цепь — совокупность соединённых между собой проводников электрического тока, образующих замкнутый путь, по которому проходит электрический заряд. Цепь включает источник электрической энергии, потребители (приёмники) электрической энергии и соединительные проводники. Основное условие существования электрического тока в цепи — её замкнутость: при размыкании цепи ток прекращается.

¶Основные элементы

Любая электрическая цепь состоит из трёх обязательных компонентов:

• Источник электрического тока — устройство, преобразующее энергию других видов (химическую, механическую, световую и др.) в электрическую энергию, создающую разность потенциалов в цепи. Примеры: гальванический элемент, аккумулятор, генератор, солнечная батарея.
• Приёмник (потребитель) электрической энергии — устройство, преобразующее электрическую энергию в другой вид: тепловую (лампа накаливания, электронагреватель), световую (светодиод), механический (электродвигатель), звуковой (динамик).
• Соединительные проводники — провода и шины, обеспечивающие протекание тока между источником и приёмником. В качестве материала проводников чаще всего применяются медь и алюминий.

Для управления цепью в неё включают коммутационные аппараты: выключатели, рубильники, реле, автоматические выключатели. Для защиты цепи от перегрузок и коротких замыканий применяются предохранители и автоматические выключатели.

¶Виды электрических цепей

По характеру протекания тока различают:

• Постоянного тока — ток в котором не меняется направление, а его величина либо постоянна, либо изменяется во времени (пример — цепь аккумуляторной батареи).
• Переменного тока — ток, периодически меняющий направление и величину. Промышленная сеть переменного тока в России имеет частоту 50 Гц и напряжение 230/400 В.

По способу соединения элементов различают:

• Последовательное соединение — все элементы соединены в одну линию, ток через каждый из них одинаков, а напряжение распределяется суммарно.
• Параллельное соединение — все элементы подключены к одним и тем же узлам, напряжение на каждом из них одинаково, а токи складываются.
• Смешанное соединение — сочетание последовательного и параллельного соединений.

По назначению электрические цепи подразделяются на силовые (для передачи и распределения электрической энергии), цепи управления и сигнализации (для коммандирования и контроля), измерительные (для определения электрических и неэлектрических величин).

¶Основные характеристики

Для описания электрической цепи используются следующие параметры:

• Электрический ток (сила тока) — интенсивность движения заряженных частиц, измеряется в амперах (А).
• Напряжение — работа по переносу единичного заряда между двумя точками цепи, измеряется в вольтах (В).
• Электрическое сопротивление — свойство проводника препятствовать прохождению тока, измеряется в омах (Ом).
• Электрическая мощность — скорость преобразования энергии, измеряется в ваттах (Вт).

¶Законы электрических цепей

Для расчёта цепей применяются:

• Закон Ома для участка цепи: сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на его концах и обратно пропорциональна сопротивлению участка: I = U / R.
• Закон Ома для полной цепи: I = E / (R + r), где E — электродвижущая сила источника, r — его внутреннее сопротивление.
• Первый закон Кирхгофа — алгебраическая сумма токов в узле равна нулю.
• Второй закон Кирхгофа — алгебраическая сумма ЭДС в замкнутом контуре равна сумме падений напряжений на сопротивлениях этого контура.
• Закон Джоуля — Ленца — количество теплоты, выделяемое проводником, пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению и времени: Q = I²Rt.

¶Режимы работы цепи

Различают следующие режимы:

• Нормальный — режим, при котором все параметры цепи соответствуют номинальным значениям.
• Холостого хода — режим, при котором сопротивление нагрузки цепи стремится к бесконечности (ток равен нулю).
• Короткого замыкания — режим, при котором сопротивление нагрузки приближается к нулю, что приводит к резкому возрастанию тока и возможному повреждению цепи.

¶Применение

Электрические цепи являются основой всей современной электротехники и электроники. Они применяются в бытовых приборах, осветительных установках, электрическом транспорте, промышленном оборудовании, системах связи и вычислительной технике. Изучение электрических цепей входит в курс физики средней школы и является фундаментом для дисциплин «Электротехника», «Электроника», «Теоретические основы электротехники».

Источники:

• Демидов А. И. «Курс общей физики»
• Бессонов Л. А. «Теоретические основы электротехники»
• Энциклопедический словарь по физике
• ГОСТ 21614-76 «Электротехника. Термины и определения»