Цепи реальных электрических установок состоят из множества элементов: проводников, конденсаторов, микросхем.
Все составляющие цепей делят на несколько групп: активные, реактивные, управляющие элементы, источники питания.
Поведение, характеристики радиоэлементов зависят от вида протекающего тока (постоянный, переменный), от способа их подключения.
Особенности параллельного подключения источников тока
Различают следующие виды:
- последовательное;
- параллельное;
- смешанное соединение.
В электрических цепях радиоэлектронных устройств больше всего проводников, конденсаторов. Среди всех свойств определяющее значение имеет один параметр:
- для проводников – сопротивление;
- для конденсаторов – емкость.
При различных способах включения в цепь значение имеет суммарная, результирующая величина, различие в номиналах некритично.
Источники тока характеризуют двумя параметрами:
- электродвижущей силой (ЭДС) Е;
- внутренним сопротивлением r.
Параллельное подключение к нагрузке источников питания с различными ЭДС имеет серьезный недостаток: даже при отсутствии внешней нагрузки источник с большей электродвижущей силой разряжается через источник с меньшей ЭДС. Процесс продолжается до тех пор, пока значения ЭДС не станут одинаковыми, часть суммарной емкости теряется.
В электротехнике применяют параллельное подключение источников питания с различными характеристиками для работы на общую нагрузку, но не напрямую.
Для включения в цепь используют сложные схемы выравнивания, синхронизации, блокировки, защиты.
В быту используют параллельную установку нескольких одинаковых гальванических элементов: в фонарях, пультах управления техникой, в радиоуправляемых игрушках.
Соединяют одноименные полюса: плюс с плюсом, минус с минусом.
Такое включение не требует никаких дополнительных коммутаторов, элементов защиты. ЭДС между полюсами всех источников равны:
Egen = Е1 = Е2.
Общая сила тока увеличивается, она равна сумме сил токов от каждого источника:
Igen = I1+ I2.
Гидравлическая аналогия
Простая параллель для электрического контура в формуле изменения напряжения — вода, протекающая по замкнутому трубопроводу, приводимая в действие механическим насосом. Это можно назвать «водным контуром». Разность потенциалов между двумя точками соответствует отличием давлений между ними. Если насос создает перепад напора, то вода, текущая из одной колбы в другую, сможет выполнять работу, например, приводить турбину в движение. Точно так же работа может выполняться электрическим током, управляемым разностью потенциалов, обеспечиваемой батареей. Например, напряжение, которое достаточно заряжено автомобильным аккумулятором, может «проталкивать» большой ток через обмотки стартерного двигателя. Если насос не работает, он не создает разности давлений, и турбина не вращается. Аналогично если аккумуляторная батарея машины очень слаба или разряжена, то она не будет вращать стартер.
Гидравлическая аналогия является полезным способом понимания многих электрических концепций. В такой системе напряжение вычисляется по формуле давления, умноженного на объем перемещаемого заряда. В электрической цепи работа, выполняемая для передвижения частиц или других носителей, равна «электрическому давлению», умноженному на количество перемещенных электрочастиц. Чем больше перепад давления между двумя точками в отношении потока (разность потенциалов или перепад давления воды), тем больше расстояние между ними (электрический ток или поток воды).
Параллельное соединение конденсаторов
Независимо от вида конденсатора, материалов его изготовления он всегда состоит из двух главных частей: обкладок. Их форма не имеет значения, но они могут состоять из набора пластин, скатаных в рулон.
Для большинства типов конденсаторов обкладки равноправны. Полярность подключения источника тока важна для электролитических приборов.
Способность накапливать, удерживать заряды характеризуют физической величиной – электроемкостью. Ее определяют как отношение заряда на обкладках к разности потенциалов между ними:
C = q/Δφ.
Обозначения:
- C – электрическая емкость, единица измерения – фарады (Ф);
- q – заряд, измеряют в кулонах (Кл);
- Δφ – разность потенциалов, измеряют в вольтах (В).
На практике эту величину чаще называют напряжением:
Δφ = φ2 – φ1 = U.
Электроемкость накопителя заряда зависит от размера обкладок, величины промежутка между ними, материала диэлектрика. Для конденсатора в виде двух пластин она выглядит так:
C = (εε0S)/d.
Обозначения:
- ε – диэлектрическая проницаемость материала, расположенного между обкладками;
- ε0 – одна из физических постоянных (электрическая постоянная);
- d – расстояние от одной обкладки до другой (толщина диэлектрика);
- S – их площадь.
При спайке параллельно напряжение между обкладками одинаково. Для системы из двух элементов:
Ugen = U1 = U2;
- Полученные заряды:
q1 = C1U, q2 = C2U;
- Общий заряд:
qgen = q1 + q2;
- Тогда общая емкость:
Cgen = qgen/Ugen = (q1 + q2)/Ugen = q1/U1 + q2/U2 = C1 + C2.
При подключении параллельно емкость системы находят как сумму емкостей отдельных накопителей заряда.
Конденсаторы имеют еще одну характеристику: напряжение, на которое они рассчитаны. Оно зависит от свойств диэлектрика, его толщины.
Возможно параллельное сопряжение конденсаторов с различными емкостями, с различными рабочими напряжениями. Работоспособность батареи определяет элемент с наименьшим напряжением.
Как найти напряжение, формула. Потенциал электрического поля
Увеличение напряжения с некоторой точки xA в какой-то момент xB дан кем-то.
В этой формуле для вычисления напряжения увеличение от точки A до B равно работе, которую нужно было бы выполнить за единицу заряда, против электрического поля, чтобы переместить частицу с A на B, не вызывая какого-либо ускорения. Математически это выражается как криволинейный интеграл от электрического поля вдоль этого пути. Согласно данному определению, разность напряжений между двумя точками не формируется однозначно, когда существуют изменяющиеся во времени магнитные поля, поскольку электрическая сила не является консервативной в таких случаях.
Если используется это определение напряжения, любая цепь, в которой существуют изменяющиеся во времени магнитные поля, например, ряды, содержащие индукторы, не будет иметь четко определенного напряжения между узлами в цепи. Однако если магнитные поля надлежащим образом содержатся в каждом компоненте, то электрическое является консервативным во внешней области, и составляющие хорошо определены в ней. В этом случае напряжение на индукторе, если смотреть со стороны, оказывается.
Несмотря на то, что внутреннее электрическое поле в катушке равно нулю (при условии, что это идеальный проводник). Существует еще несколько способов, чтобы узнать, какая формула напряжения необходима в конкретном случае.
Параллельное соединение резисторов
Напряжения на концах группы соединенных проводников равны для каждого резистора. Для схемы из двух элементов:
Ugen = U1 = U2.
Эта формула ничем не отличается от формулы суммарного напряжения для двух подключенных конденсаторов. Полную силу тока находят как сумму сил токов, протекающих через каждый участок:
Igen = I1 + I2;
- Для участка цепи выполняется закон Ома:
I = U/R;
- Для группы из двух элементов:
Igen = Ugen/Rgen = Ugen/R1 +Ugen/R2;
- Сокращая Ugen, учитывая, что значение напряжения на концах каждого проводника одинаковое, получают:
1/Rgen = 1/R1 + 1/R2.
Величина, обратная итоговому сопротивлению, равняется сумме величин, которые обратны сопротивлению составляющих. Выражение 1/R называют проводимостью.
Из формулы определяют суммарную величину:
Rgen = R1R2/(R1 + R2).
При расположении параллельным способом разных проводников итоговое значение сопротивления уменьшается, оно меньше сопротивления элемента с минимальным номиналом.
Для одинаковых радиоэлементов формула проще:
Rgen = RR/(R + R) = R/2.
Итоговое значение сопротивления 2 одинаковых резисторов равно 1/2 номинала одного из них.
В схеме параллельной спайки K одинаковых проводников суммарное сопротивление:
Rgen = R/K.
Оно меньше во столько раз, сколько имеется элементов в группе.
Сопротивление току зависит от материала, из которого изготовлен резистор, от его размеров: длины, толщины (площади сечения). Зависимость выражает формула:
R = ρl/S.
В формуле:
- R – сопротивление в омах (Ом);
- l – длина резистора (проволоки);
- ρ – удельное сопротивление, измеряют в Ом*м.
Из-за того, что поперечное сечение реальных проводников составляет десятки мм2, за единицу удельного сопротивления выбирают Ом*мм2/м.
Величина ρ – показывает сопротивление 1 м проводника сечением 1 мм2. Удельное сопротивление – табличная величина.
Среди металлов наименьшее значение имеет серебро – 0,016 Ом*мм2/м, наибольшее – фехраль: 1,3 Ом*мм2/м.
Резисторы имеют еще одну важную характеристику – мощность рассеивания энергии. Это произведение силы тока на напряжение.
Более мощные радиодетали выглядят толще, грубее. Во всех расчетных формулах предполагают, что в цепи используют элементы одинаковой мощности. Работоспособность схемы, в которой применены элементы с одинаковым номиналом различной мощности определяет самый маломощный резистор.
Знание особенностей подключения источников тока, конденсаторов, резисторов помогает изучать происходящие в них физические процессы, рассчитывать электрические схемы, определять параметры оптимального режима работы.
Создавая реальные конструкции, важно подбирать элементы, одинаковые хотя бы по одному параметру. Для источников тока – это ЭДС, для конденсаторов – напряжение между обкладками, для резисторов – мощность.
Пример с обычной водой
Этот потенциал давления эквивалентен напряжению. Чем больше воды в баке, тем сильнее воздействие. Чем мощнее заряд хранится в батарее, тем выше напряжение.
Когда открываешь шланг, течет поток воды. Давление в резервуаре определяет, насколько быстро он вытекает. Электрический ток измеряется в амперах. Чем больше вольт, тем сильнее А тока. Значит, чем сильнее давление воды, тем быстрее она вытечет из бака.
Вам будет интересно:Что такое щелочь, в какие реакции вступают самые известные из них
Тем не менее ток также зависит от сопротивления. В случае шланга — это его ширина. Широкая труба позволяет пропускать больше воды за меньшее время, а узкая — противостоит потоку жидкости. С электрическим током также может быть сопротивление, измеренное в Омах.
Потенциал Гальвани
Внутри проводящего материала на энергию электрона влияют не только средние возможности, но и конкретная тепловая и атомная среда, в которой он находится. Когда вольтметр подключен между двумя различными типами металла, он не измеряет разность электростатического потенциала.
Величина, измеренная с помощью вольтметра, является отрицательной и обычно называется разностью напряжений. В то время как чистая нескорректированная электростатическая возможность (неизмеряемая с помощью вольтметра) иногда называется Гальванической. Термины «напряжение» и «электрический потенциал» неоднозначны в том смысле, что на практике они могут относиться к любому из них в различных контекстах.
Источник
