Что такое полярность источника в физике
СОДЕРЖАНИЕ
Текущее направление
Обычный ток течет от положительного полюса (клеммы) к отрицательному полюсу. Электроны текут от отрицательного к положительному. В цепи постоянного тока (DC) ток течет только в одном направлении, и один полюс всегда отрицательный, а другой полюс всегда положительный. В цепи переменного тока (AC) два полюса чередуются между отрицательным и положительным, а направление тока (поток электронов) периодически меняет местами.
Условные обозначения для идентификации
В автомобильном аккумуляторе положительный полюс обычно имеет больший диаметр, чем отрицательный. В современных автомобилях отрицательная клемма аккумулятора подключена к кузову автомобиля, а положительная клемма обеспечивает провод под напряжением к различным системам. Старые автомобили были построены с положительной клеммой аккумулятора, прикрепленной к шасси.
Системы переменного тока
В системах переменного тока два провода цепи меняют полярность много раз в секунду. В системах электроснабжения все провода, имеющие одинаковую мгновенную полярность в любой момент, будут иметь общую схему идентификационной маркировки, например цвет провода. В зависимости от условных обозначений, используемых для электромонтажа системы питания, цветовая кодировка или другая маркировка также может указывать на дополнительные свойства проводника, такие как его роль в качестве нейтрали в силовой цепи. В многофазной системе переменного тока идентификация проводов, принадлежащих к общей фазе, важна для обеспечения правильной работы цепи.
Если цепи переменного тока используются для передачи таких сигналов, как аудио, полярность также требуется для обеспечения надлежащего функционирования системы. Например, комплект громкоговорителей, используемых для воспроизведения стереозвука, будет иметь все клеммы устройств и проводку, помеченные для обеспечения одинаковой мгновенной полярности, чтобы результирующий звук, производимый каждым элементом громкоговорителя, имел одинаковую фазу и правильно складывался для уха слушателя.
Проверка полярности
Проверка полярности в системе переменного тока может выполняться с помощью такого прибора, как двухканальный осциллограф, который может определить, когда две точки имеют мгновенно одинаковые напряжения, или путем измерения между клеммами с помощью вольтметра. Если две точки имеют одинаковую полярность («синфазны»), напряжение будет минимальным.
Что такое анод и катод: объясняю простыми словами
Для корректной работы полупроводниковых приборов, работающих в цепях с постоянным током, электроды радиоэлементов необходимо подключать с учетом их полярности. Неправильное подключение может привести к выходу из строя радиоэлемента либо к отказу в работе электронного прибора. С целью избегания ошибок электроды таких деталей получили специальное название – анод и катод.
Часто эти электроды обозначаются на схемах соответствующими символами «+» или «–», либо определяются по схематическому изображению радиоэлемента. На корпусах деталей иногда проставляется точка или другая метка, позволяющая определить направление тока на конкретном электроде. Иногда полярность выводов приходится определять по специальным таблицам или с помощью измерительного прибора.
Понятие анода и катода
Для лучшего понимания терминов дадим определения этих понятий.
Под данным термином будем подразумевать электрод, по которому электрический ток втекает в разглядываемый прибор. При этом подразумевается, что электрический ток образуется потоком положительных зарядов. В действительности, по металлическим проводникам перемещаются электроны (носители отрицательных зарядов), которые движутся в сторону положительного полюса источника электрического тока.
Проще говоря, положительным электродом будем считать анод, а отрицательным электродом – катод. При подключении радиоэлементов следует соблюдать их полярность, руководствуясь обозначениями на схемах.
Катод
Это электрод, по которому электрический ток вытекает с прибора (подразумевается конвенциальное понимание тока, в виде потока положительных зарядов). Таким образом, если к аноду подключается провод с положительным потенциалом, то к катоду – клеммы с отрицательными потенциалами.
Вышеуказанные термины применяются по отношению к гальваническим элементам. В гальванике анод – это электрод, на поверхности которого проходит реакция окисления металла. Названия электродов встречаются:
При монтаже радиодеталей очень важно не перепутать электроды. Для этого необходимо знать, как определить их назначение.
Как определить, где анод, а где катод?
При определении катода и анода необходимо в первую очередь ориентироваться на направление тока, а не на полярность источника питания. Несмотря на то, что эти понятия тесно связаны с полярностью тока, они больше обусловлены направлениями векторов электричества.
Например, в аккумуляторах, при перезарядке, происходит изменение ролей катода и анода. Это связано с тем, что во время зарядки изменяется направление электрического тока. Электрод, выполнявший роль электрода при работе аккумулятора в режиме источника питания во время зарядки выполняет функции катода и наоборот – катод превращается в анод.
На рис. 1, изображено процесс электролиза, при котором происходит перемещение анионов (отрицательных ионов) и катионов (положительных ионов). Анионы устремляются к аноду, а положительные катионы – в сторону катода.
При электролизе перемещаются носители зарядов разных знаков, однако, по определению, анодом является тот электрод, в который втекает ток. На рисунке анод подсоединён к положительному полюсу источника тока, а значит, ток условно втекает в этот электрод.
Обратите внимание на рисунок 2, где изображена схема гальванического элемента.
Рис. 2. Гальванический элемент
Плюсовой вывод источника тока является катодом, а не анодом, как можно было бы ожидать. При внимательном изучении принципа работы гальванического элемента можно понять, почему анод является отрицательным полюсом.
Обратите внимание на рисунок строения гальванического источника тока. Стрелки (вверху) указывают направление движения электронов, однако направлением тока условно принято считать перемещение от плюса к минусу. То есть, при замыкании цепи, ток входит именно в отрицательный полюс, который и является анодом, на котором происходит реакция окисления. Иначе говоря, ток от положительного электрода через нагрузку попадает на анод, являющийся отрицательным полюсом гальванического элемента. При вдумчивом подходе все стает на свои места.
При определении позиций анода и катода в радиоэлектронных элементах пользуются справочными материалами.
На назначение электродов указывает:
Определение назначений выводов у полупроводниковых диодов можно определить с помощью измерительных приборов. Например, все типы диодов (кроме стабилитронов) проводят ток только в одном направлении. Если вы подключили тестер или омметр к диоду, и он показал незначительное сопротивление, то к положительному щупу прибора подключен анод, а к отрицательному – катод.
Если известен тип проводимости транзистора, то с помощью того же тестера можно определить выводы эмиттера и коллектора. Между ними сопротивление бесконечно велико (тока нет), а между базой и каждым из них проводимость будет (только в одну сторону, как у диода). Зная тип проводимости, по аналогии с диодом, можно определить: где анод, а где катод, а значит определить выводы коллектора или эмиттера (см. рис. 5).
Рис. 5. Транзистор на схемах и его электроды
Что касается вакуумных диодов, то их невозможно проверить путем измерения обычными приборами. Поэтому их выводы расположены таким образом, чтобы исключить ошибки при подключении. В электронных лампах выводы точно совпадают с расположением контактов гнезда, предназначенного для этого радиоэлемента.
Анод и катод: где плюс, а где минус?
Из сказанного выше следует, что ток всегда течет в направлении от анода к катоду. Вывод один – на анод поступает плюс, а катод подсоединяется к минусу. Придерживаясь этого правила можно безошибочно определить, где плюс, а где минус.
Вот так можно запомнить:)
В гальванотехнике на катоде происходит реакция восстановления. То есть положительные ионы из раствора оседают на катоде. По этому признаку определяем знак минус.
Как определить катод и анод радиодеталей мы рассмотрели выше. Если есть схема устройства то по ней довольно легко можно указать направление тока, и, соответственно, назначение электродов. При отсутствии схемы пользуйтесь признаками и метками на корпусах деталей.
Примечание: по отношению к стабилитрону некорректно применять термин катод и анод, так как он проводит ток в разных направлениях.
Отдельно заострю ваше внимание на элементах питания. Обычно «+» указывается на гальванических устройствах, а на аккумуляторах часто маркируются обе клеммы. В аккумуляторах автомобильного типа плюсовую клемму делают толще. По этому признаку также можно определить полярность полюсов.
В качестве выводов см. рисунок 6.
Цифрами обозначено:
Применение
Электроды в качестве анода и катода наиболее часто применяются:
Рассмотрим в общих чертах сферы применения анодов и катодов.
В электрохимии
В данной сфере анод и катод являются ключевыми понятиями, в процессе прохождения электрохимических реакций, используемых в основном для восстановления металлов. Такие реакции называют электролизом. Использование процессов электролиза позволяет получать чистые металлы, так как на катоде образуются атомы только того металла, положительные ионы которого содержатся в растворе электролита.
Методом электролиза наносят очень тонкое цинковое покрытие стальных листов и деталей любой конфигурации. Гальваническое покрытие эффективно защищает металл от коррозии.
В вакуумных электронных приборах
Примером вакуумных приборов служат радиоэлектронные лампы, электронно-лучевые трубки, кинескопы телевизоров. Они работают по одному и тому же принципу: Разогретый катод испускает электроны, которые устремляются к аноду с высоким положительным электрическим потенциалом.
Образование электронов на раскаленном электроде называется термоэмиссией, а электрический ток, возникающий между катодом и анодом, называется термоэмиссионным. Ценность таких приборов в том, что они проводят ток только в одном направлении – от катода к аноду.
Добавление сетки между электродами позволяет регулировать параметры тока в широких пределах, путем изменения напряжения на сетке. Такие вакуумные лампы используются в качестве усилителей сигналов. В данное время вакуумные приборы используются довольно редко, так как их с успехом заменяют миниатюрные полупроводниковые диоды и транзисторы, часто выполненные на монокристалле в виде микросхемы.
В полупроводниковых приборах
Электронные детали на основе полупроводников ценятся малым потреблением тока и небольшими размерами. Они почти вытеснили вакуумные лампы из употребления. Выводы полупроводниковых приборов традиционно называют анодами и катодами.
При всех плюсах полупроводников, у этих приборов есть недостаток – они «шумят». В усилителях большой мощности эти шумы становятся заметными. В качественной усилительной аппаратуре по-прежнему применяются вакуумные лампы.
Электронно-лучевые кинескопы в современных телевизорах вытесняются экранами с LED подсветкой. Они более экономичны, отлично передают цветовую палитру, позволяют сделать приемник почти плоским.
Пара слов о «полярности» переменного напряжения
Комплексные числа полезны для анализа цепей переменного тока, поскольку они предоставляют удобный метод символьной записи сдвига фаз между параметрами переменного тока, такими как напряжение и ток.
Однако большинству людей нелегко понять эквивалентность абстрактных векторов и реальных параметров схемы. Ранее в данной главе мы видели, как источники переменного напряжения задаются значениями напряжения в комплексной форме (амплитуда и угол фазы), а также обозначением полярности.
Поскольку у переменного тока нет параметра «полярности», как у постоянного тока, эти обозначения полярности и их связь с углом фазы могут вводить в заблуждение. Данный раздел написан с целью, прояснить некоторые из этих вопросов.
Напряжение, по своей сути, – относительная величина. Когда мы измеряем напряжение, у нас есть выбор, как подключить вольтметр или другой измерительный прибор к источнику напряжения, поскольку есть две точки, между которыми существует разность потенциалов, и два измерительных щупа у прибора, которые необходимо подключить.
В цепях постоянного тока мы явно обозначаем полярность источников напряжения и падений напряжения, используя символы «+» и «-«, а также используем измерительные щупы с цветовой маркировкой (красный и черный). Если цифровой вольтметр показывает отрицательное постоянное напряжение, мы знаем, что его измерительные щупы подключены «обратно» напряжению (красный провод подключен к «-«, а черный провод – к «+»).
Полярность батарей обозначается специфичными для них символами: короткая линия батареи всегда является отрицательной (-) клеммой, а длинная линия – всегда положительной (+):
Рисунок 1 – Общепринятое обозначение полярности батареи
Хотя было бы математически правильно представить напряжение батареи в виде отрицательного значения с обозначением обратной полярности, но это было бы явно необычно:
Рисунок 2 – Совершенно нестандартное обозначение полярности
Интерпретация таких обозначений могла бы быть проще, если бы обозначения полярности «+» и «-» рассматривались как контрольные точки для измерительных щупов вольтметра, «+» означал бы «красный», а «-» означал бы «черный». Вольтметр, подключенный к указанной выше батарее красным щупом к нижней клемме и черным щупом к верхней клемме, действительно будет указывать отрицательное напряжение (-6 вольт).
На самом деле, эта форма обозначения и интерпретации не так уж необычна, как вы могли подумать: она часто встречается в задачах анализа цепей постоянного тока, где знаки полярности «+» и «-» сначала рисуются согласно обоснованному предположению, а затем интерпретируются как правильные или «обратные» в соответствии с математическим знаком рассчитанного значения.
Однако в цепях переменного тока мы не имеем дело с «отрицательными» значениями напряжения. Вместо этого мы описываем, в какой степени одно напряжение совпадает или не совпадает с другим по фазе: т.е. по сдвигу по времени между двумя сигналами. Мы никогда не описываем переменное напряжение как отрицательное по знаку, потому что возможность полярной записи позволяет векторам указывать в противоположных направлениях.
Если одно переменное напряжение прямо противоположно другому переменному напряжению, мы просто говорим, что одно напряжение на 180° не совпадает по фазе с другим.
Тем не менее, напряжение между двумя точками является относительным, и у нас есть выбор, как подключить прибор для измерения напряжения между этими двумя точками. Математический знак показаний вольтметра постоянного напряжения имеет значение только в контексте подключений его измерительных щупов: к какой клемме подключен красный щуп, а к какой клемме подключен черный щуп.
Кроме того, угол фазы переменного напряжения имеет значение только в контексте знания, какая из этих двух точек считаются «опорной». Поэтому, чтобы дать заявленному углу фазы точку отсчета, на схемах часто указываются обозначения полярности «+» и «-» на клеммах переменного напряжения.
Показания вольтметра при подключении измерительных щупов
Давайте рассмотрим эти принципы более наглядно. Во-первых, связь между подключением измерительных щупов со знаком на показаниях вольтметра при измерении постоянного напряжения:
Математический знак на дисплее цифрового вольтметра постоянного напряжения имеет значение только в контексте подключения его измерительных проводов. Рассмотрим возможность использования вольтметра постоянного напряжения для определения того, складываются ли два источника постоянного напряжения друг с другом или вычитаются друг из друга, предполагая, что на обоих источниках нет маркировки их полярности.
Использование вольтметра для измерения на первом источнике:
Рисунок 4 – Положительные (+) показания указывают, что черный – это (-), красный – это (+)
Этот результат первого измерения +24 на левом источнике напряжения говорит нам, что черный провод вольтметра действительно подключен к отрицательной клемме источника напряжения № 1, а красный провод вольтметра действительно подключен к положительной клемме. Таким образом, мы узнаем, что источник №1 – это батарея, включенная следующим образом:
Рисунок 5 – Полярность источника 24 В
Измерение другого неизвестного источника напряжения:
Рисунок 6 – Отрицательные (-) показания указывают, что черный – это (+), красный – это (-)
Второе измерение вольтметром показало отрицательные (-) 17 вольт, что говорит нам о том, что черный измерительный щуп на самом деле подключен к положительной клемме источника напряжения № 2, а красный измерительный провод подключен к отрицательной клемме. Таким образом, мы узнаем, что источник №2 – это батарея, включенная в противоположную сторону:
Рисунок 7 – Полярность источника 17 В
Для любого, знакомого с постоянным током, должно быть очевидно, что эти две батареи противодействуют друг другу. Противоположные напряжения, априори, вычитаются друг из друга, поэтому, чтобы получить общее напряжение на обоих батареях, мы вычитаем 17 вольт из 24 вольт и получаем 7 вольт.
Но мы могли бы изобразить два источника в виде невзрачных прямоугольников, помеченных точными значениями напряжений, полученными с помощью вольтметра, и маркировкой полярности, указывающей на положение измерительных щупов вольтметра:
Рисунок 8 – Показания вольтметра, как они отображались на нем
Важность маркировки полярности
Если мы позволим маркировке полярности определять наше решение, складывать или вычитать значения напряжения (независимо от того, представляют ли эти маркировки полярности истинную полярность или только положение измерительного провода вольтметра), и включим математические знаки этих значений напряжений в наши расчеты, результат всегда будет правильным.
Опять же, маркировка полярности служит ориентиром для размещения математических знаков значений напряжений в правильном контексте.
То же самое верно и для переменного напряжения, за исключением того, что математический знак заменяется углом фазы. Чтобы связать друг с другом несколько переменных напряжений с разными углами фазы, нам нужна маркировка полярности, чтобы обеспечить систему отсчета для углов фаз этих напряжений.
Возьмем, к примеру, следующую схему:
Рисунок 9 – Угол фазы заменяет знак ±
Маркировка полярности показывает, что эти два источника напряжения складываются друг с другом, поэтому для определения общего напряжения на резисторе мы должны сложить значения напряжения 10 В 0° и 6 В ∠ 45° вместе, чтобы получить 14,861 В 16,59 °.
Однако было бы вполне приемлемо представить 6-вольтовый источник как 6 В 225°, с обратной маркировкой полярности, и при этом получить такое же общее напряжение:
Рисунок 10 – Переключение проводов вольтметра на источнике 6 В изменяет угол фазы на 180°
6 В 45° с минусом слева и плюсом справа – это точно то же самое, что 6 В ∠ 225 ° с плюсом слева и минусом справа: изменение маркировки полярности идеально дополняет добавление 180° к значению угла фазы:
Рисунок 11 – Изменение полярности добавляет 180° к углу фазы
В отличие от источников постоянного напряжения, где полярность определяется символами из линий, у переменных напряжений нет собственного обозначения полярности. Следовательно, любые знаки полярности должны быть включены в качестве дополнительных символов на схему, и не существует единственного «правильного» способа их размещения.
Однако они должны коррелировать с заданными углами фаз, чтобы представлять истинное фазовое соотношение одного напряжения с другими напряжениями в цепи.
Что такое полюс источника тока
Латинское слово «polus» происходит от греческого «полос». В широком смысле данный термин обозначает предел, границу или крайнюю точку чего-либо, нечто одно, диаметрально противоположное другому, когда речь идет например о двух полюсах.
У нашей планеты есть северный и южный географические полюса — противоположные края земного шара относительно экватора, а также магнитные полюса (как у постоянного магнита). У постоянного магнита есть северный и южный полюса — они стремятся притянуться друг к другу. Таким же образом полюса источника тока обозначают своеобразные его границы, края, к которым присоединяется внешняя часть электрической цепи, питаемой от данного источника, либо питающей (заряжающей) его.
Другими словами, полюса — это клеммы, выводы, посредством которых внутренняя структура источника тока соединяется с какой-нибудь внешней цепью, с потребителем или источником электрической энергии.
Говоря о полюсах источника тока, подразумевают всегда источник постоянного тока, поскольку у источника тока переменного полюса периодически меняются местами.
Так, в розетке нулевой вывод остается нулевым постоянно, а на фазном выводе раз в 0,01 секунды значение напряжения плавно изменяется на противоположное, то есть на фазном проводе периодически на мгновение возникает то положительный, то отрицательный полюс относительно нулевого провода, а нулевой провод становится, соответственно, то отрицательным, то — положительным полюсом по отношению к фазному проводу.
А если рассмотреть для примера батарейку, то у исправной батарейки все не так. У нее есть конкретно «плюс» и «минус», то есть два постоянных противоположных полюса. Это и есть собственно полюса данного источника тока. Так же и у аккумулятора.
Между данными полюсами имеется разность потенциалов (электрическое напряжение), измеряемая в вольтах. К данным клеммам аккумулятора присоединяется нагрузка или зарядное устройство.
Когда к данному источнику присоединяется нагрузка, возникает электрический ток, направленный (как принято считать) от положительного полюса — к отрицательному полюсу через цепь нагрузки. Электроны во внешней цепи будут двигаться при этом от отрицательного полюса — к положительному (потому что направление постоянного тока принимается противоположным по отношению к реальному направлению движения электронов — так принято в электротехнике), а внутри источника — от положительного полюса — к отрицательному.
В заключении можно сказать, что практически полюсами источника постоянного тока именуются его клеммы, представляющие собой выводы, электрические потенциалы на которых всегда различаются так, что положительный полюс или «плюс» имеет потенциал выше, чем отрицательный полюс или «минус», поэтому между полюсами исправного источника постоянного тока всегда существует электрическое напряжение.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!