Что такое полярность источника
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 полярность источника
Известно, что ток делится на переменный и постоянный.
Сильная сторона переменного тока – простота преобразования напряжения и возможность создания мощных электродвигателей.
Постоянный ток имеет свою емкую область использования: он применяется в разнообразном электронном оборудовании. Соответственно, правильная по полярности подача создающего его напряжения на различные дискретные и интегральные электронные компоненты является необходимым условием обеспечения их работоспособности.
Электродвигатели постоянного тока легко реверсируются, т.е. вращение их вала изменяется на противоположное простой переполюсовкой источника питания.
Соответственно, при нарушении полярности двигатель вращается не в том направлении, а электронные приборы не будут работать или даже выйдут из строя.
Как определить полярность проводов?
При работе с постоянным напряжением необходимо обязательно контролировать правильность подключения создающего его источника. Далеко не во всех случаях источники имеют маркировку своих выводов, т.е. указанную задачу необходимо решить уже в процессе работы. Применяемые для этого способы делятся на основные группы, которые можно условно обозначить как:
Вариантов внутри каждой группы довольно много. Далее рассмотрим только наиболее популярные из них.
Определение полярности мультиметром
Данный способ относится к приборным и является наиболее информативным, так как кроме полярности указывает еще фактическое напряжение источника.
Мультиметр (часто в просторечии называется тестером) переключается в режим измерения напряжения. Вне зависимости от его исполнения (более старый аналоговый и современный цифровой) прибор имеет две клеммы, обозначаемые как «+» и «-». При подключении положительного вывода проверяемого источника к клемме «+» (напрямую или через штатный провод) цифровой прибор показывает положительное напряжение, а у аналогового стрелка отклоняется вправо. Соответственно, в противном случае на индикаторе цифрового устройства видим минус, а стрелка аналогового тестера ложится на левый упор.
Определение полярности визуальными способами
Определить полярность источника постоянного напряжения без измерительных приборов можно двумя визуальными способами, в основу которых положены химические реакции.
В первом случае разрезается сырая картофелина и в срез одной из ее половинок на расстоянии 2-3 см друг от друга втыкаются два провода источника. После подачи напряжения через такую импровизированную нагрузку начинает протекать ток. В районе плюсового провода через примерно 5-10 минут формируется довольно неяркое, но, тем не менее, неплохо заметное визуально зеленоватое пятно.
Второй способ основан на проведении электролиза в небольшой емкости. В нее наливается некоторое количество воды и погружаются провода с зачищенными концами, который выполняют функции электродов. Сопутствующее электролизу выделение пузырьков водорода происходит на минусовом проводе. Эффект проявляется сильнее в том случае, если емкость изготовлена из пластика, керамики или стекла, т.е. из неметаллического материала.
Другие способы, например, помещение концов проводов в пламя свечи, когда на минусовом проводе начинается интенсивное осаждение сажи, используются достаточно редко.
Индикаторные методы определения полярности
Индикаторные методы могут быть отнесены к группе визуальных, но в отличие от «химической» ветви дают результат намного быстрее, хотя требуют применения специальных компонентов и более глубоких знаний в электротехнике.
В качестве индикатора полярности может быть использован вентилятор системы охлаждения компьютерного процессора. При его наличии можно воспользоваться тем, что он приводится в действие электродвигателем постоянного тока. Для решения задачи достаточно подключить источник к черному и красному проводам. Если крыльчатка начала вращаться, то к красному проводу подключен плюс источника.
Во втором случае применяется светодиод. Известно, что этот компонент имеет всего два вывода и излучает свет при протекании через него прямого тока. По справочнику определяются выводы катода и анода, после чего к диоду через соединенный последовательно маломощный балластный резистор подключается проверяемый источник. Последовательность соединения (сначала резистор, а потом диод или наоборот) значения не имеет.
Номинал резистора рассчитывается как R = (U – 2)/I, где U – напряжение источника в Вольтах, а величина I берется из справочника и устанавливается равной примерно 70% от максимально допустимого прямого тока. Например, для 12-вольтового источника при предельном токе 50 мА в качестве балластного берется резистор с сопротивлением, равным или отличающимся не более чем на +/-20% от значения
R = (12 – 2)/ (0,7*50*10-3) = 300 Ом.
При подключении источника к рассматриваемой цепочке плюсом к аноду светодиода последний будет светиться. В противном случае излучения не будет.
Обозначение и особенности задания полярности проводов
Цветовые обозначения полярности проводов
Помощью в определении полярности может оказать также цвет изоляции проводов источника. В сетях постоянного ток общепринято, что к плюсовой клемме источника постоянного напряжения подключается провод с оболочкой (изоляцией) красного (горячего) цвета, а минусу поставлен в соответствие черный цвет. С учетом обозначения положительного вывода через крест это правило запоминается по фразе «Красный крест».
Особенности полярности проводов в схемах постоянного тока
В электрической схеме могут использоваться провода с изоляцией других цветов, что необходимо для правильного подключения различных потребителей. В этой ситуации потребуется индивидуальная проверка мультиметром каждого из таких проводов. В качестве базового всегда берется провод черного цвета. Напряжение на остальных проводах должно быть обязательно положительным.
Некоторые разновидности электронных схем, например, собранные с использованием операционных усилителей, могут питаться от биполярного источника, т.е. на них может подаваться как положительное, так и отрицательное напряжение. Главным отличительным признаком питающего их источника является наличие у него трех выходов, причем напряжение на двух «горячих» проводах относительно земли (черный провод) равно по величине и отличается только знаком.
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 полярность источника
7. Несколько слов о «полярности» переменного тока
Несколько слов о «полярности» переменного тока
Обозначение напряжения батареи отрицательным числом и обратной полярностью тоже будет математически правильным, но это решение не является традиционным:
В цепях переменного тока мы не имеем дел с «отрицательными» величинами напряжений. Вместо этого мы описываем, в какой степени одно напряжение помогает или противодействует другому по фазе (временной сдвиг между двумя волнами). Мы никогда не описываем переменные напряжения отрицательными числами, так как полярная форма представления позволяет векторам указывать в противоположных направлениях. Если одно переменное напряжение полностью противодействует другому, то мы говорим, что они не совпадают друг с другом по фазе на 180 градусов.
Давайте рассмотрим эти принципы более наглядно. Сначала мы рассмотрим показания вольтметра постоянного напряжения в зависимости от варианта подключения его щупов к цепи:
Математический знак, отображаемый на дисплее цифрового вольтметра, зависит только от варианта подключения его щупов. А теперь, используя вольтметр мы определим, как работают два источника постоянного напряжения, маркировка полярностей на которых отсутствует (помогают или противодействуют друг другу). Для начала, произведем замер напряжения на первом источнике:
Первое измерение, показавшее +24 вольта на левом источнике постоянного напряжения, говорит нам о том, что черный щуп измерительного прибора действительно подключен к отрицательной клемме данного источника, а красный щуп действительно подключен к его положительной клемме. Таким образом, мы узнали напряжение и полярность источника № 1:
Далее, произведем замер напряжения на втором источнике:
Любому опытному радиолюбителю должно быть очевидно, что эти источники подключены противоположно друг другу. По определению, противоположные напряжения вычитаются друг из друга, а значит, отняв 17 вольт от 24 вольт, мы получим общее напряжение равное 7 вольтам.
С другой стороны, мы можем отобразить эти два источника в виде прямоугольников, обозначив их напряжения и полярности в соответствии с тем, как мы подключали щупы измерительного прибора, и какие показания получили:
То же самое справедливо и для переменных напряжений, за исключением того, что вместо математического знака здесь ставится фазовый угол. Для связи друг с другом переменных напряжений с разными фазовыми углами нам также понадобится обозначить полярность, которая как раз и будет выступать отсчетом для фазовых углов этих напряжений.
Давайте в качестве примера рассмотрим следующую схему:
Обозначение полярностей в данной схеме говорит о том, что эти два источника действуют совместно (помогают друг другу). Чтобы определить общее напряжение, мы должны сложить 10 В ∠ 0° и 6 В ∠ 45°, получив при этом 14,861 В ∠ 16.59°. Однако, можно представить 6-вольтовый источник и в виде 6 В ∠ 225° с обратным набором полярностей. В результате мы все равно получим то же самое общее напряжение:
6 В ∠ 45° с отрицательным знаком слева и положительным справа эквивалентно 6 В ∠ 225° с положительным знаком слева и отрицательным справа: разворот полярности обеспечивается добавлением 180 ° к фазовому углу:
В отличии от источников постоянного напряжения, условные обозначения которых явно показывают полярности при помощи длинных и коротких линий, условные обозначения источников переменного напряжения явного отображения полярностей не имеют. Полярности этих источников обозначаются на схеме дополнительными знаками «+» и «-«, «правильного» способа размещения которых не существует. Однако, при помощи этих знаков фазовый угол данного источника напряжения связывается с фазовыми углами других напряжений.
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!