Что такое потребитель в электрической цепи
Для использования электрического тока потребителями необходимо иметь
Источники и потребители электроэнергии
В любом современном автомобиле имеется множество электрических устройств. Все они делятся на источники и потребители электрической энергии.
Источник электрической энергии — это устройство, которое вырабатывает электричество из механической, химической или какой-либо другой энергии. В автомобиле источниками электричества являются аккумуляторная батарея и генератор.
Потребители электрической энергии – это любые устройства, которые питаются от электричества – система зажигания, стартер, световые и контрольно-измерительные приборы, стеклоочистители и многое другое.
Электричества, вырабатываемого генератором, как правило, достаточно для обеспечения энергией всех включенных потребителей. Но это происходит только при работающем двигателе, поскольку именно от него генератор получает механическую энергию. А как быть, если нам надо запустить двигатель? Для запуска исправного двигателя необходимо, чтобы его коленчатый вал провернулся на несколько оборотов от внешнего источника.Таким внешним источником в автомобиле является небольшой электродвигатель – стартер.
Мощности исправной аккумуляторной батареи хватает также на то, чтобы при выключенном двигателе в течение ограниченного времени снабжать током потребители небольшой мощности – световые приборы, стеклоочистители и т.п. Однако со временем аккумуляторная батарея разряжается – количество вырабатываемой ею энергии уменьшается и постепенно снижается до нуля. Чтобы этого не происходило, батарею нужно подзаряжать – точно так же, как мы подзаряжаем аккумулятор в мобильном телефоне.
Итак, на исправном автомобиле мы получаем замкнутый круг. Аккумуляторная батарея питает электродвигатель стартера. Вал стартера приводит во вращение коленчатый вал двигателя, который, в свою очередь, заставляет вращаться вал генератора. Генератор вырабатывает электрический ток, часть которого идет на подзарядку аккумуляторной батареи.
Чтобы источники электроэнергии работали долго и эффективно, их надо беречь. Не следует перегружать аккумуляторную батарею, включая слишком много потребителей при остановленном двигателе. Особенно трудным для аккумуляторной батареи является холодное время года, когда для запуска двигателя требуется гораздо больше энергии, чем летом. Поэтому каждую осень рекомендуется очищать батарею от грязи, проверять состояние ее корпуса, уровень и плотность электролита, а также надежность крепления проводов. Генератор и стартер, как и любые другие электродвигатели, больше всего боятся воды, которая может попасть на них при проезде на высокой скорости по большим и глубоким лужам. Кроме того, генератор может выйти из строя из-за неправильного подключения проводов или плохого электрического контакта. Если контакты неплотно соприкасаются друг с другом, начинается искрение, перегрев, и нагрузка на генератор значительно возрастает. Поэтому при эксплуатации автомобиля важно, чтобы все электрические соединения были чистыми, сухими и по возможности защищенными от воды и других внешних воздействий.
Виды источников электрического тока
Существуют следующие виды источников электрического тока:
Механические источники
В этих источниках происходит преобразование механической энергии в электрическую. Преобразование осуществляется в специальных устройствах – генераторах. Основными генераторами являются турбогенераторы, где электрическая машина приводится в действие газовым или паровым потоком, и гидрогенераторы, преобразующие энергию падающей воды в электричество. Большая часть электроэнергии на Земле производится именно механическими преобразователями.
Тепловые источники
Здесь преобразуется в электричество тепловая энергия. Возникновение электрического тока обусловлено разностью температур двух пар контактирующих металлов или полупроводников — термопар. В этом случае заряженные частицы переносятся от нагретого участка к холодному. Величина тока зависит напрямую от разности температур: чем больше эта разность, тем больше электрический ток. Термопары на основе полупроводников дают термоэдс в 1000 раз больше, чем биметаллические, поэтому из них можно изготавливать источники тока. Металлические термопары используют лишь для измерения температуры.
В настоящее время разработаны новые элементы на основе преобразования тепла, выделяющегося при естественном распаде радиоактивных изотопов. Такие элементы получили название радиоизотопный термоэлектрический генератор. В космических аппаратах хорошо себя зарекомендовал генератор, где применяется изотоп плутоний-238. Он даёт мощность 470 Вт при напряжении 30 В. Так как период полураспада этого изотопа 87,7 года, то срок службы генератора очень большой. Преобразователем тепла в электричество служит биметаллическая термопара.
Световые источники
С развитием физики полупроводников в конце ХХ века появились новые источники тока – солнечные батареи, в которых энергия света преобразуется в электрическую энергию. В них используется свойство полупроводников выдавать напряжение при воздействии на них светового потока. Особенно сильно этот эффект наблюдается у кремниевых полупроводников. Но всё-таки КПД таких элементов не превышает 15%. Солнечные батареи стали незаменимы в космической отрасли, начали применяться и в быту. Цена таких источников питания постоянно снижается, но остаётся достаточно высокой: около 100 рублей за 1 ватт мощности.
Химические источники
Все химические источники можно разбить на 3 группы:
Гальванические элементы работают на основе взаимодействия двух разных металлов, помещённых в электролит. В качестве пар металлов и электролита могут быть разные химические элементы и их соединения. От этого зависит вид и характеристики элемента.
ВАЖНО! Гальванические элементы используются только разово, т.е. после разряда их невозможно восстановить.
Существует 3 вида гальванических источников (или батареек):
Солевые, или иначе «сухие», батарейки используют пастообразный электролит из соли какого-либо металла, помещённый в цинковый стаканчик. Катодом служит графито-марганцевый стержень, расположенный в центре стаканчика. Дешёвые материалы и лёгкость изготовления таких батареек сделали их самыми дешёвыми из всех. Но по характеристикам они значительно уступают щелочным и литиевым.
В щелочных батарейках в качестве электролита используется пастообразный раствор щёлочи — гидрооксида калия. Цинковый анод заменён на порошкообразный цинк, что позволило увеличить отдаваемый элементом ток и время работы. Эти элементы служат в 1,5 раза дольше солевых.
В литиевом элементе анод сделан из лития — щелочного металла, что значительно увеличило продолжительность работы. Но одновременно увеличилась цена из-за относительной дороговизны лития. Кроме того, литиевая батарейка может иметь различное напряжение в зависимости от материала катода. Выпускают батарейки с напряжением от 1,5 В до 3,7 В.
Аккумуляторы — источники электрического тока, которые можно подвергать многим циклам заряда-разряда. Основными видами аккумуляторов являются:
Свинцово-кислотные аккумуляторы состоят из свинцовых пластин, погружённых в раствор серной кислоты. При замыкании внешней электрической цепи происходит химическая реакция, в результате которой свинец преобразуется в сульфат свинца на катоде и аноде, а также образуется вода. В процессе зарядки сульфат свинца на аноде восстанавливается до свинца, а на катоде до диоксида свинца.
Литий-ионный аккумулятор получил своё название из-за того, что в качестве носителя электричества в электролите служат ионы лития. Ионы возникают на катоде, который изготовлен из соли лития на подложке из алюминиевой фольги. Анод изготавливается из различных материалов: графита, оксидов кобальта и других соединений на подложке из медной фольги.
Напряжение в зависимости от применяемых компонентов может быть от 3 В до 4,2 В. Благодаря низкому саморазряду и большому количеству циклов заряда-разряда литий-ионные аккумуляторы приобрели большую популярность в бытовой технике.
ВАЖНО! Литий-ионные аккумуляторы очень чувствительны к перезарядке. Поэтому для их зарядки нужно использовать зарядные устройства, предназначенные только для них, которые имеют встроенные специальные схемы, предотвращающие перезаряд. Иначе может произойти разрушение аккумулятора и его возгорание.
В никель-кадмиевых аккумуляторах катод сделан из соли никеля на стальной сетке, анод из соли кадмия на стальной сетке, а электролит — смесь гидроксида лития и гидроксида калия. Номинальное напряжение такого аккумулятора — 1,37 В. Он выдерживает от 100 до 900 циклов зарядки-разрядки.
Тепловые химические элементы служат как источники резервного питания. Они дают отличные характеристики по удельной плотности тока, но имеют короткий срок службы (до 1 часа). Применяются в основном в ракетной технике, где нужны надёжность и кратковременная работа.
Источники и потребители электрической энергии. Электрические цепи
Разделы: Технология
Цель урока:
Образовательная: повторить и обобщить знания по теме.
Составные части электрической цепи
Использовать электрическую энергию возможно, лишь подключив потребитель к источнику тока. При этом к одному источнику часто подключают несколько потребителей.
Чтобы правильно соединять приборы между собой, нужно разбираться в схемах и уметь составлять электрическую цепь из используемых элементов.
Обычно сначала рисуют электрическую схему цепи на бумаге. На такой схеме указывают, как именно должны соединяться между собой всевозможные элементы, включаемые в цепь.
Затем на нарисованной схеме проверяют правильность соединений. И, только затем подключают различные потребители, соединительные провода и прочие части цепи к источнику тока.
Умение составлять электрические схемы на бумаге позволит избежать ошибок, коротких замыканий и выхода из строя различных звеньев цепи.
Из каких частей состоит простейшая электрическая цепь
Простейшая электрическая цепь содержит:
Примечание: Источник создает и поддерживает электрическое поле для длительного протекания тока.
Виды потребителей тока
Среди потребителей, используемых в быту, можно выделить:
Функции различных частей цепи
Каждый элемент электрической цепи выполняет свои специфические функции.
Источник тока снабжает энергией приемники тока – потребители.
Соединительные провода доставляют энергию от источника к потребителям.
Всевозможные кнопки, выключатели, рубильники, применяют в нужные моменты времени для подключения потребителей к источнику тока, а, так же, их отключения от источника.
Чтобы по электрической цепи циркулировал ток, эта цепь должна быть замкнутой.
Поэтому любая замкнутая цепь состоит из элементов, способных проводить электрический ток — проводников.
Если разомкнуть (разорвать) цепь в какой-либо ее части, то электрический ток перестанет по ней протекать. Разрывают цепь в нужные моменты времени с помощью всевозможных выключателей.
Как элементы электрической цепи обозначают на схемах
Для наглядности способы соединения элементов изображают графически. Такие чертежи называют принципиальными электрическими схемами (рис. 6). Чтобы не рисовать элементы в подробностях, для них придумали упрощенные обозначения.
Обозначение каждого элемента стандартизировали. Благодаря стандартам, схема цепи, составленная в какой-либо стране, может быть прочитана и воспроизведена в другой части мира.
На рисунке 7 приведены обозначения, принятые в странах СНГ и некоторых странах Европы.
Рядом с графическим символом указывают буквенные обозначения. Элементы на схемах принято обозначать латинскими буквами так:
Часто бывает так, что на схемах присутствуют элементы, обозначаемые одинаковыми графическими значками. Чтобы различать их, дополнительно вводят цифровую нумерацию (рис. 8).
Например, первую лампу обозначают HL1, вторую – HL2, и так далее.
Примечание: В Северной Америке и Японии графические обозначения некоторых элементов отличаются.
Существует еще одно, полезное для составителя схем, правило.
Элемент цепи можно передвигать по схеме вдоль соединительного проводника, если это не изменяет электрические соединения.
Благодаря такому правилу, одну и ту же схему можно нарисовать различными способами (рис. 9).
Для чего рисуют точки на схемах
Чтобы обозначить соединение элементов на схемах, используют точки. Нарисованная точка указывает на наличие контакта между токоведущими проводниками (рис. 10).
Если в каком-либо месте цепи соединяются три или более проводящих линии, их соединение обозначают точкой.
На следующем рисунке приведен пример использования точек на простых схемах, состоящих из батареек и лампочек. Рисунок 11а содержит соединение нескольких проводящих дорожек. Благодаря соединениям заряды во время протекания тока могут перемещаться из одного проводника в другой.
При построении электрических схем применяют различные способы соединения элементов, наиболее распространенные — последовательное и параллельное соединение, а так же, смешанное.
А на рисунке 11б представлено пересечение изолированных проводников. Соединений между такими проводниками нет и, ток из одного проводника во второй проводник проникать не будет.
Обязательно на схемах обозначайте точками соединения проводников. Если точку на схеме не поставить, то другие люди, читающие ваши схемы, подумают, что проводники не соединяются, а скрещиваются без соединения.
Электрическая цепь
Электрическая цепь – набор разнородных элементов, соединенных проводниками, предназначенный для протекания тока. Ассортимент составляющих широкий. Элементы выпускают линейные, нелинейные, активные, пассивные. Классификация бессильна охватить возможные случаи.
Состав электрической цепи
Электрическая цепь включает (в общем случае): источник питания, рубильник (выключатель), соединительные провода, потребителей. Обязательно сформируйте замкнутый контур. В противном случае по цепи не сможет течь ток. Электрическими не принято называть контуры заземления, зануления. Однако по сути считаются таковыми, иногда здесь течет ток. Замыкание контура при заземлении, занулении обеспечивается посредством грунта.
Источники питания. Внутренняя, внешняя электрическая цепь
Для образования упорядоченного движения носителей заряда, формирующего ток, потрудитесь создать разность потенциалов на концах участка. Достигается подключением источника питания, который в физике принято называть внутренней электрической цепью. В противовес прочим элементам, составляющим внешнюю. В источнике питания заряды движутся против направления поля. Достигается приложением сторонних сил:
Напряжение, формируемое на концах участка электрической цепи, бывает переменным, постоянным. Сообразно в технике принято контуры делить соответствующим образом. Электрическая цепь предназначена для протекания постоянного, переменного тока. Упрощенное понимание, закон изменения упорядоченного движения носителей заряда воспринимается сложным. С трудом понимаем, переменный в цепи ток или постоянный.
Помимо упорядоченного движения носители характеризуются хаотичным тепловым движением. Скорость (интенсивность) определена температурой, родом материала, некоторыми другими факторами. В образовании электрического тока вид движения участия фактически не принимает.
Род тока определен источником, характером внешней электрической цепи. Гальванический элемент дает постоянное напряжение, обмотки (трансформаторы, генераторы) – переменное. Связано с протекающими в источнике питания процессами.
Сторонние силы, обеспечивающие движения зарядов, называют электродвижущими. Численно ЭДС характеризуется работой, совершаемой генератором для перемещения единичного заряда. Измеряется вольтами. На практике для расчета цепей удобно делить источники питания двумя классами:
В действительности неизвестны, имитацию пытаются создать практики. В розетке ожидаем увидеть 230 вольт (220 вольт по старым нормативам). Причем ГОСТ 13109 однозначно устанавливает пределы отклонения параметров от нормы. В быту пользуемся источником напряжения. Параметр нормируется. Величина тока не играет значения. Напряжение подстанции круглые сутки стремятся сделать постоянным вне зависимости от текущего запроса потребителей.
В противовес источник тока поддерживает заданный закон упорядоченного движения носителей заряда. Значение напряжения роли не играет. Ярким примером подобного рода устройств выступает сварочный аппарат на базе инвертора. Каждый знает: диаметр электрода прочно связан с толщиной металла, прочими факторами. Чтобы процесс сварки шел правильно, приходится с высокой степенью постоянства поддерживать ток. Задачу решает электронный блок на основе инвертора.
Ток, напряжение бывают постоянными, переменными. Закон изменения параметра роли не играет. Неважно, подключать ли электрическую цепь к источнику постоянного, переменного напряжения. Однако важно выдержать правильный размер параметра. К примеру, действующее значение ЭДС.
Выключатель
Рубильник позволит присоединить источник питания к проводам, потребителю. Каждый (за редким исключением) пользовался настенным выключателем. При замыкании-размыкании электрической цепи возникает искра. Объясняется наличием сопротивления емкостного типа. Для предотвращения искрения цепь дополняется дросселем, рубильник сформирован контакторами специального типа. Придуманы прочие технические решения, к примеру, катушка Тесла.
Провода
В технике провода изготавливают медные, алюминиевые. Связано с низким удельным сопротивлением металлов. Цена невысока. Выделяющееся на проводниках тепло определяется двумя параметрами:
Понятно, второй параметр определяется нуждами потребителей. Поставщик стремится влиять на первый. Удельное сопротивление проводника предвидится по возможности низким. Ученых давно интересует явление сверхпроводимости. Металлы при понижении температуры теряют сопротивление. Уменьшаются потери. Среди полупроводников встречаются образцы с положительным и отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. Абсолютное значение параметра металлов на порядки ниже.
Проблема с алюминием, медью проста: при протекании электрического тока в цепи температура растет. Повышается сопротивление участка, дополнительно усугубляя ситуацию. Получается замкнутый круг. Ученые считают: затруднение допустимо исправить, заручившись помощью явления сверхпроводимости.
Металл при некоторой низкой температуре резко, рывком снижает сопротивление, достигая нуля (выше рубежа график понижается плавно со скоростью 1/273 1/град). Проблема практического применения в том, что значения, провоцирующие скачок, низкие. Например, для свинца рубеж составляет 7,2 К. Экстремально низкая отрицательная температура по шкале Цельсия.
Ученые видят решение проблемы в открытии материалов, демонстрирующих явление сверхпроводимости при комнатных температурах. Тогда большие токи удастся передавать потребителям, избежав потерь. В электрической цепи, сформированной сверхпроводниками, заряды способны циркулировать бесконечно длительное время без внешней подпитки источником.
Новое явление обнаружил Хейке Камерлинг-Оннес в 1911 году, исследуя образцы ртути, охлаждаемой до весьма низких температур. На четырех градусах Кельвина сопротивление проволоки стало нулевым, до скачка снижалось, плавно следуя прямой. Стало ясно: обнаружено новое состояние материала. Позже явление сверхпроводимости продемонстрировано на образцах других металлов. Показано: эффект разрушается помещением подопытного вещества в сильное магнитное поле. Самой высокой пороговой температурой среди металлов похвастается технеций (11,3 К).
Явление сверхпроводимости при комнатных температурах
У искусственных материалов показатели намного выше. С 1986 года ученые исследуют разнообразные керамики. Последним подтвержденным фактом считаем сведения о наличии композитных материалов на основе окислов ртути с температурой перехода в новое состояние на границе 140 К. Дальнейшие работы по очевидным соображениям засекречены.
Потребители
Под потребителем электрической цепи понимается не относящееся к элементам, перечисленным выше. Полезной нагрузкой служат обыкновенная лампочка накала, спираль нагревательного прибора, электрический двигатель. Параметры цепи очень сильно зависят именно от потребителей. Например, обмотки трансформаторов наделены сильно выраженным индуктивным сопротивлением. Негативно сказывается на передаче энергии от источника.
Не только ток меняет направление. Иногда утверждение касается мощности. Энергия начинает циркулировать туда-сюда, направляясь к источнику питания, обратно во внешнюю цепь. Реактивная мощность бессильна выполнить полезную работу, разогревает проводники цепи, искажает форму полезного сигнала. Промышленникам, ведущим учет полного потребления, рекомендуется параллельно двигателям включать компенсирующие конденсаторы. Индуктивное сопротивление компенсируется емкостным, реактивная мощность замыкается внутри потребительского сегмента, избегая выходить наружу, не выделяя лишнее тепло на кабелях сети.
Нужно отметить важное свойство индуктивных потребителей: потребляют энергию. Электрический ток становится магнитным полем, передается далее. В двигателях колебания вектора напряженности, создаваемые обмоткой, позволят совершать валу полезную работу. Чтобы показать происходящие траты энергии, схемы дополняют источниками ЭДС (тока), направление действия которых противоположно имеющему место быть во внутренней электрической цепи.
Передачи мощности через емкостную связь сегодня не изобретено. Однако приближенно считаем подобным случаем излучение радиоволны в эфир. Простейший вибратор Герца часто представляют колебательным контуром, в котором обкладки конденсатора разведены в стороны. Шаг позволит образовываться электромагнитной волне, уносимой эфиром. Что касается передачи больших мощностей, соответствующие планы строил Никола Тесла, каждый видел на фото, стилистическом изображении башню Ворденклиф, напоминающую формой подберезовик с прямой ножкой. При помощи сети сооружений предполагалось снабжать энергией путем беспроводной связи промышленность, заводы, фабрики.
В курсе электроники преимущественно рассматриваются приемные устройства. Между клеммами антенны передача волны через эфир обозначается схематично источником переменного напряжения малой мощности. Уловленная ЭДС усиливается каскадами, включающими резонансные контуры. Электроника, как никакая другая область техники, включает неимоверное разнообразие потребителей. Упрощенно делится на два класса:
Пассивными потребителями являются всевозможные сопротивления, конденсаторы, дроссели (катушки индуктивности). При помощи элементов электрическая цепь приобретает необычные качества. Резонансные контуры конденсаторов, индуктивностей используют фильтрами волн различной частоты.