Как рисуется источник тока

Виды источников тока

Источники тока используют для длительного поддержания электрического поля и получения электрического тока. Все они могут иметь различные принципы работы, внешний вид, конструкцию и размеры.

Источники тока – это устройства:
— способные создавать и поддерживать электрический ток;
— в них сторонние силы совершают работу по перемещению зарядов против электрических сил;
— а механическая, внутренняя, химическая или иная энергия превращается в электрическую.

Какие виды источников тока существуют

Энергия не может возникать из ничего. Об этом говорит закон сохранения энергии. Во всех без исключения источниках, электроэнергия создается за счет других ее видов.

В зависимости от того, какая именно энергия превращается в электрическую, выделяют такие виды (рис. 1) источников:

Рассмотрим подробнее эти виды.

Механические источники

Электрофорная машина – один из механических источников тока (рис. 2), применяемых более столетия.

С помощью этого устройства механическая энергия вращающихся дисков преобразовывается в электрическую энергию. При этом, происходит разделение положительных и отрицательных зарядов.

Превращение энергии вращения (механической) в энергию электрического тока происходит в различных генераторах.

В конструкции любого из них присутствуют элементы, создающие магнитное поле в пространстве вокруг проводника.

Например, электрический генератор для велосипеда (рис. 3), включает в себя кольцевой магнит и проволочную обмотку, расположенную рядом с ним.

Во время движения велосипеда магнит, расположенный внутри, вращается. Изменяющееся магнитное поле заставляет двигаться электроны по обмотке. Если к ее выводам подключить лампочку, она загорится, так как по цепи потечет электрический ток.

Мускульной силы человека хватает, чтобы зажечь лампочку для карманного фонаря. Однако, ее недостаточно, чтобы вырабатывать больше электроэнергии. Например, чтобы нагреть утюг и одновременно с этим зажечь несколько бытовых ламп накаливания.

Поэтому, для бытовых нужд и нужд промышленности в электрическую энергию превращают энергию сгорающего топлива, а не энергию сокращения мускул.

На тепловых, атомных и гидроэлектростанциях установлены мощные генераторы. Они могут отдавать потребителям токи в тысячи Ампер. А масса некоторых достигает десятков тонн.

На таких электростанциях превращение энергии происходит в несколько этапов. Сначала энергия горящего топлива превращается во внутреннюю энергию горячей воды, а затем — в механическую и, в конечном итоге, в электрическую.

Существуют, так же, устройства, предназначенные для бытового использования. Например, небольшие генераторы, массой в несколько килограммов, оснащенные бензиновым мотором (рис. 4).

Они, так же, преобразуют внутреннюю энергию топлива в механическую энергию вращения вала двигателя, который соединяется с генератором. А затем энергия вращения с помощью генератора превращается в электрическую энергию.

Тепловые источники

К тепловым относят различные термоэлементы. Термоэлемент — это прибор в котором, тепловая энергия, получаемая от нагревателя, превращается сначала во внутреннюю энергию вещества, а затем — в электрическую энергию.

Один из таких элементов называют термопарой (рис. 5). Термопара состоит из двух различных металлических проволок, спаянных вместе. Если нагреть место их соприкосновения, то на свободных концах проволочек можно обнаружить электрическое напряжение (ссылка).

Если свободные концы термопары присоединить к потребителю тока, то под действием тепловой энергии по замкнутой цепи побегут электроны, то есть, возникнет электрический ток.

Таким образом, эта незамысловатая конструкция преобразовывает внутреннюю энергию нагреваемых металлов в электрическую энергию.

Фотоэлектрические источники

Атомы некоторых веществ под действием видимого света способны терять электроны. Например, селен, кремний, оксиды цинка, меди, висмута. На основе этих и, некоторых других веществ создают источники, генерирующие электрический ток под действием (рис. 6) света.

Эти источники используют фотоэлектрический эффект (сокращенно — фотоэффект) (ссылка). В них энергия света преобразуется в электрическую.

Существует два вида фотоэффекта – внутренний, который используется в полупроводниках (ссылка) и внешний, используемый в вакуумных фотоэлементах на основе различных металлов.

Вакуумные фотоэлементы

В вакуумном фотоэлементе свет попадает на пластинку металла и выбивает электроны с ее поверхности. Такую пластинку называют катодом.

Выбитые электроны улавливаются другим электродом. Его называют анодом и обычно выполняют в виде металлической сетки.

Оба электрода находятся в стеклянном баллоне из которого удалили воздух. Дело в том, что молекулы воздуха могли бы помешать движению электронов, вылетевших из пластинки. Чтобы этого не происходило, воздух из баллона откачивают (рис. 7).

Таким образом, под воздействием света между катодом и анодом в вакууме возникает поток заряженных частиц. Они движутся направлено от катода к аноду. Значит, в фотоэлементе под действием света возникает электрический ток. Так световая энергия переходит в электрическую.

Солнечные батареи

Еще одним источником тока, в котором ток возникает за счет световой энергии, являются, так называемые, солнечные батареи. Их изготавливают из полупроводниковых пластин (рис. 8).

Падающий свет из полупроводника электроны не выбивает. А вызывает переход электронов в такое состояние, в котором у них появляется дополнительная энергия и они могут свободно передвигаться по полупроводнику, создавая электрический ток.

Химические источники

Если опустить два кусочка различных металлов (например, железа и меди) в емкость с проводящей жидкостью, можно получить химический источник тока.

В качестве проводящей жидкости можно использовать, например, лимонный сок. Воткнув в лимон два гвоздика из различных металлов (рис. 9) и подключив к ним гальванометр, можно обнаружить, что через гальванометр потечет электрический ток.

Такую конструкцию можно считать простейшим химическим источником тока. Гвоздики в нем — это электроды, а лимонная кислота – электролит.

Примечания:

Самым первым химических источником тока был Вольтов столб.

Алессандро Вольта и его первый гальванический элемент

Дело в том, что до исследований, проведенных А. Вольта, способ получить электрический ток был известен. Однако, эксперименты с электричеством, проводимые в лабораториях другими учеными, создавали ток всего на доли секунды. Источников, способных создавать ток, длившийся хотя бы единицы секунд, не существовало.

В 1800 году Алессандро Вольта изобрел первый прибор, создававший электрический ток продолжительное время. Этот прибор в честь создателя называют Вольтовым столбом.

Ученый определил, что для получения гальванического (электрического) эффекта нужны два разных метала и проводящая жидкость.

Он длительное время потратил на эксперименты, использовал различные металлы и исследовал их свойства.

В процессе работы Вольта сделал вертикальный столбик, укладывая поочередно медные монеты и цинковые пластинки. Между металлами он укладывал кожаные кружочки, вымоченные в рассоле (рис. 10).

Так он создал первую в мире электрическую батарею. Принцип ее работы — превращение химической энергии в электрическую.

Соединяя проволокой два конца собранного столбика, он наблюдал ее нагревание и так определял действие электрического тока.

А чтобы сравнить, больше, или меньше электричества вырабатывал тот или иной столбик, Алессандро пользовался своим языком. Попросту, касался языком выводов созданного им гальванического элемента.

Такой столбик, при высоте, равной половине метра, вырабатывал напряжение, которое было довольно чувствительным.

В марте 1800 года Вольта направил письмо в Лондонское Королевское общество, в котором подробно описал результаты своей работы. А уже в июне оно было признано сенсационным среди ученых того времени.

Наполеон пригласил А. Вольта в Париж и лично присутствовал во время доклада и опыта, демонстрируемого им, а после наградил изобретателя.

Это изобретение сделало автора знаменитым. А благодаря ему в скором времени были совершены другие открытия в области физики.

Какие открытия были совершены благодаря столбу Вольта

В том же году с помощью Вольтова столба вода была разложена на водород и кислород. Это сделали Карлайл и Николсон.

А спустя три года, в 1803 году, Василий Петров создал самый большой в мире столб. Он выдавал напряжение 1700 вольт и содержал более 4000 медных и цинковых кругов. Этот столб помог получить электрическую дугу, которая применяется в электросварке металлов.

После работ Петрова в России стали применять электрические запалы для взрывчатых веществ.

А спустя еще четыре года, в 1807 году, ученым по фамилии Дэви был открыт металлический калий.

Благодаря способности Вольтова столба создавать электрический ток продолжительное время – в течение нескольких часов, началось широкое применение электричества.

По истечении этого времени, на металлах появлялся окисел, препятствующий выработке электрического тока. Нужно было разбирать конструкцию и протирать металлы, избавляя их от этого окисла. А кусочки кожи необходимо было время от времени смачивать рассолом.

Сухой гальванический элемент — батарейка

Значительно позже открытия Вольта, во второй половине 1880-х годов, инженером из Германии Карлом Гасснером был создан сухой гальванический элемент.

Сухим элемент был назван потому, что в качестве электролита в нем использовалась не жидкость, а гелеобразный состав. Такие элементы можно наклонять и даже переворачивать, не боясь пролить электролит. Поэтому, они значительно удобнее жидкостных.

Внутри элемента происходят химические превращения. Эти превращения являются экзотермическими, так как протекают с выделением энергии. Затем внутренняя энергия источника переходит в электрическую.

К примеру, в современном сухом гальваническом элементе (рис. 11), цинк реагирует с хлоридом аммония и при этом получает отрицательный электрический заряд.

Протекая, такие реакции вызывают расходование некоторых частей источника. Например, цинкового электрода.

Из-за этого, в гальванических элементах химические реакции будут необратимыми. Так как, спустя некоторое время, для нормального протекания химических превращений, не будет хватать ресурсов.

Когда скорость химических реакций замедляется, элемент перестает вырабатывать электрический ток. В таких случаях говорят, что элемент разрядился – «села батарейка».

Отработанные гальванические элементы нужно утилизировать. Это позволит использовать вновь некоторые их компоненты, а не загрязнять окружающую среду.

Мировая промышленность выпускает ассортимент стандартизированных элементов питания (рис. 12).

Например, тип АА – пальчиковая батарейка, или ААА – тонкая пальчиковая. Так же, существуют типоразмеры, обозначаемые C D и N. Они имеют ЭДС 1,5 Вольта.

Существуют другие и типы, например, «квадратная» батарейка 3R12, имеющая ЭДС 4,5 Вольт и используемая в карманных фонариках. А, так же, небольшая батарейка вида pp3 с ЭДС 9 Вольт, часто называемая «Крона» или «Корунд».

Гальванические элементы на электрических схемах обозначают специальными значками.

Аккумуляторы и их виды

Устройство аккумулятора внешне напоминает устройство гальванического элемента. Присутствует корпус, в котором находятся две пластины из разных металлов. Одна служит положительным электродом, а другая – отрицательным. Эти пластины помещены в электролит (рис. 13).

Однако, аккумуляторы, в отличие от гальванических элементов, являются многоразовыми устройствами.

Свое название они получили из-за того, что могут аккумулировать, то есть, накапливать электрическую энергию. А затем, отдавать накопленную энергию потребителям.

Химические реакции в аккумуляторах могут протекать в двух направлениях (зарядка — разрядка).

Перед использованием аккумулятор необходимо зарядить. Для этого используют специальные источники тока, которые называют зарядными устройствами. Они пропускают через аккумулятор ток зарядки.

Под воздействием этого тока в аккумуляторе протекают химические реакции, во время которых он накапливает электрические заряды. Один электрод заряжается положительно, а другой – отрицательно.

После, подключив к заряженному аккумулятору потребитель тока, можно использовать накопленную им энергию.

Называть аккумуляторы принято:
— по видам используемых жидкостей — кислотные, щелочные.
— либо по названию металлов, используемых в качестве электродов — свинцовые, железоникелевые, литиевые, и т. п.

В качестве пластин — электродов используют металлы: свинец, железо, литий, титан, кобальт, кадмий, никель, цинк, серебро, алюминий.

Существуют аккумуляторы с гелеобразным электролитом. Такие аккумуляторы можно наклонять в различные стороны, не боясь утечки электролита. Например, литий-полимерные батареи, используемые в мобильных телефонах.

Примечание: Чем больше геометрические размеры электродов источника, тем большую силу тока в полезной нагрузке он может обеспечить. Поэтому, аккумуляторы для автомобилей с ЭДС 12 и 24 Вольта, рассчитанные на большие токи нагрузки, имеют массу от 10 килограммов и большую.

Аналогия между источником тока и водяным насосом

Аналогию с потоком жидкости часто применяют по отношению к электрическому току.

Независимо от того, какой вид энергии превращается в электрическую, принцип работы источника тока чем-то напоминает работу водяного насоса. Различия в том, что источник тока перекачивает заряды, а не жидкость.

Рассмотрим замкнутый контур, состоящий из трубы и водяного насоса, который способен привести в движение воду, так, чтобы она начала циркулировать по трубе (рис. 14а).

Частицы воды будут двигаться и, ток воды будет циркулировать за счет разности давлений, которую будет создавать и поддерживать насос.

На рисунке 14 кружком с треугольником обозначен насос. Направление движения воды отмечено стрелкой. По левую сторону от насоса давление обозначено \(\large P_<1>\), по правую сторону — \(\large P_<2>\) (рис. 14а).

С помощью неравенства

отмечено, что давление слева от насоса будет больше давления справа.

Подобно движению частиц воды, заряды придут в движение и электрический ток будет циркулировать по замкнутой цепи за счет разности потенциалов, которую будет создавать включенная в эту цепь батарейка (рис. 14б) — источник тока.

Сила, перемещающая заряды во внешней цепи, появляется благодаря тому, что источник тока создает разность потенциалов на своих выводах и электрическое поле.

Слева и справа от источника отмечены потенциалы \(\large \varphi_<1>\) и \(\large \varphi_<2>\). При чем, потенциал слева от источника больше потенциала справа.

Это отмечено неравенством

\[\large \varphi_ <1>> \varphi_<2>\]

Обратите внимание: источник тока (сторонние силы) заставляет двигаться электроны – отрицательно заряженные частицы, от точки с меньшим потенциалом, в точку с потенциалом большим, а электрический ток направлен в противоположную сторону — от «+» к «-».

Разность потенциалов так же называют электрическим напряжением.

\[\large \Delta \varphi = \varphi_ <2>— \varphi_ <1>= U \]

\(\large \varphi \left( B \right) \) – потенциал, измеряется в Вольтах;

\(\large U \left( B \right) \) – напряжение, измеряется в Вольтах;

Источник

Условные обозначения в различных электрических схемах

Чтение электрических схем необходимый навык для представления работы электрических сетей, узлов, а также различного оборудования. Ни один специалист не приступит к монтажу оборудования, до ознакомления с нормативными сопровождающими документами.

Принципиальные электрические схемы позволяют разработчику донести полный доклад об изделии в сжатом виде до пользователя, используя условно графические обозначения (УГО). Чтобы избежать путаницы и брака при сборке по чертежам, буквенно-графические обозначения занесены в единую систему конструкторской документации (ЕСКД). Все принципиальные схемы разрабатываются, и применяются в полном соответствии с ГОСТами (21.614, 2.722-68, 2.763-68, 2.729-68, 2.755-87). В ГОСТе описываются элементы, приводится расшифровка значений.

Чтение чертежей

Принципиальная электрическая схема показывает все элементы, детали и сети, входящие в состав чертежа, электрические и механические связи. Раскрывает полную функциональность системы. Всем элементам любой электрической схемы соответствуют обозначения, позиционированные в ГОСТе.

К чертежу прилагается перечень документов, в котором прописываются все элементы, их параметры. Компоненты указываются в алфавитном порядке, с учетом цифровой сортировки. Перечень документов (спецификация) указывается на самом чертеже, либо выносится отдельными листами.

Порядок изучения чертежей

Как читать электрические схемы правильно и понимать представленную на чертеже информацию? Достаточно уметь ориентироваться в условно-графических обозначениях ГОСТа, это основа каждого разработанного проекта.

Сначала определяют тип чертежа. Согласно по ГОСТ 2.702-75, каждому графическому документу соответствует индивидуальный код. Все электрические чертежи имеют буквенное обозначение «Э» и соответствующее цифровое значение от 0 до 7. Электрической принципиальной схеме соответствует код «Э3».

Чтение принципиальной схемы:

Зная последовательность действий, буквенно-графические обозначения, можно прочитать любую электрическую схему.

Графические обозначения

Принципиальная схема имеет две разновидности — однолинейная и полная. На однолинейной чертят только силовой провод со всеми элементами, если основная сеть не отличается индивидуальными дополнениями от стандартно принятой. Нанесенные на линию провода две или три косые черты, обозначают однофазную или трехфазную сеть, соответственно. На полной чертят всю сеть и проставляют общепринятые условные обозначения в электрических схемах.

Однолинейная электрическая принципиальная схема, однофазная сеть

Виды и значение линий

Сетевые соединительные линии показывают полностью, но согласно стандартам, их допускается обрывать, если они являются помехой для нормального понимания схемы. Обрыв обозначают стрелками, рядом указывают основные параметры и характеристики электрических цепей.

Жирная точка на линиях указывает на соединение, спайку проводов.

Электромеханические составляющие

Схематическое изображение электромеханических звеньев и контактов

А — УГО катушки электромеханического элемента (магнитный пускатель, реле)

С — катушка прибора с механической блокировкой

D — контакты замыкающие (1), размыкающие (2), переключающие (3)

F — обозначение выключателя (рубильника)на электрической схеме УГО некоторых измерительных приборов. Полный список этих элементов приведен в ГОСТе 2.729 68 и 2.730 73.

Элементы электрических цепей, приборы

УГО реле времени, кнопки, выключатели, концевые выключатели, часто используют при разработке схем электропривода.

Схематическое изображение плавкого предохранителя. При чтении электрической схемы следует внимательно учитывать все линии и параметры чертежа, чтобы не спутать назначение элемента. Например, предохранитель и резистор имеют незначительные отличия. На схемах силовая линия изображается проходящей через предохранитель, резистор чертится без внутренних элементов.

Изображение автоматического выключателя на полной схеме

Контактный коммутационный аппарат. Служит автоматической защитой электрической сети от аварий, короткого замыкания. Приводится в действие механическим, либо электрическим способом.

Автоматический выключатель на однолинейной схеме

Трансформатор представляет собой стальной сердечник с двумя обмотками. Бывает одно и трехфазный, повышающий и понижающий. Также подразделяется на сухой и масляный, в зависимости от способа охлаждения. Мощность варьируется от 0.1 МВА до 630 МВА (в России).

Обозначение трансформаторов тока на полной (а) и однолинейной (в) схеме

Графическое обозначение электрических машин (ЭМ)

Электрические моторы, зависит от вида, способны не только потреблять энергию. При разработке промышленных систем, используют моторы, которые при отсутствии нагрузки генерируют энергию в сеть, тем самым сокращая затраты.

А — Трехфазные электродвигатели:

1 — Асинхронный с короткозамкнутым ротором

2 — Асинхронный с короткозамкнутым ротором, двухскоростной

3 — Асинхронный с фазным ротором

4 — Синхронные электродвигатели; генераторы.

В — Коллекторные электродвигатели постоянного тока:

1 — с возбуждением обмотки от постоянного магнита

2 — Электрическая машина с катушкой возбуждения

В связке с электромоторами, на схемах показаны магнитные пускатели, устройства мягкого пуска, частотный преобразователь. Эти устройства служат для запуска электрических моторов, бесперебойной работы системы. Последние два элемента уберегают сеть от «просадки» напряжения в сети.

УГО магнитного пускателя на схеме

Переключатели выполняют функцию коммутационного оборудования. Отключают и включают в работу определенные участки сети, по мере необходимости.

Графические обозначения в электрических схемах механических переключателей

Условные графические обозначения розеток и выключателей в электрических схемах. Включают в разработанные чертежи электрификации домов, квартир, производств.

Звонок на электрической схеме по стандартам УГО с обозначенным размером

Размеры УГО в электрических схемах

На схемах наносят параметры элементов, включенных в чертеж. Прописывается полная информация об элементе, емкость, если это конденсатор, номинальное напряжение, сопротивление для резистора. Делается это для удобства, чтобы при монтаже не допустить ошибку, не тратить время на вычисление и подборку составляющих устройства.

Иногда номинальные данные не указывают, в этом случае параметры элемента не имеют значения, можно выбрать и установить звено с минимальным значением.

Принятые размеры УГО прописаны в ГОСТах стандарта ЕСКД.

Размеры в ЕСКД

Размеры графических и буквенных изображений на чертеже, толщина линий не должны отличаться, но допустимо их пропорционально изменять в чертеже. Если в условных обозначениях на различных электрических схемах ГОСТ, присутствуют элементы, не имеющие информации о размерах, то эти составляющие выполняют в размерах, соответствующих стандартному изображению УГО всей схемы.

УГО элементов, входящих в состав основного изделия (устройства) допускается чертить меньшим размером в сравнении с другими элементами.

Буквенные обозначения

Наряду с УГО для более точного определения названия и назначения элементов, на схемы наносят буквенное обозначение. Это обозначение используют для ссылок в текстовых документах и для нанесения на объект. С помощью буквенного обозначения определяют название элемента, если этого не понятно из чертежа, технические параметры, количество.

Дополнительно с буквенным обозначением указывается одна или несколько цифр, обычно они поясняют параметры. Дополнительный буквенный код, указывающий номинал, модель, дополнительные данные прописывается в сопутствующих документах, либо выносится в таблицу на чертеже.

Чтобы научиться читать электрические схемы не обязательно знать наизусть все буквенные обозначения, графические изображения различных элементов, достаточно ориентироваться в соответствующих ГОСТах ЕСКД. Стандарт включает в себя 64 документа ГОСТ, которые раскрывают основные положения, правила, требования и обозначения.

Основные обозначения, применяемые на схемах согласно стандарту ЕСКД, приведены в Таблице 1 и 2.

Первая буква кода (обязательная)

Группа видов элементовПримеры видов элементовAУстройстваУсилители, приборы телеуправления, лазеры, мазерыBПреобразователи неэлектрических величин в электрические (кроме генераторов и источников питания) или наоборот аналоговые или многоразрядные преобразователи или датчики для указания или измеренияГромкоговорители, микрофоны, термоэлектрические чувствительные элементы, детекторы ионизирующих излучений, звукосниматели, сельсиныCКонденсаторыDСхемы интегральные, микросборкиСхемы интегральные аналоговые цифровые, логические элементы, устройства памяти, устройства задержкиEЭлементы разныеОсветительные устройства, нагревательные приборыFРазрядники, предохранители, устройства защитныеДискретные элементы защиты потоку и напряжению, плавкие предохранители, разрядникиGГенераторы, источники питания, кварцевые осцилляторыБатареи, аккумуляторы, электрохимические и электротермические источникиHУстройства индикационные и сигнальныеПриборы звуковой и световой сигнализации, индикаторыKРеле, контакторы, пускателиРеле токовые и напряжения, реле электротепловые, реле времени, контакторы, магнитные пускателиLКатушки индуктивности, дросселиДроссели люминесцентного освещенияMДвигателиДвигатели постоянного и переменного токаPПриборы, измерительное оборудованиеПоказывающие, регистрирующие и измерительные приборы, счетчики, часыQВыключатели и разъединители в силовых цепяхРазъединители, короткозамыкатели, автоматические выключатели (силовые)RРезисторыПеременные резисторы, потенциометры, варисторы, терморезисторыSУстройства коммутационные в цепях управления, сигнализации и измерительныхВыключатели, переключатели, выключатели, срабатывающие от различных воздействийTТрансформаторы, автотрансформаторыТрансформаторы тока и напряжения, стабилизаторыUПреобразователи электрических величин в электрические, устройства связиМодуляторы, демодуляторы, дискриминаторы, инверторы, преобразователи частоты, выпрямителиVПриборы электровакуумные, полупроводниковыеЭлектронные лампы, диоды, транзисторы, тиристоры, стабилитроныWЛинии и элементы сверхвысокой частоты, антенныВолноводы, диполи, антенныXСоединения контактныеШтыри, гнезда, разборные соединения, токосъемникиYУстройства механические с электромагнитным приводомЭлектромагнитные муфты, тормоза, патроныZУстройства оконечные, фильтры, ограничителиЛинии моделирования, кварцевые фильтры

Основные двухбуквенные обозначения приведены в Таблице 2