Основные понятия электричества (электрики) arduino+

Основной закон электричества Ома

Основной закон электричества ► Закона Ома. Без его понятия невозможно дальнейшее изучение и понимание электронных схем и сборке устройств на Ардуино.

Электричество — совокупность явлений, обусловленных существованием, взаимодействием и движением электрических зарядов. Термин ввел английский ученный Уильям Гилберт в 1600 году. Ток возникает в результате целенаправленного движения заряженных частиц под воздействием электрического поля. Электрический ток может свободно передаваться через материалы, называемых проводниками.

Понятия: электричество, ток, напряжение

Первый материальный носитель электричества – электрон, открыл Джозеф Томсон в 1897 году. Электрон – это элементарная частица, которая имеет отрицательный заряд, благодаря электронам возможны электрические процессы в веществах. Чтобы заставить перемещаться заряженные частицы от одного полюса к другому необходимо создать между полюсами разность потенциалов или – напряжение.

Одна и та же электрическая схема, изображена в двух вариациях — рисованная и принципиальная

Электрический ток – это направленное движение заряженных частиц под действием электромагнитного поля от одного полюса замкнутой электрической цепи к другому. При отсутствии замкнутой цепи ток невозможен. Частицы, переносящие электрические заряды, есть не во всех веществах, те в которых они есть, называются проводниками и полупроводниками. А вещества, в которых таких частиц нет – диэлектриками.

Электрическое сопротивление – физическая величина, определяющая свойство проводника препятствовать (сопротивляться) прохождению тока. Единица измерения сопротивления – Ом (обозначается также греческой буквой омега Ω), в формулах сопротивление обозначается буквой R. Сопротивление зависит от материала, сечения и длины проводника. Сопротивление – это обратное понятие проводимости.

Основной закон электричества

Без знания и понимания основного закона электричества — Закона Ома, невозможно дальнейшее изучение и понимание электронных схем и устройств. Безусловно, электрический ток, напряжение и сопротивление связаны между собой. А взаимосвязь между ними описывается законом Ома. Для понимания формулы закона Ома для участка цепи, ее можно представить в виде треугольника (смотри фото ниже).

Закон Ома — главный закон электричества

Закон Ома: «Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению данного участка цепи».

Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению

На иллюстрации видно, что человечек «Вольт» (напряжение) толкает через проводник человечка «Ампера» (ток). При этом человечек «Ом» (сопротивление) стягивает проводник, мешая прохождению тока. Получается, что чем сильнее сопротивление сжимает проводник, тем тяжелее проходить току («сила тока обратно пропорциональна сопротивлению»). При этом, чем сильнее напряжение, тем больше сила тока на участке.

Последовательное и параллельное соединение

При последовательном подключении потребителей электроэнергии, например ламп накаливания или резисторов, сила тока в каждом потребителе одинаковая, а напряжение будет будет падать (снижаться) на каждом из потребителей. При последовательном соединении сопротивления всех потребителей складываются.

При последовательном соединении сопротивления складываются

Последовательное соединение резисторов используют в делителе напряжения. При параллельном подключении потребителей электроэнергии, к каждому потребителю прикладывается одинаковое напряжение, а сила тока в каждом из потребителей будет отличаться. Каждый потребляет ток в соответствии с собственным сопротивлением.

Общее сопротивление цепи, состоящей из двух потребителей

Подавляющее количество электроэнергии сегодня производится на электростанциях (атомные, тепловые, гидроэлектростанции), вырабатывающих электроэнергию с помощью генераторов и передают ее по линиям электропередач на большие расстояния. В качестве альтернативных источников энергии все больше используют возобновляемые источники — энергию солнца, ветра, приливов и отливов и т.д.

Основные понятия электричества (электрики)

Для того, чтобы начать работу с микроконтроллерами, такими как Arduino или Iskra JS нужно постепенно улучшать свои знания в такой области как электричество.

Давайте начнем основ. Я постараюсь добавить некоторые переводы определений на английский, что будет полезно в дальнейшей работе с платами.

Электричество – это некоторое движение электронов под воздействием электромагнитного поля. Под электрикой понимают энергию очень мелких заряженных частиц, которые осуществляют свое движение внутри проводников в конкретном направлении. Чтобы лучше разбираться в понятии электричества, следует рассмотреть его основные понятия.

Постоянный и переменный ток

Постоянный ток почти никогда не меняет свое направление и величину с течением времени.

А вот переменный ток — тот ток, который с некоторой периодичностью сменяет направление своего движения и величину.

Для примера, можно представить водный поток, который течет по трубе. Спустя определенное время (к примеру, 5 секунд) вода станет стремиться то в одну сторону, то в противоположную. С током это случается гораздо скорее – 50 раз за одну секунду (частота 50 Гц).

На протяжении одного периода колебания сила тока максимально увеличивается, потом проходит через ноль, а после осуществляется обратный процесс, но уже с иным знаком. Все это происходит потому, что получение и передача переменного типа тока куда проще, нежели в случае с постоянным.

Трансформатор

В свою очередь, получение и передача переменного тока сильно взаимосвязаны с таким прибором как трансформатор. Генератор, который производит переменный ток, устроен гораздо проще, нежели генератор для постоянного тока. И в целом, для передачи энергии на большие дистанции переменный ток подходит намного лучше. При его помощи тратится меньше энергии.

Пример домашнего трансформаторв

С помощью генератора переменный ток превращается с низкого напряжения на высокое и напротив. По этой причине огромное количество устройств действует от сети, где ток именно переменный. Но постоянный ток также очень широко используют — во всех типах батарей, в химической отрасли и иных сферах.

Трехфазная сеть

Трехфазная сеть — способ передачи тока, когда переменный ток проходит по трем проводам и только по одному возвращается обратно. Абсолютно любая электрическая цепь имеет два провода. По одному из них ток идет к пользователю (к примеру, ток идет к чайнику), а по иному – возвращается обратно. Если разомкнуть подобную цепь, ток попросту не станет идти.

Тот провод, по которому следует ток, зовется фазовым (часто его называют просто фазой), а тот, по которому он возвращается, — нулевым (называют нулем). Трехфазная цепь состоит из трех фазовых проводов и одного обратного. Подобное становится возможно по той причине, что фаза переменного тока в каждом из этих трех проводов сдвинута относительно соседнего на 120 °С.

Передача переменного тока осуществляется благодаря трехфазным сетям. Это крайне удобно и выгодно экономически — для этого не требуется еще два нулевых провода. Подходя к пользователю, ток разделяется на 3 фазы, и каждой из них предоставляется по нулю. Так он подается в квартиры и дома. Порой трехфазная сеть проходит прямо в дом. Чаще всего это происходит в случае с частными секторами.

Заземление

Заземление — третий провод в однофазной сети. По своей сути он не несет никакой рабочей нагрузки, а по большей части исполняет роль надежного предохранителя.

В ситуации, когда электрическая сеть внезапно выходит из-под контроля человека (к примеру, случай короткого замыкания), образуется существенная угроза возникновения пожара или удара током (а значит, и угроза для жизни). Для того чтобы это предотвратить (это обозначает, что общее значение тока не должно быть выше безопасного для людей и устройств уровня), и вводят заземление. По этому проводу излишки электрического тока в прямом смысле слова уходят в землю.

Монтаж контура заземления

Например, в работе электромотора стиральной машины произошла малая поломка, и некоторая часть электричества попадает на внешнюю металлическую часть этого устройства. Если заземление в том случае отсутствовало бы, данный заряд блуждал бы по этой стиральной машине. И когда человек дотронется до нее, он мгновенно станет удобным выходом для такого рода энергии, а значит, получит удар током.

При существовании провода заземления в данном случае лишний заряд стечет по нему, не причиняя никому вреда. Нулевой проводник также способен исполнять роль заземления и, в принципе, являться им, но лишь на электростанции.

Надо помнить, что любая ситуация, когда в доме отсутствует заземление, небезопасна.

Статическое электричество

Статическое электричество – явление, которое спровоцировано возникновением или исчезновением лишнего напряжения на поверхности или же внутри тех материалов, которые не проводят электрический ток (стекло, пластик, дерево и другие). Они называются диэлектриками, потому как в их молекулярной структуре практически нет свободных электронов.

Статическое электричество возникает по причине нарушения равновесия внутри атома или же молекулы. На их внешних орбиталях возникают лишние электроны или же, напротив, электронов становится недостаточно.

Самая известная причина нарушения подобного равновесия – обыкновенное трение. Даже наиболее гладкая на первый взгляд поверхность (например, зеркальная) обладает своими шероховатостями, микровыступами и неровностями. Трение существует всегда и в любой среде: твердой, жидкой или газообразной.

Резкое изменение температуры тоже может стать причиной электризации. Осуществляется изменение скорости движения и, значит, числа столкновений или колебаний атомов внутри молекулы. Поэтому и происходит спонтанное отделение электронов, которые способны накопиться, сотворяя статический заряд.

В быту часто можно наблюдать подобный эффект. Когда человек ходит по ковру, он является носителем отрицательного заряда, а ворсинки ковра – положительного. Если после такого хождения человек возьмет в руки ключ, накопленное напряжение тут же разрядится и даст о себе знать – человека легонько тряхнет.

Особенно заметно статическое электричество в зимнее время. В холодные сезоны очень низкая влажность, а на людях – больше одежды. Сухость вместе с большим количеством диэлектриков – очень благоприятная среда для электризации. Но опасаться в данном случае нечего – небольшие заряды статической электрики абсолютно безвредны для жизни и здоровья человека.

Электричество. Основные понятия

2013-05-13 Теория 2 комментария

В этой статье предлагаю вам вспомнить базовые понятия в электрике, без которых любая работа, связанная с электричеством становится проблематичной.

Итак, любая электрическая цепь представляет собой совокупность различных устройств, образующих путь для прохождения электрического тока. Простейшая электрическая цепь может состоять из источника энергии, нагрузки и проводников.

Проводники — вещества, проводящие электрический ток. Они обладают малым удельным сопротивлением( т.е оказывают наименьшее сопротивление прохождению тока) и способны проводить электрический ток практически без потерь. Лучшими проводниками являются золото, серебро, медь и алюминий. Наибольшее распространение, вследствии дороговизны золота и серебра, получили медь и алюминий. Медь наиболее часто встречающийся проводник, в отличии от алюминия, обладающий большей устойчивостью к окислению и физическим воздействиям: изгибу, скручеванию. Недостатком меди, по сравнению с алюминием, является более высокая стоимость.

Помимо проводников существуют также диэлектрики — вещества которые обладают большим удельным сопротивлением электрическому току (т.е являются непроводящими электрический ток). К ним относятся пластмассы, дерево, текстолит и т.д

Также надо отметить и еще один тип — полупроводники. По своему удельному сопротивлению они занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Проводимость этих материалов существенно меняется под влиянием внешних факторов. К числу полупроводников относятся многие химические элементы, но наибольшее распространение получили кремний и германий.

Источник энергии — это устройство, преобразующее механическую, химическую, тепловую и другие виды энергии в электрическую.

Нагрузка — потребитель электрической энергии, т.е любой электроприбор, который преобразовывает электрическую энергию в механическую, тепловую, химическую и т.д

Прохождение электрического тока возможно только при замкнутой цепи.

Электрическим током в электротехнике называют направленное движение заряженных частиц под действием электрического поля, создаваемого источником питания. Величина, характеризующая ток называется сила тока. Сила тока измеряется в Амперах и обозначается буквой А. Различают постоянный и переменный токи.

Постоянный ток ( DC, по-английски Direct Current) — это ток, свойства которого и направление не меняются с течением времени. Обозначается постоянный ток и напряжение в виде короткой горизонтальной черточки или двух параллельных, одна из которых штриховая.

Переменный ток (AC по-английски Alternating Current) — это ток, который изменяется по величине и направлению с течением времени. На электроприборах обозначается отрезком синусоиды «

». Основными параметрами переменного тока являются период, амплитуда и частота.

Период — промежуток времени, в течение которого ток совершает одно полное колебание.

Частота — величина, обратная периоду, число периодов в секунду, измеряется в герцах (Гц).

Ток и напряжение в нагрузке увеличиваются и уменьшаются, а разница между минимальным и максимальным их значением называется амплитудой.

Измерение тока проводится амперметром, который подключается последовательно нагрузке.

Любой проводник в цепи, в зависимости от сечения, длины, материала, оказывает сопротивление прохождению электрического тока. Свойство проводника препятствовать прохождению электрического тока называют сопротивлением. Сопротивление измеряется в Омах (Ом).

Разность потенциалов на концах источника питания называется напряжением. Напряжение измеряют в Вольтах и обозначают буквой В (V). В трехфазной электрической сети различают такие понятия, как линейное и фазное напряжения. Линейное напряжение ( или иначе межфазное) — это напряжение между двумя фазными проводами (380V). Фазное напряжение — это напряжение между нулевым проводом и одним из фазных (220V). Измеряется напряжение вольтметром, который подключается параллельно нагрузке.

Еще одним важным понятием в электротехнике является понятие мощности. Мощность источника характеризует скорость передачи или преобразования электроэнергии. Мощность измеряется в Ваттах (Вт, W).

Суммарная мощность всех подключенных потребителей равна сумме потребляемых мощностей каждым потребителем. Робщ = Р1+Р2+. Рn

Различают понятия активной и реактивной мощности. P – активная мощность (эффективная), связана с той электрической энергией, которая может быть преобразована в другие виды энергии – тепловую, световую, механическую и др., измеряется в ваттах (Вт), представляет собой полезную мощность, которую можно использовать для выполнения работы.

P = IUcosф – для однофазной цепи, P = √3IUcosф – для трехфазной цепи, P = U*I — в цепи, где есть только активное сопротивление.

Q – реактивная мощность, связана с обменом электрической энергией между источником и потребителем, измеряется в вольт-амперах реактивных (вар), когда среднее значение мощности за период равно нулю, активная мощность равна нулю, энергия накопленная магнитным полем индуктивности, возвращается назад к источнику, ток в цепи не совершает работы, реактивный ток бесполезно загружает источники энергии и провода линии передач. Источниками реактивной энергии могут являться элементы, обладающие индуктивностью — электродвигатели, трансформаторы. Для того, чтобы уменьшить реактивную мощность на зажимах потребителей подключают конденсаторы (последовательно или параллельно).

Q = IUsinф – для однофазной цепи, Q = √3IUsinф – для трехфазной цепи

Сдвиг по фазе между током и напряжением обозначается углом φ. Коэффициент мощности — это соотношение активной мощности к полной, величина cosф равная углу сдвига фаз между напряжением и током. Чем выше cos φ, тем меньше тока требуется для преобразования электроэнергии в другие виды энергии. Это приводит к уменьшению потерь электроэнергии, ее экономии.

На этом пока все, а в следующей части познакомимся с основными законами электротехники, которые необходимо знать любому человеку, связанному с электричеством.

Урок №02. Понятие электричества. Первый проект на Arduino.

На этом занятии мы знакомимся с понятием электричества, понятиями силы тока, напряжения и сопротивления, а так же с электрической цепью и ее компонентами.

  1. Понятие электричества, силы тока, напряжения и сопротивления на аналогии с водой.
  2. Знакомство с основными обозначениями схемотехники. (источник питания, земля, и так далее).
  3. Сборка первой схемы со светодиодом. (принцип работы макетной платы).
  4. Запуск готового кода.

Электричество

Со школьной скамьи каждому знакомо понятие электрического тока. Это упорядоченное движение заряженных частиц, а также их взаимодействие. Электрический ток появляется в веществе при наличии в нем свободных заряженных частиц. В различных средах ток создается по разному.

  • В газах под воздействием ионизатора ( устройства, для создания ионов и нейтрально заряженных атомов и молекул) образуются свободные электроны,которые перемещают заряд.
  • В металлах носителями зарядов являются свободные отрицательно заряженные частицы – электроны.
  • В жидкостях перенос заряда осуществляют ионы ( электрически заряженные атомы или молекулы).

Сила тока

Одной из основных характеристик электричества является – сила тока. Это скалярная, физическая величина равная отношению количества заряда, прошедшего через проводник за определенный промежуток времени, к величине этого времени.Единицы измерения силы тока в системе СИ -[I] 1 А (Ампер)

Напряжение

Напряжение – это величина, равная работе по перемещению единицы электрического заряда по проводнику из точки A в точку B. Если провести аналогию с водой, то можно представить резервуар с водой расположенный на некоторой высоте. Из резервуара выходит труба. Вода под естественным давлением покидает резервуар через трубу. Если представить, что вода – это электрический заряд, то высота водяного столба (давление) – это напряжение, а скорость потока воды – это электрический ток. Единицы измерения напряжения в системе СИ -[U] 1 В (Вольт)

Сопротивление

Сопротивление -это физическая величина, характеризующая способность проводника оказывать сопротивление (препятствовать) прохождению электрического тока. Сопротивление зависит от силы тока, ведь согласно закону Ома, чем выше сопротивление, тем ниже сила тока в проводнике.

Схемотехника

Для того чтобы заниматься робототехникой необходимо знать основы схемотехники, чтобы уметь читать и собирать свои схемы.

Определение

Схемотехника – это наука о проектировании и исследовании схем электронных устройств. Такие схемы обычно начерчены по формальным правилам, чтобы избежать путаницы. Схемы начерченные таким способом называются принципиальными схемами.

Основные правила принципиальных схем

  1. На принципиальной схеме соединение двух компонентов проводником обозначается прямой линией, соединяющей эти элементы.
  2. На каждый принципиальной схеме должен быть указан Источник питания (+) и земля (-).
  3. Каждый радиоэлемент обладает своим уникальным символом-пиктограммой.Если радиоэлементов одного рода в схеме несколько, им присваивается имя состоящее из буквы и цифры, где буква – первая буква названия радиоэлемента, а цифра – номер радиоэлемента в схеме.

Перечень основных радиоэлементов

Резистор– это элемент электрических цепей, обладающий определенным или переменным значением электрического сопротивления. Обычно резисторы обозначаются на схеме следующим образом.

Многие резисторы имеют маленькие размеры из за этого, для удобства их стали маркировать.Основными номиналами для резисторов стали 220 Ом, 1 кОм, 10 кОм.

Диод – это полупроводниковый прибор, пропускающий через себя электрический ток в одну сторону. Анод – это контакт, который подключается к положительному выводу источника питания, а катод – это контакт из которого выходит ток положительного потенциала и далее через элементы схемы попадает на отрицательный электрод источника тока. Ток пропускается только от анода к катоду.

Светодиод – это диод, который при пропуске тока, излучает свет.

Потенциометр – регулируемый делитель электрического напряжения, переменный резистор. Представляет собой, как правило, резистор с подвижным отводным контактом (движком).

Транзистор – это полупроводниковый прибор, позволяющий с помощью слабого сигнала управлять гораздо более сильным. В зависимости от типа, транзисторы обозначаются на схемах по разному.

Конденсатор – это устройство, имеющее накапливать и передавать другим электрическим устройствам цепи заряд электрического тока.

Фоторезистор – это полупроводниковый прибор, меняющий величину своего сопротивления при попадании на него света. Чем интенсивней свет, тем больше создается свободных носителей зарядов и тем меньше становится сопротивление элемента.

Термистор – это полупроводниковый прибор, меняющий величину своего сопротивления пи повышении температуры окружающей его среды.

Пьезодинамик – это электроакустическое устройство, переводящее переменное напряжение в колебание мембраны, тем самым создавая звук.

Макетная плата

Осуществлять сборку схем мы будем на беспаечных макетных платах.

Беспаечная макетная плата состоит из пластмассового основания в котором имеется набор токопроводящих пластин.

под цифрой 1-2 происходит соединение по сплошной линии,под цифрой 3 показан пример ,по какому принципу соединяется контакты,а именно столбцами ,у каждого столбца есть своя нумерация . и столбцы не соединены между собой .

под цифрой 4 происходит разрыв контактов ,между столбцами 3 и 5

Сборка первой схемы со светодиодом на макетной плате

Для того, что бы собрать схему со светодиодом нам необходимы следующие элементы электрической цепи:

Схема подключения на беспаечной макетной плате:

Источники:

http://arduinoplus.ru/osnovnie-ponyatiya-elektrichestva/

http://electric-blogger.ru/teoriya/electrichestvo.html

http://robolab.fandom.com/ru/wiki/%D0%A3%D1%80%D0%BE%D0%BA_%E2%84%9602._%D0%9F%D0%BE%D0%BD%D1%8F%D1%82%D0%B8%D0%B5_%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%B0._%D0%9F%D0%B5%D1%80%D0%B2%D1%8B%D0%B9_%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B5%D0%BA%D1%82_%D0%BD%D0%B0_Arduino.

http://employment-services.ru/vacancy/?action=read1&id=6739813

Ссылка на основную публикацию