Что такое электрическая полярность и для чего нужна замкнутая электрическая цепь?
Задумывались ли вы над тем, почему у трамваев или у электропоездов один воздушный провод, а у троллейбусов их два?
Собственно, в каждой электрической цепи постоянного тока необходимы два провода, идущих от двух полюсов источника тока.
По одному проводу электрический ток поступает в цепь, а по другому он обязательно должен вернуться обратно в источник.
У трамваев и электрических поездов в сущности тоже два провода. Но вторым из них (обратным) служат рельсы. Ток по ним возвращается на электростанцию или подстанцию.
Это вполне реальное явление. Чтобы создать непрерывный и возможно лучший проводящий путь для обратного тока и чтобы уменьшить его утечку в землю, принимаются специальные меры.
В трамвайных линиях стыки рельсов сваривают, а на электрифицированных железных дорогах в стыках между рельсами делают проводящие медные соединители. На питающих тяговых подстанциях один из полюсов соединяется с воздушными проводами, а другой — с рельсами посредством отсасывающего кабеля.
А чтобы ток по пути не растекался в землю, рельсы стараются лучше изолировать от грунта — применяют крупнозернистый балласт, устраивают водоотводы, а шпалы пропитывают веществами, не содержащими металлических солей (не проводящими электричества).
Что же касается троллейбусов, то хорошо проводящих металлических рельсов у них нет. А использовать землю в качестве обратного провода нельзя, потому что колеса вагонов изолированы от нее резиновыми шинами. Вот почему здесь приходится делать два провода и соединять с ними вагон двумя «усами» — токоприемниками.
Случается, что у троллейбуса отскочит токоприемник. Остановится ли вагон, если связь нарушится не с обоими проводами, а только с одним? И имеет ли значение, с каким именно? Конечно, не имеет — ведь ток в цепи электродвигателей прекратится в каком бы месте не разомкнулась цепь.
Своеобразно построены электрические цепи и в автомобиле. От его генератора и батареи аккумуляторов к лампам, запальным свечам и др. проведено лишь по одному проводу. Обратно к источнику ток возвращается через металлический корпус машины или, как говорят автомобилисты, через массу. Однако для этого на обоих концах — у источника и у потребляющих приборов — другой полюс должен быть хорошо присоединен к этой массе.
Военные связисты применяли однопроводные полевые телефонные линии. На обоих концах линии один из полюсов заземлялся, и вторым проводом служила земля.
Правда, потом оказалось, что при таком способе можно через землю подслушать телефонные разговоры. Для этого надо вдоль линии закопать два чувствительных электрода и во много раз усилить «пойманные» токи. Значит и здесь обратные токи, идущие через землю, — вещь совершенно реальная.
Ток всегда идет по замкнутой и непрерывной электрической цепи
Ток возникает в результате движения свободных зарядов (обычно электронов), которые находятся внутри определенного проводящего материала в электрической цепи. В замкнутой электрической цепи заряд электронов всегда движется от отрицательного полюса к положительному полюсу.
Ток всегда идет по замкнутой и непрерывной цепи проводников, обычно проводов, протянувшихся от одного полюса источника электроэнергии до другого.
Ток по проводникам распространяется с чрезвычайно большой скоростью — с такой же, как и свет: Чему равна скорость тока
Перед вами на столе светится электрическая лампочка. Откуда идет ток? Проследите весь путь его от полюса до полюса. Он подается с генераторов электростанции, находящейся, быть может, за десятки или сотни километров от вашего города — сначала по воздушной линии, потом по подземным кабелям.
От ввода в ваш дом провода с током поднялись по лестничной клетке, вошли в вашу квартиру. Проследите дальше, как от квартирного ввода ток по проводу направился вдоль коридора, ответвился в вашу комнату, прошел вдоль стены через штепсельную розетку и шнур и наконец попал в лампочку и произвел в ней свою работу.
А дальше? По другому проводу ток ушел обратно к квартирному вводу, а затем, пройдя десятки километров, вернулся на электростанцию, к другому полюсу генератора. Без этого не будет замкнутой цепи — не будет и тока.
Электрические реки
Поток электроэнергии по металлическим проводам и кабелям — это своего рода «электрические реки», русла которых умело проложены человеком. Но обратите внимание на их характерное отличие от обычных водяных рек.
На географической карте маленькие реки сливаются между собой и образуют все более широкую и полноводную реку. Мощная же «электрическая река», наоборот, подходя к местам потребления, разветвляется на все более мелкие речки и ручейки, подводящие энергию к многочисленным потребителям электроэнергии.
В большом городе поток электроэнергии растекается по его районам, улицам, домам, квартирам или по заводам, цехам и отдельным станкам и машинам.
Ценность металлических каналов электроэнергии состоит в том, что они не только передают ее на большие расстояния, но и распределяют, направляют, подводят в каждое нужное место, к тысячам и миллионам ламп, двигателям, нагревателям и т. д.
И не только это. В электротехнике строятся разнообразные и часто очень сложные электрические цепи и схемы. Прежде чем дойти до потребителей, ток испытывает сложные превращения, проходит через многочисленные приборы: выключатели, переключатели, реле, магнитные пускатели, сопротивления, электромагнитные катушки, трансформаторы, электронные приборы. Между этими элементами электрической цепи установлена определенная и часто весьма сложная электрическая связь, объединяющая их для выполнения поставленной задачи.
Эта связь между элементами электрических цепей и схем также осуществляется металлическими проводами и кабелями. Проводящие пути тока бывают очень сложными, и при построении электрических цепей и схем возникает много интересных вопросов, ответы на которые смотрите в статьях из нашего научно-популярного тематического раздела — Про электричество для чайников
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
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:
Рисунок 3 – Цвета измерительных щупов служат ориентиром для интерпретации знака (+ или -) показаний измерительного прибора
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
В соответствии со схемой на рисунке 8 (выше) обозначения полярности (которые указывают на положение измерительного щупа вольтметра) указывают, что источники складываются друг с другом. Источники напряжения складываются друг с другом, чтобы сформировать общее напряжение, поэтому мы добавляем 24 вольта к -17 вольтам, чтобы получить 7 вольт: всё еще правильный ответ.
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.
Электрическая полярность — Electrical polarity
Электрическая полярность — это термин, используемый во всех отраслях и областях, связанных с электричеством . Есть два типа полюсов: положительный (+) и отрицательный (-). Это представляет собой электрический потенциал на концах цепи . Батарея имеет положительный полюс (+ полюс) и отрицательную клемму (- полюс). Для соединения электрических устройств почти всегда требуется соблюдение правильной полярности. Правильная полярность важна для работы вакуумных ламп и полупроводниковых устройств, многих электродвигателей , электрохимических ячеек , электрических инструментов и других устройств.
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
Символы полярности используются там, где необходимо определить полярность клеммы или провода. Электрический цветовой код или другие соглашения может быть использованы. В цепях постоянного тока положительный полюс обычно обозначается красным (или «+»), а отрицательный полюс — черным (или «-»), но в автомобильных и телекоммуникационных системах иногда используются другие цветовые схемы.
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
Такие приборы, как аналоговые вольтметры, будут показывать увеличение шкалы, когда отрицательный вывод прибора подключен к отрицательному полюсу тестируемого устройства, а положительный вывод — к положительному выводу. Перевернутый аналоговый прибор покажет уменьшение шкалы, прижимая указатель к конечному упору шкалы; это может повредить чувствительный инструмент. Цифровые приборы могут указывать обратную полярность подключения знаком минус перед численным измерением. Контрольная лампа с неоновой лампой накаливания укажет полярность путем проверки свечения вокруг электродов лампы; электрод, подключенный к отрицательному полюсу цепи, будет светиться вокруг него. Неоновая лампа, подключенная к сети переменного тока, будет иметь свечение, видимое на обоих выводах.
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 электричества
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:
- приборные;
- визуальные;
- индикаторные.
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.