Как определить напряжение: Электрическое напряжение: определение, формула, вольтметр

Содержание

Электрическое напряжение: определение, формула, вольтметр

 

Электрический ток – это проходящие через проводник электроны, несущие отрицательный заряд. Объем этого заряда или, иными словами, количество электричества характеризует силу тока. Мы знаем, что сила тока одинакова во всех местах цепи.

Электроны не могут исчезать или «спрыгивать» с проводов и нагрузки. Поэтому, силу тока мы можем измерить в любом месте электрической цепи. Однако, будет ли одинаковым действие тока на разные участки этой цепи? Давайте разберемся.

Проходя по проводам, ток лишь слегка их нагревает, однако не совершает при этом большой работы. Проходя же через спираль электрической лампочки, ток не просто сильно нагревает ее, он нагревает ее до такой степени, что она, раскаляясь, начинает светиться. То есть в данном случае ток совершает механическую работу, и довольно приличную работу. Ток тратит свою энергию. Электроны в том же количестве продолжают бежать дальше, но энергии у них уже поменьше.

Определение электрического напряжения

То есть электрическое поле должно было «протащить» электроны через нагрузку, и энергия, которая при этом израсходовалась, характеризуется величиной, называемой электрическим напряжением. Эта же энергия потратилась на какое-то изменение состояния вещества нагрузки. Энергия, как мы знаем, не пропадает в никуда и не появляется из ниоткуда. Об этом гласит Закон сохранения энергии. То есть, если ток потратил энергию на прохождение через нагрузку, эту энергию приобрела нагрузка и, например, нагрелась.

То есть, приходим к определению: напряжение электрического тока – это величина, показывающая, какую работу совершило поле при перемещении заряда от одной точки до другой. Напряжение в разных участках цепи будет различным. Напряжение на участке пустого провода будет совсем небольшим, а напряжение на участке с какой-либо нагрузкой будет гораздо большим, и зависеть величина напряжения будет от величины работы, произведенной током. Измеряют напряжение в вольтах (1 В). Для определения напряжения существует формула: 

U=A/q,

где U - напряжение,
A – работа, совершенная током по перемещению заряда q на некий участок цепи.

Напряжение на полюсах источника тока

Что касается напряжения на участке цепи – все понятно. А что же тогда означает напряжение на полюсах источника тока? В данном случае это напряжение означает потенциальную величину энергии, которую может источник придать току. Это как давление воды в трубах. Эта величина энергии, которая будет израсходована, если к источнику подключить некую нагрузку. Поэтому, чем большее напряжение у источника тока, тем большую работу может совершить ток.

Вольтметр

Для измерения напряжения существует прибор, называемый вольтметром. В отличие от амперметра, он подключается не произвольно в любом месте цепи, а параллельно нагрузке, до нее и после. В таком случае вольтметр показывает величину напряжения, приложенного к нагрузке. Для измерения напряжения на полюсах источника тока, вольтметр подключают непосредственно к полюсам прибора.

Нужна помощь в учебе?



Предыдущая тема: Сила тока: природа, формула, измерение амперметром
Следующая тема:&nbsp&nbsp&nbspСопротивление тока: притяжение ядер, проводники и непроводники

чему равно напряжение, как найти сопротивление нагрузки

В наши дни электричество играет в жизни человека очень большую роль, в следствие чего базовые знания в области физики и электротехники нужны практически каждому. Напряжение является одной из главных физических величин, которая позволяет объяснить теорию возникновения электрического поля и методы подбора оптимального сечения кабеля для применения его в повседневной жизни.

Что такое напряжение в сети электричества.

Напряжение – это физическая величина, которая характеризует электрическое поле. Иными словами, оно показывает, какую работу оно совершает при перемещении одного положительного заряда на определённое расстояние.

Показатель напряжения на вольтметре

За единицу напряжения в международной системе принимается такой показатель на концах проводника, при котором заряд в 1 Кл совершает работу в 1 Дж для перемещения его по этому проводнику. Общепринятой единицей измерения напряжения считается 1 В – Вольт.

Важно! Работа измеряется в Джоулях, заряды в Кулонах, а напряжение в Вольтах, следовательно, 1 Вольт равняется 1 Джоулю, деленному на 1 Кулон.

Чему равно напряжение.

Напряжение напрямую связано с работой тока, зарядом и сопротивлением. Чтобы измерить напряжение непосредственно в электрической цепи, к ней нужно подключить вольтметр. Он присоединяется к цепи параллельно, в отличие от амперметра, который подключается последовательно. Зажимы измерительного прибора крепятся к тем точкам, между которыми нужно вычислить напряжение. Чтобы он правильно показал значение, нужно включить цепь. На схемах вольтметр обозначается буквой V, обведенной в кружок.

Изображение вольтметра и электрической цепи

Напряжение обозначается латинской [U], а измеряется в [В]. Оно равно работе, которое совершает поле при перемещении единичного заряда. Формула напряжения тока – это U = A/q, где A – работа тока, q – заряд, а U – само напряжение.

Обратите внимание! В отличие от магнитного поля, где заряды неподвижны, в электрическом поле они находятся в постоянном движении.

Электрическое поле

Формула закона Ома

Свои опыты Ом направлял на изучение такой физической величины, как сопротивление, в результате чего в 1826 году он стал автором закона, который не потерял совей актуальность вплоть до сегодняшнего дня. Из своих опытов Ом вывел, что в различных цепях сила тока может возрастать с различной скоростью, и происходит это по мере увеличения напряжения.

Также, Ом сделал вывод, что каждый проводник обладает индивидуальными свойствами проводимости.

Сопротивление обозначается заглавной латинской [R] и измеряется в Омах. Сопротивление – физическая величина, характеризующая свойства проводника оказывать влияние на идущий по нему ток. Оно прямо пропорционально напряжению  в сети и обратно пропорционально  силе тока. В виде формулы данный закон можно записать как R = U/I, где U – напряжение, а I – сила тока. 1 Ом равняется 1 Вольту, деленному на 1 Ампер.

Запомните! Реостат – прибор, обеспечивающий возможность изменять сопротивление. Прежде всего, он влияет на показатель R в цепи, а, следовательно, на 2 другие величины, описанные в законе Ома. Силу тока может помочь определить амперметр.

Ползунковый реостат

Из формулы закона Ома можно вывести практически любую зависимость, связанную с электричеством. Также, существует понятие удельного сопротивления проводника – физической величины, которая демонстрирует, каким сопротивлением будет обладать проводник из определенного вещества. Обозначается эта величина буквой ρ и через неё можно также найти сопротивление в цепи как произведению удельного сопротивления и длины проводника, деленного на площадь его поперечного сечения.

Важно! В виде формулы нахождение сопротивления через удельное сопротивление выглядит так: R = ρ*(l/S), где l – длина проводника, а S – площадь поперечного сечения.

Физический смысл удельного сопротивления показывает, какое влияние будет оказывать проводник длиной в 1 м с площадью поперечного сечения в 1 квадратный мм, изготовленный из определенного вещества. Измеряется в Омах, умноженных на метр: [ρ] = [Ом*м].

Ом и формула

Как найти сопротивление нагрузки

Сопротивление нагрузки обозначается латинскими буквами Rn или Rн. По сути, это является тем же сопротивлением участка цепи и вычисляется также по формулам закона Ома. Нагрузка обозначается символами, которые на электрической схеме изображаются в виде крестиков в кружке – лампочкой; то есть двигатель, лампа, конкретный прибор и т. д.

Каждая нагрузка имеет своё собственное сопротивление. Например, если к сети подключена одна лампочка, то сопротивление нагрузки – показатель этого единственного прибора в цепи. Если к цепи подключено несколько нагрузок, то сопротивление считается суммарно для каждой из них.

Сопротивление нагрузки вычисляется в соответствии с законом Ома, то есть Rn = U/I. Если к сети подключено несколько нагрузок, то оно будет рассчитываться следующим образом: сначала находится сопротивление каждой отдельной «лампочки». Далее Rn вычисляется в зависимости от того, какой тип подключения в цепи: последовательное или параллельное. При параллельном 1/R = 1/R1 + 1/R2 + 1/Rn, где n –количество подключенных приборов. Если же соединение последовательное, общее R равно сумме всех R цепи.

Последовательное/параллельное соединения

Как найти с помощью формулы напряжение

Людей, интересующихся электричеством и физикой, всегда волнует вопрос, как найти напряжения, если известны другие характеристики. Его можно найти через многие формулы: в соответствии с законом Ома, через работу тока, путём сложения всех напряжений в электрической цепи и практическим способом – с помощью вольтметра. Как вычислить показатель с помощью последнего способа было описано выше.

Важно! В цепях с последовательным соединением общее напряжение – сумма значений каждой нагрузки. При параллельном соединении общее напряжение равно значению каждой лампочки, у которых оно также эквивалентно.

Измерение напряжения

По каким формулам вычисляется напряжение через работу и сама сила тока, рассказывают на уроках физики, так как эти величины считаются базовыми. Работа тока равна произведению напряжения и заряда: A = U*q. Также, из этой формулы выводится A = U*I*t, так как заряд – произведение силы тока и времени. Из них следует, что U = A/q или U = A/(I*t). Кроме того, одной из основных является формула напряжения, выведенная из закона Ома: U = R/I.

Важно! Определить напряжение можно и через мощность электрического тока. Мощность [P] равна A/t, и, так как A = U*I*t, конечная формула выглядит, как P = (U*I*t)/t. Здесь t сократится, и останется P = U*I, из которой следует, что U = P/I.

Как найти силу тока через сопротивление и напряжение

Сила тока обозначается латинскими [I] или [Y], и она зависит от количества заряда, перенесенного от одного полюса к другому за определенный промежуток времени, т.е. I = q/t. Измеряется сила тока в амперах, а узнать её значение в цепи можно при помощи амперметра.

Мужчина считает силу тока

Существуют формулы определения силы тока через напряжение и сопротивление. В первом случае произведение силы тока на время равняется работе, деленной на напряжение: I*t = A/U, во втором – по закону Ома, I = U/R. Через мощность сила будет равняться P/U.

При последовательном соединении, сила тока одинакова на всех участках цепи, следовательно, равна общему значению в цепи. В противоположном случае сила электрического тока равняется сумме силы тока всех нагрузок.

Таким образом, существует огромное множество формул для нахождения силы тока, напряжения и сопротивления. Они всегда могут пригодиться для теории, а на практике всегда помогут специальные приборы – амперметр и вольтметр.

Формула напряжения тока. Найти электрическое напряжение, разность потенциалов.

Как известно у электрического напряжения должна быть своя мера, которая изначально соответствует той величине, что рассчитана для питания того или иного электротехнического устройства. Превышение или снижение величины этого напряжения питания негативно влияет на электрическую технику, вплоть до полного выхода ее из строя. А что такое напряжение? Это разность электрических потенциалов. То есть, если для простоты понимания его сравнить с водой, то это примерно будет соответствовать давлению. По научному электрическое напряжение — это физическая величина, показывающая, какую работу совершает на данном участке ток при перемещении по этому участку единичного заряда.

Наиболее распространенной формулой напряжения тока является та, в которой имеются три основные электрические величины, а именно это само напряжение, ток и сопротивление. Ну, а формула эта известна под названием закона Ома (нахождение электрического напряжения, разности потенциалов).

Звучит эта формула следующим образом — электрическое напряжение равно произведению силы тока на сопротивление. Напомню, в электротехнике для различных физических величин существуют свои единицы измерения. Единицей измерения напряжения является «Вольт» (в честь ученого Алессандро Вольта, который открыл это явление). Единица измерения силы тока — «Ампер», и сопротивления — «Ом». В итоге мы имеем — электрическое напряжение в 1 вольт будет равно 1 ампер умноженный на 1 ом.

Помимо этого второй наиболее используемой формулой напряжения тока является та, в которой это самое напряжение можно найти зная электрическую мощность и силу тока.

Звучит эта формула следующим образом — электрическое напряжение равно отношению мощности к силе тока (чтобы найти напряжение нужно мощность разделить на ток). Сама же мощность находится путем перемножения тока на напряжение. Ну, и чтобы найти силу тока нужно мощность разделить на напряжение. Все предельно просто. Единицей измерения электрической мощности является «Ватт». Следовательно 1 вольт будет равен 1 ватт деленный на 1 ампер.

Ну, а теперь приведу более научную формулу электрического напряжения, которая содержит в себе «работу» и «заряды».

В этой формуле показывается отношение совершаемой работы по перемещению электрического заряда. На практике же данная формула вам вряд ли понадобится. Наиболее встречаемой будет та, которая содержит в себе ток, сопротивление и мощность (то есть первые две формулы). Но, хочу предупредить, что она будет верна лишь для случая применения активных сопротивлений. То есть, когда расчеты производятся для электрической цепи, у которой имеется сопротивления в виде обычных резисторов, нагревателей (со спиралью нихрома), лампочек накаливания и так далее, то приведенная формула будет работать. В случае использования реактивного сопротивления (наличии в цепи индуктивности или емкости) нужна будет другая формула напряжения тока, которая учитывает также частоту напряжения, индуктивность, емкость.

P.S. Формула закона Ома является фундаментальной, и именно по ней всегда можно найти одну неизвестную величину из двух известных (ток, напряжение, сопротивление). На практике закон ома будет применяться очень часто, так что его просто необходимо знать наизусть каждому электрику и электронику.

основные понятия, нахождение через силу тока и сопротивление

При проектировании схем различных устройств радиолюбителю необходимо производить точные расчеты c помощью измерительных приборов и формул. В электротехнике используются формулы для вычислений величин электричества (формулы напряжения, сопротивления, силы тока и так далее).

Общие сведения об электрическом токе

Электрическим током является процесс движения заряженных частиц (свободных электронов), имеющий вектор направленности. Частицы перемещаются под действием напряженности электрического поля, имеющей векторное направление. Это поле совершает работу по перемещению этих частиц. Влияют на работу электрического поля сила тока, напряжение и сопротивление.

Физический смысл

Под физическим смыслом понимается работа тока на участке, соотносящаяся с величиной заряда. Положительный заряд перемещается из одной точки, обладающей одним потенциалом, в другую, причем потенциал в этой точке отличается от предыдущего. В результате этого и возникает разность потенциалов, именуемая напряжением или ЭДС (электродвижущей силой).

Для полного понимания этого физического процесса и выяснения физического смысла напряжения необходимо провести аналогию с трубой. Допустим, труба наполнена водой и к ней прикручен кран для слива воды. Эта труба также оборудована краном для заливания воды с помощью мощного насоса.

Для демонстрации аналогии нужно открыть кран полностью, вода начнет выливаться и можно сделать вывод о незначительном давлении. Во втором случае спускной кран открыт не полностью и происходит набор воды при помощи насоса. В трубе создается давление и напор усиливается. Насос, создающий давление, и является в этом примере напряженностью электрического поля.

Электричество, если его не контролировать и не знать о пагубном влиянии на организм человека, способно создать множество проблем начиная от сгорания приборов и пожаров, и заканчивая угрозой жизни и здоровью человека. Техника безопасности очень важна в любой сфере.

Пагубное влияние на человека

Электричество очень опасно и является причиной несчастных случаев. Радиолюбители подвержены риску поражения электрическим током довольно часто. Некоторые радиолюбители пробуют наличие напряжения пальцами и пренебрегают техникой безопасности. Большинство из них считает опасным для жизни напряжение от 500 В, а 110 и 220 — не наносящими вреда здоровью. Удары от маломощных источников тока (маломощный силовой трансформатор, конденсатор), по их мнению, являются неопасными.

Согласно технике безопасности при работах с электричеством, они ошибаются, но есть и другая сторона этого вопроса: организм каждого человека индивидуален, обладает разными параметрами. Из этого утверждения следует, что смертельные характеристики электричества (напряжение и ток) индивидуальны для каждого человека. Одних может ударить 36 В, а других не пробивает и 220 В.

Действие электричества на организм человека зависит от нескольких факторов: силы и частоты, времени и пути прохождения через организм, сопротивления организма или участка тела, по которому протекает ток.

Исследованиями ученых установлено, что величина смертельного тока, поражающего сердце, составляет более 100 мА. Токи от 50 мА до 100 мА вызывают потерю сознания при кратковременном касании к поверхности, которая проводит ток. Токи до 50 мА могут стать причиной травм, например, падения с лестницы, выпускания из рук токоведущего проводника и т. д.

Влияние на фактор поражения еще оказывает и сопротивление тела человека. Сопротивление для каждого индивида определить сложно и диапазон его составляет от 30 кОм до 200 кОм. Эта величина зависит от множества факторов: толщины кожи, влажности тела и окружающей среды, усталости, нервно-эмоционального состояния, болезни и других факторов. Сопротивление резко уменьшается при повышенной влажности воздуха и работе на влажных участках.

Формула расчета напряжения, опасного для жизни, предполагая, что Rч = 2кОм и I = 60 мА, выглядит так: U = I * R = 0,06 * 2000 = 120 В. В этой ситуации опасным напряжением можно считать 120 В и выше.

Частота тока является еще одной опасной характеристикой, обладающей поражающим действием. При увеличении частоты опасность уменьшается прямо пропорционально. Ток оказывает и тепловое действие, поэтому считать высокочастотные токи безопасными нельзя.

Травмы, происходящие из-за электричества, называются электротравмами. Каждая из них несет в себе меньшую или большую опасность. Наиболее опасными являются травмы, полученные от электрической дуги, которая обладает высокой температурой от 5 тыс. до 12 тыс. градусов по Цельсию. Виды электрических травм:

  1. Электрические ожоги происходят при тепловом воздействии на ткани организма человека, по которым течет ток.
  2. Обожженные участки на коже возникают при прямом контакте ее с токоведущей частью проводника. Пораженный участок приобретает серый или бледно-серый цвет.
  3. Металлизация кожи — пропитывание кожи частицами металла при коротком замыкании или сварке.
  4. Механические повреждения — самопроизвольная судорога мышц, приводящая к падению. При падении происходят переломы, ушибы вывихи суставов и т. д.
  5. Электроофтальмия — воспаление слизистой оболочки глаз при воздействии излучения электрической дуги.

Существует еще один вид поражения — электрический удар. Этот вид поражения можно условно разделить на 5 групп: без потери сознания; с потерей сознания, связанной с нарушением сердечной деятельности или без нее; клиническая смерть и электрический шок.

Единицы измерения

Работа электрического поля по перемещению заряда измеряется в Дж (Джоуль), заряд в Кл (кулон). Вот, как обозначается напряжение или его единица измерения: отношение этих величин (работа по перемещению в Дж к электрическому заряду в Кл) и является разностью потенциалов, измеряется в вольтах (В) и обозначается U. Разность потенциалов бывает:

  1. Переменной (амплитуда и полярность изменяются с течением времени, в зависимости от характерной частоты).
  2. Постоянной (имеет постоянное значение амплитуды и полярность есть величина постоянная).

А также у единиц измерения есть приставки, например, кВ (Киловольт = 1000В) и МВ (мегавольт = 1000000В). Существуют о совсем низкие значения, например, мВ (милливольт = 0,001В).

Цепи переменного и постоянного тока

В цепях постоянного и переменного тока U обладает различными свойствами и производит иные влияния на проводники. Для постоянного напряжения существуют законы по вычислению его характеристик, но для переменного способы вычисления показателей заметно отличаются. Разберем более подробно все различия и сходства.

Расчет и анализ цепей выполняется при помощи закона Ома: сила тока полной цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сумме сопротивлений цепи и источника питания.

Следствие из закона при условии пренебрежения внутренним сопротивлением источника электричества: сила тока участка цепи прямо пропорциональна ЭДС и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка.

Запись закона Ома, из которого следует формула напряжения, тока и сопротивления: I = U / (Rц + Rвн), где I — сила тока, U — ЭДС, Rц — сопротивление цепи, Rвн — внутреннее сопротивление источника питания.

Формула силы тока через сопротивление и напряжение: I = U / Rц.

Формула напряжения электрического тока: U = I * Rц.

Для расчета мощности необходимо U умножить на I: P = U * I = U * U / R, где P — мощность.

Переменное однофазное напряжение

В цепях для переменного тока происходят совершенно другие явления и процессы, для них справедливы другие законы. Различают такие основные виды:

  1. Мгновенное (разность потенциалов в конкретный промежуток времени: u = u (t)).
  2. Амплитудное значение (максимальное значение мгновенного U в момент времени: u (t) = Uм * sin (wt + f), где w — угловая частота, t — конкретный момент времени и f — угол начальной фазы напряжения).
  3. Среднее значение (для синусоиды равно нулю).
  4. Среднеквадратичное — Uq (U за весь период колебаний и для синусоиды имеет вид: Uq = 0,707 * Uм).
  5. Средневыпрямленное — Uv (среднее значение модуля U: Um примерно равно 0,9 * Uq).

В цепях 3-фазного тока различают 2 вида напряжений: линейное (фаза-фаза) и фазное (фаза-ноль). При соединении в цепь «треугольником» фазное и линейное U равны. В случае соединения «звездой» — фазное в 1,732050808 раз меньше линейного.

Рекомендации по выбору прибора

Для расчетов необходимо измерять значения величин электричества. Существуют специальные приборы, которые помогают произвести точные расчеты. Для измерения разности потенциалов применяют вольтметр.

Вольтметр (вольт — единица измерения ЭДС, метр — измеряю) — прибор для измерения ЭДС в цепи, подключаемый параллельно участку, на котором необходимо провести замер.

Для конкретного случая необходимо применять тот или иной прибор. Для более точных расчетов приобретаются приборы с высоким классом точности. Классификация вольтметров:

  1. Принцип действия: электромеханические (стрелочные) и электронные.
  2. Назначение: постоянного и переменного тока, импульсные, селективные и универсальные.
  3. Конструктивное исполнение: щитовые, переносные и стационарные.

Аналоговый электромеханический вольтметр имеет большие погрешности измерений в высокоомных цепях, но отлично зарекомендовал себя в низкоомных цепях и возможностью модернизации (увеличение значений измерения U за счет добавочного резистора).

Выпрямительный вольтметр обладает более высоким классом точности. Состоит из самого измерительного прибора (обладает чувствительностью к постоянному току) и выпрямительного устройства. Они получили не очень широкое распространение из-за высоких погрешностей, и применяются в качестве сигнальных приборов (примерное значение U).

Цифровые вольтметры применяются в комбинированных приборах-мультиметрах. Поступающее напряжение на клеммы (измерительные щупы) прибора преобразовывается в сигнал при помощи аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Происходит отображение на цифровом табло. Этот вид приборов получил широкое применение благодаря высокой точности и универсальности.

Импульсный вольтметр необходимо применять при измерении амплитуд импульсных сигналов и одиночных импульсов.

Основным применением фазочувствительных вольтметров является измерение квадратурных составляющих комплексного напряжения (наличие мнимой и действительной частей) первичной гармоники. Они, как правило, снабжены 2-мя индикаторами для выявления мнимой и действительной частей. Они получили широкое применение в измерении АФХ (амплитудно-фазовая характеристика) для подбора деталей и настройки усилителей.

Для измерения номинала постоянного напряжения используются вольтметры подгруппы В2 (вольтметры для постоянного напряжения), а также В7 (универсальные).

Для определения переменного напряжения необходимо использовать устройства из подгруппы В3 или универсального типа (В7). Однако часто в этих вольтметрах применяются специальные преобразователи из переменного напряжения в постоянное.

В3 и В7 рассчитаны только для определения среднеквадратического гармонического напряжения. В этих электроизмерительных приборах возможно применение детекторов (преобразователей): пикового, выпрямительного и квадратичного. Оптимальным вариантом является вольтметр на квадратичном детекторе, при этом измеряемое значение выдается напрямую без всяких преобразований. Измерительные приборы на пиковых и выпрямительных детекторах пересчитывают значения, тем самым уменьшая точность измерений. Для измерения периодического негармонического напряжения выбирают вольтметр на квадратичном детекторе.

Таким образом, расчет напряжения играет важную роль в электротехнике. Расчеты для переменных и постоянных цепей электрического тока существенно отличаются, в результате чего необходимо определить сначала тип тока, а затем производить расчеты. Но также необходимо соблюдать технику безопасности при работах с электричеством. Ведь ее основные положения основаны на горьком опыте человечества.

Формула и определение электрического напряжения в цепи в физике

В современном быту, строительстве и других сферах жизни человека огромную роль играет энергия, которая необходима для приведения в движение различных механизмов, производственных станков и инструментов. Электрическое напряжение, или как его принято называть в народе ток, занимает первое место среди ресурсов снабжения, поэтому человек во многом зависит от бесперебойной подачи электричества правильного номинала. В данной статье рассмотрено определение электрического напряжения, его формула, а также, от чего зависит и на что влияет данный показатель.

Электрическое напряжение

Что такое напряжение

Электрическое напряжение – это работа, которая необходима для подачи заряда электрическим полем от поставщика до потребляемого прибора по проводам или без них. Проще говоря, это величина силы, потраченной для доставки определенного заряда тока по проводнику от одного конца на другой. Без напряжения не будет перемещения заряженных частиц, а, следовательно, ток не будет поступать к потребителю, номинальная величина в цепи будет равна нулю.

Электрическим током заряжены все элементы и предметы, которые окружают человека, разница лишь в величине напряжения – у некоторых вещей данный показатель минимален и фактически не заметен, у других – наличие тока более выражено. За долгие годы исследований ученые изобрели множество приборов, которые способны вырабатывать электрический ток различного напряжения и силы, начиная от малогабаритных и заканчивая крупными электростанциями, питающими целые города. Электрическое напряжение напрямую связано с силой тока: чем выше напряжение, тем выше будет величина силы тока.

Для более точного понимания определения напряжения тока необходимо разобраться в физике образования электричества в целом. Откуда берется электрический ток?

Все предметы и вещества состоят из атомов с положительным зарядом, число которых равно числу вращающихся вокруг них отрицательно заряженных частиц. Проще говоря, количество электронов равно количеству нейтронов. Чтобы возникло напряжение в сети, из ядра извлекаются некоторые электроны, возникает разряжение, и оставшиеся частицы пытаются восполнить пробел путем притяжения электронов снаружи, возникает положительный заряд. Если же добавить электроны в атом, возникнет переизбыток, и образуется отрицательное энергетическое поле.

В результате такого взаимодействия возникают положительный и отрицательный потенциалы, и чем больше контакта у этих элементов, тем выше сила и напряжение электрического тока. При соединении указанных потенциалов образуется энергетическое поле, которое увеличивается при повышении количества заряженных атомов внутри себя.

Формула для вычисления напряжения тока выглядит следующим образом:

U=A/q, где:

  • U – это само напряжение,
  • A – работа, необходимая для перемещения заряда,
  • Q – отрезок расстояния, на которое перемещается заряженный атом.

Формула напряжения

Таким образом, можно сделать вывод, что сила тока на протяжении всей цепи будет одинаковой, а напряжение на каждом из участков будет разным, в зависимости от нагрузки на данный отрезок. Как известно, энергия не возникает из ниоткуда и не пропадает в неизвестном направлении, поэтому при повышении напряжения на определенном участке провода избыточный ток выражается в тепловой нагрузке, проще говоря, материал, из которого изготовлен проводник, начинает греться.

Влияние температуры проводника на сопротивление

От чего зависит напряжение

Существует три основных фактора, влияющих на норматив напряжения электрических токов, среди которых:

  1. Материал, из которого выполнен проводник. Для решения определенных задач существуют различные типы проводов, чаще всего можно встретить медные или алюминиевые изделия различного сечения и наружной оболочки. Наружная обмотка таких проводов бывает также из множества материалов, защитных и декоративных, например, ПВХ пленка или резиновая защита. Такая обработка позволяет использовать проводку в любых условиях, в том числе для организации наружного освещения;
  2. Температуры использования проводника;
  3. Уровня сопротивления электрического тока на данном участке. Данная величина зависит от свойств проводимости кабеля или иного предмета, подключенного к сети, и способности к беспрепятственному пропуску атомов через себя. Существуют материалы с нулевым сопротивлением или полностью диэлектрические, то есть не способные проводить электрический ток любого напряжения.

Ток и его напряжение напрямую зависят друг от друга, поэтому и их обозначения одинаковы. Напряжение тока измеряется в Вольтах и обозначается буквой В. Вольт выражается в разности положительного и отрицательного потенциалов на двух удаленных от друг друга точках поля, силы которого совершают усилия, равные одному Дж, при доставке заряда от одного отрезка к конечному. Номинал единицы заряда равен одному Кл, таким образом, обозначение 220 Вольт включает в себя понятие, что данная сеть способна потратить энергию в 220 Дж для транспортировки зарядов от входной точки до потребителя, это и называется электрическим напряжением в сети.

Виды напряжения электрического тока

Синусоида постоянного и переменного тока

Что такое электрическое напряжение, описывается в учебниках по физике, там же приводится его классификация на основании временного промежутка подачи энергии. По данному признаку напряжение бывает:

  1. Постоянное – это когда на одном конце проводника ток и электрическое напряжение положительные, а на другом – отрицательные, и их значение направлено в одну сторону. Чаще всего такая система встречается в автономных батареях слабой и средней мощности;

Важно! Случайная или умышленная замена полярностей может привести к выходу из строя прибора, а также короткому замыканию при соединении нескольких элементов, осуществлять это нужно последовательно, стыкуя минусовый контакт к плюсовому. Синусоида при постоянном токе будет ровной без рывков и волн.

  1. Переменный ток и электрическое напряжение отличаются от постоянных тем, что у них может быть несколько направлений, например, при частой замене потенциалов полярностей или их перемещении возникает обратное движение заряда, частота данного действия и будет показателем переменного тока. Чаще всего данную систему используют для транспортировки электричества по проводнику на большие расстояния, так как потери тока минимальны, следовательно, и напряжение не уменьшается. Также переменный ток используется в трехфазных двигателях и при доставке постоянного тока на трансформатор для его последующего разделения. Синусоида переменного тока выглядит неровной, волнообразной, с множественными скачками. Существуют формула и механизмы, которые используются для преобразования переменного тока в постоянный, это возможно при наличии конденсаторов и диодного моста.

Между фазами переменного тока также существуют свои показатели, в данном случае напряжение равно 380В, по количеству разности потенциалов в трехфазной сети. В сети напряженностью 220В всего два провода: один – с несущей фазой, второй – с нулем, также для безопасности добавляется кабель заземления. В трехфазной сети имеется четыре жилы, и один дополнительный заземляющий провод, в сумме напряжение всех трех фаз составляет 380В.

Меры предосторожности

Ток и электрическое напряжение являются источником повышенной опасности, поэтому при работе и эксплуатации данного типа энергии необходимо соблюдать нормы и правила безопасности, не допускать аварийных ситуаций и обеспечить все приборы автоматической системой отключения питания.

Запрещается работать с проводкой, находящейся под напряжением, или без устройства для заземления. В случае возникновения короткого замыкания необходимо отключить все приборы от сети и предотвратить возгорание обмотки двигателя или кабеля.

Видео

Оцените статью:

Как найти мощность, зная силу тока, напряжение и сопротивление

В физике достаточно много внимания уделено энергии и мощности устройств, веществ или тел. В электротехнике эти понятия играют не менее важную роль чем в других разделах физики, ведь от них зависит насколько быстро установка выполнит свою работу и какую нагрузку понесут линии электропередач. Исходя из этих сведений подбираются трансформаторы для подстанций, генераторы для электростанций и сечение проводников передающих линий. В этой статье мы расскажем, как найти мощность электрического прибора или установки, зная силу тока, напряжение и сопротивление.

Определение

Мощность – это скалярная величина. В общем случае она равна отношению выполненной работы ко времени:

P=dA/dt

Простыми словами эта величина определяет, как быстро выполняется работа. Она может обозначаться не только буквой P, но и W или N, измеряется в Ваттах или киловаттах, что сокращенно пишется как Вт и кВт соответственно.

Электрическая мощность равна произведению тока на напряжение или:

P=UI

Как это связано с работой? U – это отношение работы по переносу единичного заряда, а I определяет, какой заряд прошёл через провод за единицу времени. В результате преобразований и получилась такая формула, с помощью которой можно найти мощность, зная силу тока и напряжение.

Формулы для расчётов цепи постоянного тока

Проще всего посчитать мощность для цепи постоянного тока. Если есть сила тока и напряжение, тогда нужно просто по формуле, приведенной выше, выполнить расчет:

P=UI

Но не всегда есть возможность найти мощность по току и напряжению. Если вам они не известны – вы можете определить P, зная сопротивление и напряжение:

P=U2/R

Также можно выполнить расчет, зная ток и сопротивление:

P=I2*R

Последними двумя формулами удобен расчёт мощности участка цепи, если вы знаете R элемента I или U, которое на нём падает.

Для переменного тока

Однако для электрической цепи переменного тока нужно учитывать полную, активную и реактивную, а также коэффициент мощности (соsФ). Подробнее все эти понятия мы рассматривали в этой статье: https://samelectrik.ru/chto-takoe-aktivnaya-reaktivnaya-i-polnaya-moshhnost.html.

Отметим лишь, что чтобы найти полную мощность в однофазной сети по току и напряжению нужно их перемножить:

S=UI

Результат получится в вольт-амперах, чтобы определить активную мощность (ватты), нужно S умножить на коэффициент cosФ. Его можно найти в технической документации на устройство.

P=UIcosФ

Для определения реактивной мощности (вольт-амперы реактивные) вместо cosФ используют sinФ.

Q=UIsinФ

Или выразить из этого выражения:

И отсюда вычислить искомую величину.

Найти мощность в трёхфазной сети также несложно, для определения S (полной) воспользуйтесь формулой расчета по току и фазному напряжению:

S=3UфIф

А зная Uлинейное:

S=1,73*UлIл

1,73 или корень из 3 – эта величина используется для расчётов трёхфазных цепей.

Тогда по аналогии чтобы найти P активную:

P=3UфIф*cosФ=1,73*UлIл*cosФ

Определить реактивную мощность можно:

Q=3UфIф*sinФ=1,73*UлIл*sinФ

На этом теоретические сведения заканчиваются и мы перейдём к практике.

Пример расчёта полной мощности для электродвигателя

Мощность у электродвигателей бывает полезная или механическая на валу и электрическая. Они отличаются на величину коэффициента полезного действия (КПД), эта информация обычно указана на шильдике электродвигателя.

Отсюда берём данные для расчета подключения в треугольник на Uлинейное 380 Вольт:

  1. Pна валу=160 кВт = 160000 Вт
  2. n=0,94
  3. cosФ=0,9
  4. U=380

Тогда найти активную электрическую мощность можно по формуле:

P=Pна валу/n=160000/0,94=170213 Вт

Теперь можно найти S:

S=P/cosφ=170213/0,9=189126 Вт

Именно её нужно найти и учитывать, подбирая кабель или трансформатор для электродвигателя. На этом расчёты окончены.

Расчет для параллельного и последовательного подключения

При расчете схемы электронного устройства часто нужно найти мощность, которая выделяется на отдельном элементе. Тогда нужно определить, какое напряжение падает на нём, если речь идёт о последовательном подключении, или какая сила тока протекает при параллельном включении, рассмотрим конкретные случаи.

Здесь Iобщий равен:

I=U/(R1+R2)=12/(10+10)=12/20=0,6

Общая мощность:

P=UI=12*0,6=7,2 Ватт

На каждом резисторе R1 и R2, так как их сопротивление одинаково, напряжение падает по:

U=IR=0,6*10=6 Вольт

И выделяется по:

Pна резисторе=UI=6*0,6=3,6 Ватта

Тогда при параллельном подключении в такой схеме:

Сначала ищем I в каждой ветви:

I1=U/R1=12/1=12 Ампер

I2=U/R2=12/2=6 Ампер

И выделяется на каждом по:

PR1=12*6=72 Ватта

PR2=12*12=144 Ватта

Выделяется всего:

P=UI=12*(6+12)=216 Ватт

Или через общее сопротивление, тогда:

Rобщее=(R1*R2)/( R1+R2)=(1*2)/(1+2)=2/3=0,66 Ом

I=12/0,66=18 Ампер

P=12*18=216 Ватт

Все расчёты совпали, значит найденные значения верны.

Заключение

Как вы могли убедиться найти мощность цепи или её участка совсем несложно, неважно речь идёт о постоянке или переменке. Важнее правильно определить общее сопротивление, ток и напряжение. Кстати этих знаний уже достаточно для правильного определения параметров схемы и подбора элементов – на сколько ватт подбирать резисторы, сечения кабелей и трансформаторов. Также будьте внимательны при расчёте S полной при вычислении подкоренного выражения. Стоит добавить лишь то, что при оплате счетов за коммунальные услуги мы оплачиваем за киловатт-часы или кВт/ч, они равняются количеству мощности, потребленной за промежуток времени. Например, если вы подключили 2 киловаттный обогреватель на пол часа, то счётчик намотает 1 кВт/ч, а за час – 2 кВт/ч и так далее по аналогии.

Напоследок рекомендуем просмотреть полезное видео по теме статьи:

Также читают:

РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ ОНЛАЙН - ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ, ТОКА, МОЩНОСТИ И СЕЧЕНИЯ ПРОВОДНИКА

Наверное, каждый кто делал или делает ремонт электрики сталкивался с проблемой определения той или иной электрической величины. Для кого-то это становится настоящим камнем преткновения, а для кого-то все предельно ясно и каких-либо сложностей при определении той или иной величины нет. Данная статья посвящена именно первой категории – то есть для тех, кто не очень силен в теории электрических цепей и тех показателей, которые для них характерны.

Итак, для начала вернемся немного в прошлое и постараемся вспомнить школьный курс физики, касательно электрики. Как мы помним, основные электрические величины определяются на основании всего одного закона – закона Ома. Именно этот закон является базой проведения абсолютно для любых расчетов и имеет вид:

Отметим, что в данном случае речь идет о расчете самой простейшей электрической цепи, которая выглядит следующим образом:

Подчеркнем, что абсолютно любой расчет ведется именно посредством этой формулы. То есть путем не сложных математических вычислений можно определить ту или иную величину зная при этом два иных электрических параметра. Как бы там ни было, наш ресурс призван упростить жизнь тому кто делает ремонт, а поэтому мы упростим решение задачи определения электрических параметров, вывив основные формулы и предоставив возможность произвести расчет электрических цепей онлайн.

Как узнать ток зная мощность и напряжение?

В данном случае формула вычисления выглядит следующим образом:

Расчет силы тока онлайн:

(Не целые числа вводим через точку. Например: 0.5)

Как узнать напряжение зная силу тока?

Для того, чтобы узнать напряжение, зная при этом сопротивление потребителя тока можно воспользоваться формулой:

Расчет напряжения онлайн:

Если же сопротивление неизвестно, но зато известна мощность потребителя, то напряжение вычисляется по формуле:

Определение величины онлайн:

Как рассчитать мощность зная силу тока и напряжения?

Здесь необходимо знать величины действующего напряжения и действующей силы тока в электрической цепи. Согласно формуле предоставленной выше, мощность определяется путем умножения силы тока на действующее напряжение.

Расчет цепи онлайн:

Как определить потребляемую мощность цепи имея тестер, который меряет сопротивление?

Этот вопрос был задан в комментарие в одном из материалов нашего сайта. Поспешим дать ответ на этот вопрос. Итак, для начала измеряем тестером сопротивление электроприбора (для этого достаточно подсоединить щупы тестера к вилке шнура питания). Узнав сопротивление мы можем определить и мощность, для чего необходимо напряжение в квадрате разделить на сопротивление.

Онлайн расчет:

Формула расчета сечения провода и как определяется сечение провода

Довольно много вопросов связано с определением сечения провода при построении электропроводки. Если углубиться в электротехническую теорию, то формула расчета сечения имеет такой вид:

Конечно же, на практике, такой формулой пользуются довольно редко, прибегая к более простой схеме вычислений. Эта схема довольно проста: определяют силу тока, которая будет действовать в цепи, после чего согласно специальной таблице определяют сечение. Более детально по этому поводу можно почитать в материале – «Сечение провода для электропроводки»

Приведем пример. Есть бойлер мощностью 2000 Вт, какое сечение провода должно быть, чтобы подключить его к бытовой электропрводке? Для начала определим силу тока, которая будет действовать в цепи:

I=P/U=2000/220В = 9А

Как видим, сила тока получается довольно приличной. Округляем значение до 10 А и обращаемся к таблице:

Таким образом, для нашего бойлера потребуется провод сечением 1,7 мм. Для большей надежности используем провод сечением 2 или 2,5 мм.

Рекомендуем ознакомиться:

 — БЛОК ПИТАНИЯ ДЛЯ СВЕТОДИОДНЫХ ЛЕНТ

 — ЗАЩИТНОЕ ЗАНУЛЕНИЕ

 — СВЕТОДИОДНЫЕ СВЕТИЛЬНИКИ — ЛУЧШЕ НЕ ПРИДУМАЕШЬ!

 — АЛМАЗНАЯ РЕЗКА БЕТОНА И ЖБ КОНСТРУКЦИЙ

 Автор — Антон Писарев


Учебное пособие по закону

Ом и мощность в электрических цепях

Георг Ом обнаружил, что при постоянной температуре электрический ток, протекающий через фиксированное линейное сопротивление, прямо пропорционален приложенному к нему напряжению, а также обратно пропорционален сопротивлению. Эта взаимосвязь между напряжением, током и сопротивлением составляет основу закона Ом и показана ниже.

Отношение закона Ома

Зная любые два значения величин напряжения, тока или сопротивления, мы можем использовать закон Ом , чтобы найти третье пропущенное значение. Закон Ома широко используется в формулах и расчетах электроники, поэтому «очень важно понимать и точно помнить эти формулы».

Чтобы найти напряжение, (В)

[В = I x R] В (вольт) = I (амперы) x R (Ом)

Чтобы найти ток, (I)

[I = V ÷ R] I (амперы) = V (вольты) ÷ R (Ом)

Чтобы найти сопротивление, (R)

[R = V ÷ I] R (Ω) = V (вольт) ÷ I (амперы)

Иногда легче запомнить эту взаимосвязь по закону Ома с помощью картинок.Здесь три величины V, I и R наложены в треугольник (ласково называемый треугольником закона Ом ), дающий напряжение вверху с током и сопротивлением внизу. Это расположение представляет собой фактическое положение каждой величины в формулах закона Ома.

Треугольник закона Ома

Транспонирование стандартного уравнения закона Ома, приведенного выше, даст нам следующие комбинации того же уравнения:

Затем, используя закон Ома, мы можем увидеть, что напряжение 1 В, приложенное к резистору 1 Ом, вызовет протекание тока 1 А, и чем больше значение сопротивления, тем меньше тока будет протекать при заданном приложенном напряжении.Любое электрическое устройство или компонент, которые подчиняются «закону Ома», то есть ток, протекающий через него, пропорционален напряжению на нем (I α V), например, резисторы или кабели, называются «омическими» по своей природе, а устройства, которые этого не делают, такие как транзисторы или диоды, называются «неомическими» устройствами .

Электроэнергия в цепях

Электрическая мощность (P) в цепи - это скорость, с которой энергия поглощается или производится в цепи. Источник энергии, такой как напряжение, будет производить или передавать мощность, в то время как подключенная нагрузка поглощает ее.Например, лампочки и обогреватели поглощают электроэнергию и преобразуют ее либо в тепло, либо в свет, либо и то, и другое. Чем выше их значение или номинальная мощность в ваттах, тем больше электроэнергии они могут потреблять.

Обозначение величины мощности - P, это произведение напряжения на ток с единицей измерения Вт (Вт). Префиксы используются для обозначения различных кратных или подкратных значений ватта, например: милливатт (мВт = 10 -3 Вт) или киловатт (кВт = 10 3 Вт).

Затем, используя закон Ома и подставляя значения V, I и R, формулу для электрической мощности можно найти как:

Чтобы найти силу (P)

[P = V x I] P (Вт) = V (вольты) x I (амперы)

Также:

[P = V 2 ÷ R] P (Вт) = V 2 (вольт) ÷ R (Ом)

Также:

[P = I 2 x R] P (Вт) = I 2 (амперы) x R (Ом)

Опять же, три величины были наложены в треугольник, на этот раз названный Треугольник мощности с мощностью вверху и током и напряжением внизу.Опять же, это расположение представляет собой фактическое положение каждой величины в формулах мощности закона Ома.

Треугольник власти

и снова, транспонирование основного уравнения закона Ома, приведенного выше для мощности, дает нам следующие комбинации одного и того же уравнения для нахождения различных индивидуальных величин:

Итак, мы видим, что есть три возможных формулы для расчета электрической мощности в цепи. Если рассчитанная мощность положительна, (+ P) по значению для любой формулы компонент поглощает мощность, то есть потребляет или использует мощность.Но если расчетная мощность отрицательна, (–P) по значению компонент производит или генерирует энергию, другими словами, это источник электроэнергии, такой как батареи и генераторы.

Номинальная электрическая мощность

Электрическим компонентам дается «номинальная мощность» в ваттах, которая указывает максимальную скорость, с которой компонент преобразует электрическую мощность в другие формы энергии, такие как тепло, свет или движение. Например, резистор 1/4 Вт, лампочка 100 Вт и т. Д.

Электрические устройства преобразуют одну форму энергии в другую.Так, например, электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую силу, а электрический генератор преобразует механическую силу в электрическую. Лампочка преобразует электрическую энергию в свет и тепло.

Кроме того, теперь мы знаем, что единицей мощности является WATT , но некоторые электрические устройства, такие как электродвигатели, имеют номинальную мощность в старом измерении «лошадиная сила» или л.с. Соотношение между мощностью и ваттами выражается следующим образом: 1 л.с. = 746 Вт.Так, например, двигатель мощностью две лошадиные силы имеет мощность 1492 Вт (2 x 746) или 1,5 кВт.

Круговая диаграмма закона Ом

Чтобы помочь нам понять взаимосвязь между различными значениями немного дальше, мы можем взять все уравнения закона Ома, указанные выше для определения напряжения, тока, сопротивления и, конечно, мощности, и сжать их в простую круговую диаграмму закона Ом для использования в цепях переменного и постоянного тока и расчетах, как показано.

Круговая диаграмма закона Ом

Помимо использования приведенной выше круговой диаграммы закона Ома , мы также можем поместить отдельные уравнения закона Ома в простую матричную таблицу, как показано для удобства при вычислении неизвестного значения.

Таблица закона Ома

Пример закона Ома №1

Для схемы, показанной ниже, найдите напряжение (В), ток (I), сопротивление (R) и мощность (P).

Напряжение [В = I x R] = 2 x 12 Ом = 24 В

Ток [I = V ÷ R] = 24 ÷ 12Ω = 2A

Сопротивление [R = V ÷ I] = 24 ÷ 2 = 12 Ом

Мощность [P = V x I] = 24 x 2 = 48 Вт

Питание в электрической цепи присутствует только при наличии ОБА напряжения и тока .Например, в состоянии разомкнутой цепи напряжение присутствует, но нет тока I = 0 (ноль), поэтому V * 0 равно 0, поэтому мощность, рассеиваемая в цепи, также должна быть 0. Аналогично, если у нас есть состояние короткого замыкания, ток присутствует, но нет напряжения V = 0, поэтому 0 * I = 0, так что мощность, рассеиваемая в цепи, снова равна 0.

Поскольку электрическая мощность является произведением V * I, мощность, рассеиваемая в цепи, одинакова, независимо от того, содержит ли цепь высокое напряжение и низкий ток или низкое напряжение и большой ток.Как правило, электрическая мощность рассеивается в виде тепла, (нагреватели), механической работы, , например двигателей, энергии, в форме излучаемой (лампы) или в виде накопленной энергии (батареи).

Электрическая энергия в цепях

Электрическая энергия - это способность выполнять работу, а единица работы или энергии - джоуль (Дж). Электрическая энергия - это произведение мощности на время, в течение которого она была потреблена. Итак, если мы знаем, сколько энергии в ваттах потребляется, и время в секундах, в течение которого она используется, мы можем найти общую потребляемую энергию в ватт-секундах.Другими словами, энергия = мощность x время и мощность = напряжение x ток. Следовательно, электрическая мощность связана с энергией, и единица измерения электрической энергии - ватт-секунды или джоулей .

Электрическая мощность также может быть определена как скорость передачи энергии. Если один джоуль работы либо поглощается, либо доставляется с постоянной скоростью в одну секунду, тогда соответствующая мощность будет эквивалентна одному ватту, поэтому мощность можно определить как «1 Джоуль / сек = 1 Вт».Тогда мы можем сказать, что один ватт равен одному джоулю в секунду, а электрическая мощность может быть определена как скорость выполнения работы или передачи энергии.

Электроэнергетика и энергетический треугольник

или найти различные индивидуальные количества:

Ранее мы говорили, что электрическая энергия определяется как ватт в секунду или джоулей . Хотя электрическая энергия измеряется в Джоулях, она может стать очень большой величиной при использовании для расчета энергии, потребляемой компонентом.

Например, если 100-ваттная лампочка остается включенной на 24 часа, потребляемая энергия будет 8 640 000 Дж (100 Вт x 86 400 секунд), поэтому префиксы, такие как килоджоулей, (кДж = 10 3 Дж) или мегаджоулей (МДж = 10 6 Дж), и в этом простом примере потребляемая энергия будет 8,64 МДж (мегаджоули).

Но имея дело с джоулями, килоджоулями или мегаджоулями для выражения электрической энергии, задействованная математика может закончиться некоторыми большими числами и множеством нулей, поэтому гораздо проще выразить потребляемую электрическую энергию в киловатт-часах.

Если потребляемая (или генерируемая) электрическая мощность измеряется в ваттах или киловаттах (тысячах ватт), а время измеряется в часах, а не в секундах, то единицей измерения электрической энергии будет киловатт-час (кВтч). Тогда наша 100-ваттная лампочка, показанная выше, будет потреблять 2400 ватт-часов или 2,4 кВт-ч, что намного легче понять в 8 640 000 джоулей.

1 кВт-ч - это количество электроэнергии, потребляемое устройством мощностью 1000 Вт за один час, которое обычно называют «единицей электроэнергии».Это то, что измеряется счетчиком коммунальных услуг, и это то, что мы, как потребители, покупаем у наших поставщиков электроэнергии, когда получаем свои счета.

киловатт-часов - это стандартные единицы энергии, используемые электросчетчиком в наших домах для расчета количества потребляемой электроэнергии и, следовательно, того, сколько мы платим. Таким образом, если вы включите электрический камин с нагревательным элементом мощностью 1000 Вт и оставите его включенным на 1 час, вы израсходуете 1 кВт-час электроэнергии. Если вы включите два электрокамина с элементами по 1000 ватт на полчаса, общее потребление будет равно количеству электроэнергии - 1 кВт · ч.

Итак, потребление 1000 Вт в течение одного часа потребляет такое же количество энергии, как 2000 Вт (вдвое больше) в течение получаса (половина времени). Затем, чтобы 100-ваттная лампочка использовала 1 кВтч или одну единицу электроэнергии, ее нужно было бы включить в общей сложности на 10 часов (10 x 100 = 1000 = 1 кВтч).

Теперь, когда мы знаем, какова взаимосвязь между напряжением, током и сопротивлением в цепи, в следующем руководстве, посвященном цепям постоянного тока, мы рассмотрим стандартные электрические единицы, используемые в электротехнике и электронике, чтобы мы могли рассчитать эти значения и убедитесь, что каждое значение может быть представлено кратными или частичными значениями стандартной единицы.

Как рассчитать выходное напряжение

Обновлено 8 декабря 2020 г.

Пол Меслер

Закон Ома - важная математическая формула, которую электрики и физики используют для определения определенных измерений в данной цепи. Формула:

В = I \ раз R

, где V - напряжение, измеренное в вольтах, I - величина тока, измеренная в амперах, а R - сопротивление, измеренное в омах.Резисторы препятствуют прохождению потока электронов в цепи и, в зависимости от материала, имеют большее сопротивление, чем другие. Напряжение в цепи - не что иное, как «источник электрического потенциала» внутри этой цепи.

Цепь в серии

    Определите общую силу тока в цепи. Если у вас была цепь, и вы обнаружили, что она пропускает общий ток 6 ампер, вы должны использовать это значение в качестве силы тока в цепи. Помните, что в цепи общая сила тока везде одинакова.

    Определите общее количество сопротивлений в цепи. Вы измеряете сопротивление в омах, которое выражается греческой буквой омега. Если вы измеряете, что в этой цепи есть резистор с сопротивлением 3 Ом, а другой - с сопротивлением 2 Ом, это означает, что общее сопротивление цепи составляет 5 Ом.

    Найдите выходное напряжение, умножив силу тока на общее количество сопротивлений в цепи. В приведенных выше примерах мы знаем, что сила тока составляет 6 ампер, а общее сопротивление - 5 Ом.Следовательно, выходное напряжение для этой схемы:

    В = I \ times R = 6 \ times 5 = 30 \ text {volts}

Параллельные цепи

    Определите общий ток в цепи. Так же, как и в последовательной цепи, ток или сила тока везде одинаковы. Используя тот же пример, мы скажем, что общая сила тока составляет 6 ампер.

    Найдите полное сопротивление в цепи. Общее сопротивление в параллельной цепи отличается от последовательной цепи.В последовательной цепи мы получаем общее сопротивление, просто добавляя каждое отдельное сопротивление в цепи; однако в параллельной цепи нам нужно найти полное сопротивление по формуле:

    R_ {tot} = \ frac {1} {\ frac {1} {R_1} + \ frac {1} {R_2} + ... + \ frac {1} {R_n}}

    То есть единица, деленная на сумму обратных величин всех резисторов в параллельной цепи. Используя тот же пример, мы скажем, что резисторы имеют сопротивление 2 Ом и 3 Ом. Следовательно, полное сопротивление в этой параллельной серии составляет:

    R_ {tot} = \ frac {1} {\ frac {1} {2} + \ frac {1} {3}} = 1.2 \ text {ohms}

    Найдите напряжение так же, как вы нашли напряжение в последовательной цепи. Мы знаем, что общая сила тока для цепи составляет 6 ампер, а полное сопротивление - 1,2 Ом. Следовательно, полное выходное напряжение для этой параллельной цепи составляет:

    В = I \ times R = 6 \ times 1.2 = 7.2 \ text {volts}

Расчет электрической мощности | Закон Ома

Узнайте формулу мощности

Мы видели формулу для определения мощности в электрической цепи: умножая напряжение в вольтах на ток в амперах, мы получаем ответ в ваттах."Давайте применим это к примеру схемы:

Как использовать закон Ома для определения силы тока

В приведенной выше схеме мы знаем, что у нас напряжение батареи 18 В и сопротивление лампы 3 Ом. Используя закон Ома для определения силы тока, получаем:

Теперь, когда мы знаем ток, мы можем взять это значение и умножить его на напряжение, чтобы определить мощность:

Это говорит нам о том, что лампа рассеивает (выделяет) 108 Вт мощности, скорее всего, в форме света и тепла.

Повышение напряжения батареи

Давайте попробуем взять ту же схему и увеличить напряжение батареи, чтобы увидеть, что произойдет. Интуиция подсказывает нам, что ток в цепи будет увеличиваться с увеличением напряжения, а сопротивление лампы останется прежним. Аналогично увеличится и мощность:

Теперь напряжение батареи 36 вольт вместо 18 вольт. Лампа по-прежнему обеспечивает электрическое сопротивление 3 Ом для прохождения тока.Текущий сейчас:

Это понятно: если I = E / R, и мы удваиваем E, а R остается неизменным, ток должен удвоиться. Действительно, есть: теперь у нас 12 ампер тока вместо 6. А что насчет мощности?

Как повышение напряжения батареи влияет на мощность?

Обратите внимание, что мощность увеличилась так, как мы могли подозревать, но она увеличилась немного больше, чем ток.Почему это? Поскольку мощность является функцией напряжения, умноженного на ток, а напряжение и ток удвоены по сравнению с их предыдущими значениями, мощность увеличится в 2 x 2 раза, или 4.

Вы можете проверить это, разделив 432 Вт на 108 Вт и убедившись, что соотношение между ними действительно равно 4. Снова используя алгебру для манипулирования формулой, мы можем взять нашу исходную формулу мощности и изменить ее для приложений, в которых мы не знаем и того, и другого. напряжение и ток: если мы знаем только напряжение (E) и сопротивление (R):

Если мы знаем только ток (I) и сопротивление (R):

Закон Джоуля против.Закон Ома

Историческая справка: именно Джеймс Прескотт Джоуль, а не Георг Саймон Ом первым открыл математическую связь между рассеиваемой мощностью и током через сопротивление. Это открытие, опубликованное в 1841 году, имело форму последнего уравнения (P = I 2 R) и широко известно как закон Джоуля.

Однако эти уравнения мощности так часто ассоциируются с уравнениями закона Ома, связывающими напряжение, ток и сопротивление (E = IR; I = E / R; и R = E / I), что они часто приписываются Ому.

ОБЗОР:

  • Мощность измеряется в Вт , обозначается буквой «W».
  • Закон Джоуля: P = I 2 R; P = IE; P = E 2 / R

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

Попробуйте наш калькулятор закона Ома в разделе «Инструменты».

Цепи серии

- базовое электричество

Три закона для последовательных цепей

Существует три основных соотношения, касающихся сопротивления, тока и напряжения для всех последовательных цепей.Важно, чтобы вы усвоили три основных закона для последовательных цепей.

Сопротивление

Когда отдельные сопротивления соединяются последовательно, они действуют так же, как одно большое комбинированное сопротивление. Поскольку существует только один путь для протекания тока в последовательной цепи, и поскольку каждый из резисторов находится в линии, чтобы действовать как противодействие этому протеканию тока, общее сопротивление представляет собой комбинированное противодействие всех линейных резисторов.

Общее сопротивление последовательной цепи равно сумме всех отдельных сопротивлений в цепи .

Rt = R1 + R2 + R3…

Используя эту формулу, вы обнаружите, что полное сопротивление цепи равно:

RT = 15 Ом + 5 Ом + 20 Ом = 40 Ом

Рисунок 16. Последовательная схема

Текущая

Поскольку существует только один путь для потока электронов в последовательной цепи, ток имеет одинаковую величину в любой точке цепи.

Общий ток в последовательной цепи такой же, как ток через любое сопротивление цепи.

IT = I1 = I2 = I3…

Учитывая 120 В в качестве общего напряжения и определив общее сопротивление цепи как 40 Ом, теперь вы можете применить закон Ома для определения полного тока в этой цепи:

IT = 120 В / 40 Ом = 3 А

Этот общий ток цепи останется неизменным для всех отдельных резисторов цепи.

Напряжение

Прежде чем какой-либо ток будет протекать через сопротивление, должна быть доступна разность потенциалов или напряжение. Когда резисторы соединены последовательно, они должны «делить» общее напряжение источника.

Общее напряжение в последовательной цепи равно сумме всех отдельных падений напряжения в цепи.

Когда ток проходит через каждый резистор в последовательной цепи, он устанавливает разность потенциалов на каждом отдельном сопротивлении.Это обычно называется падением напряжения, и его величина прямо пропорциональна величине сопротивления. Чем больше значение сопротивления, тем выше падение напряжения на этом резисторе.

ET = E1 + E2 + E3…

Используя закон Ома, вы можете определить напряжение на каждом резисторе.

3 А × 15 Ом = 45 В

3 А × 5 Ом = 15 В

3 А × 20 Ом = 60 В

Общее напряжение источника равно сумме отдельных падений напряжения:

45 В + 15 В + 60 В = 120 В

Обрыв в последовательной цепи

При появлении обрыва ток в цепи прерывается.Если нет тока, падение напряжения на каждом из резистивных элементов равно нулю. Однако разность потенциалов источника очевидна. Если вольтметр подключен через разрыв, показания такие же, как если бы он был подключен непосредственно к клеммам источника питания.

Рисунок 17. Обрыв цепи

Влияние пропадания линии и потери линии

Медь и алюминий используются в качестве проводников, потому что они мало препятствуют прохождению тока.Хотя сопротивлением часто пренебрегают при простом анализе цепей, в практических приложениях может возникнуть необходимость учитывать сопротивление линий.

Line Drop

Рисунок 18. Падение напряжения

Когда ток 10 А протекает через каждую линию с сопротивлением 0,15 Ом, на каждой линии появляется небольшое падение напряжения. Это падение напряжения на линейных проводниках обычно обозначается как линейное падение .

Поскольку есть две линии, общее падение составляет 2 × 1.5 В = 3 В. Напряжение сети на нагрузке (117 В) меньше напряжения источника.

В некоторых ситуациях может потребоваться использование более крупных проводов с меньшим сопротивлением, чтобы падение напряжения в линии не слишком сильно уменьшало напряжение нагрузки.

Потеря линии

Другой термин, связанный с проводниками, - потери в линии. Это потеря мощности, выраженная в ваттах, и связана с рассеянием тепловой энергии, когда ток течет через сопротивление проводов линии.Потери в линии рассчитываются с использованием одного из уравнений мощности.

Используя предыдущий пример:

P = I 2 × R

P = (10A) 2 × 0,3 Ом

P = 30 Вт

* Помните:

  • Падение напряжения в линии выражается в вольтах.
  • Потери в линии выражаются в ваттах.

Атрибуция

Учебное пособие по физике: Комбинированные схемы

Ранее в Уроке 4 упоминалось, что существует два разных способа соединения двух или более электрических устройств в цепь.Они могут быть соединены посредством последовательного или параллельного соединения. Когда все устройства в цепи соединены последовательным соединением, эта схема называется последовательной схемой. Когда все устройства в цепи соединены параллельными соединениями, тогда цепь называется параллельной цепью. Третий тип схемы предполагает двойное использование последовательного и параллельного соединений в схеме; такие схемы называются составными схемами или комбинированными схемами.Схема, изображенная справа, является примером использования как последовательного, так и параллельного соединения в одной и той же цепи. В этом случае лампочки A и B подключаются параллельно, а лампочки C и D подключаются последовательно. Это пример комбинированной схемы .

При анализе комбинированных цепей критически важно иметь твердое понимание концепций, относящихся как к последовательным цепям, так и к параллельным цепям.Поскольку оба типа соединений используются в комбинированных схемах, концепции, связанные с обоими типами схем, применяются к соответствующим частям схемы. Основные понятия, связанные с последовательными и параллельными цепями, представлены в таблице ниже.

Цепи серии
  • Ток одинаков во всех резисторах; этот ток равен току в батарее.
  • Сумма падений напряжения на отдельных резисторах равна номинальному напряжению батареи.
  • Общее сопротивление набора резисторов равно сумме отдельных значений сопротивлений,
R до = R 1 + R 2 + R 3 + ...
Параллельные схемы
  • Падение напряжения одинаково на каждой параллельной ветви.
  • Сумма тока в каждой отдельной ветви равна току вне ветвей.
  • Эквивалентное или полное сопротивление набора резисторов определяется уравнением 1 / R экв = 1 / R 1 + 1 / R 2 + 1 / R 3 ...

Каждое из вышеперечисленных понятий имеет математическое выражение. Комбинирование математических выражений вышеуказанных понятий с уравнением закона Ома (ΔV = I • R) позволяет провести полный анализ комбинированной схемы.

Анализ комбинированных схем

Основная стратегия анализа комбинированных схем включает использование значения эквивалентного сопротивления для параллельных ветвей для преобразования комбинированной схемы в последовательную. После преобразования в последовательную схему анализ можно проводить обычным образом. Ранее в Уроке 4 описывался метод определения эквивалентного параллельного сопротивления, затем общее или эквивалентное сопротивление этих ветвей равно сопротивлению одной ветви, деленному на количество ветвей.

Этот метод соответствует формуле

1 / R экв. = 1 / R 1 + 1 / R 2 + 1 / R 3 + ...

, где R 1 , R 2 и R 3 - значения сопротивления отдельных резисторов, подключенных параллельно. Если два или более резистора, находящиеся в параллельных ветвях, не имеют одинакового сопротивления, необходимо использовать приведенную выше формулу.Пример этого метода был представлен в предыдущем разделе Урока 4.

Применяя свое понимание эквивалентного сопротивления параллельных ветвей к комбинированной схеме, комбинированную схему можно преобразовать в последовательную. Затем понимание эквивалентного сопротивления последовательной цепи можно использовать для определения общего сопротивления цепи. Рассмотрим следующие диаграммы ниже. Схема A представляет собой комбинированную схему с резисторами R 2 и R 3 , размещенными в параллельных ветвях.Два параллельных резистора 4 Ом эквивалентны сопротивлению 2 Ом. Таким образом, две ветви можно заменить одним резистором с сопротивлением 2 Ом. Это показано на диаграмме B. Теперь, когда все резисторы включены последовательно, можно использовать формулу для общего сопротивления последовательных резисторов для определения общего сопротивления этой цепи: Формула для последовательного сопротивления составляет

. рэндов до = рэндов + рэндов 2 + рэндов + ...

Итак, на схеме B полное сопротивление цепи составляет 10 Ом.

После определения общего сопротивления цепи анализ продолжается с использованием закона Ома и значений напряжения и сопротивления для определения значений тока в различных местах. Весь метод проиллюстрирован ниже на двух примерах.

Пример 1:

Первый пример - самый простой - резисторы, включенные параллельно, имеют одинаковое сопротивление. Цель анализа - определить ток и падение напряжения на каждом резисторе.

Как обсуждалось выше, первым шагом является упрощение схемы путем замены двух параллельных резисторов одним резистором с эквивалентным сопротивлением. Два последовательно подключенных резистора 8 Ом эквивалентны одному резистору 4 Ом. Таким образом, два резистора ответвления (R 2 и R 3 ) можно заменить одним резистором с сопротивлением 4 Ом. Этот резистор 4 Ом включен последовательно с R 1 и R 4 . Таким образом, общее сопротивление составляет

. R до = R 1 + 4 Ом + R 4 = 5 Ом + 4 Ом + 6 Ом

R общ = 15 Ом

Теперь уравнение закона Ома (ΔV = I • R) можно использовать для определения полного тока в цепи.При этом необходимо использовать общее сопротивление и общее напряжение (или напряжение батареи).

I tot = ΔV tot / R tot = (60 В) / (15 Ом)

I до = 4 А

Расчет тока 4 А представляет собой ток в месте расположения батареи. При этом резисторы R 1 и R 4 включены последовательно, и ток в последовательно соединенных резисторах везде одинаков.Таким образом,

I до = I 1 = I 4 = 4 А

Для параллельных ветвей сумма тока в каждой отдельной ветви равна току вне ветвей. Таким образом, I 2 + I 3 должно равняться 4 ампер. Существует бесконечное количество возможных значений I 2 и I 3 , которые удовлетворяют этому уравнению. Поскольку значения сопротивления равны, значения тока в этих двух резисторах также равны.Следовательно, ток в резисторах 2 и 3 равен 2 А.

I 2 = I 3 = 2 А

Теперь, когда известен ток в каждом отдельном месте резистора, можно использовать уравнение закона Ома (ΔV = I • R) для определения падения напряжения на каждом резисторе. Эти расчеты показаны ниже.

ΔV 1 = I 1 • R 1 = (4 А) • (5 Ом)
ΔV 1 = 20 В

ΔV 2 = I 2 • R 2 = (2 А) • (8 Ом)

ΔV 2 = 16 В

ΔV 3 = I 3 • R 3 = (2 А) • (8 Ом)

ΔV 3 = 16 В

ΔV 4 = I 4 • R 4 = (4 А) • (6 Ом)

ΔV 4 = 24 В

На этом анализ завершен, и его результаты представлены на диаграмме ниже.

Пример 2:

Второй пример - более сложный случай - резисторы, включенные параллельно, имеют другое сопротивление. Цель анализа та же - определить ток и падение напряжения на каждом резисторе.

Как обсуждалось выше, первым шагом является упрощение схемы путем замены двух параллельных резисторов одним резистором с эквивалентным сопротивлением.Эквивалентное сопротивление резистора 4 Ом и 12 Ом, включенного параллельно, можно определить, используя обычную формулу для эквивалентного сопротивления параллельных ветвей:

1 / R экв = 1 / R 1 + 1 / R 2 + 1 / R 3 ...

1 / R экв. = 1 / (4 Ом) + 1 / (12 Ом)

1 / R экв. = 0,333 Ом -1

R экв = 1 / (0,333 Ом -1 )

R экв = 3.00 Ом

На основании этого расчета можно сказать, что два резистора ответвления (R 2 и R 3 ) можно заменить одним резистором с сопротивлением 3 Ом. Этот резистор 3 Ом включен последовательно с R 1 и R 4 . Таким образом, общее сопротивление составляет

. R до = R 1 + 3 Ом + R 4 = 5 Ом + 3 Ом + 8 Ом

R общ = 16 Ом

Теперь уравнение закона Ома (ΔV = I • R) можно использовать для определения полного тока в цепи.При этом необходимо использовать общее сопротивление и общее напряжение (или напряжение батареи).

I tot = ΔV tot / R tot = (24 В) / (16 Ом)

I до = 1,5 А

Расчет тока 1,5 А представляет собой ток в месте расположения батареи. При этом резисторы R 1 и R 4 включены последовательно, и ток в последовательно соединенных резисторах везде одинаков.Таким образом,

I до = I 1 = I 4 = 1,5 А

Для параллельных ветвей сумма тока в каждой отдельной ветви равна току вне ветвей. Таким образом, I 2 + I 3 должно быть равно 1,5 А. Существует бесконечное множество значений I 2 и I 3 , которые удовлетворяют этому уравнению. В предыдущем примере два параллельно включенных резистора имели одинаковое сопротивление; таким образом, ток распределялся поровну между двумя ветвями.В этом примере неравный ток в двух резисторах усложняет анализ. Ветвь с наименьшим сопротивлением будет иметь наибольший ток. Для определения силы тока потребуется использовать уравнение закона Ома. Но для его использования сначала необходимо знать падение напряжения на ветвях. Таким образом, направление решения в этом примере будет немного отличаться от более простого случая, проиллюстрированного в предыдущем примере.

Чтобы определить падение напряжения на параллельных ветвях, сначала необходимо определить падение напряжения на двух последовательно соединенных резисторах (R 1 и R 4 ).Уравнение закона Ома (ΔV = I • R) можно использовать для определения падения напряжения на каждом резисторе. Эти расчеты показаны ниже.

ΔV 1 = I 1 • R 1 = (1,5 А) • (5 Ом)
ΔV 1 = 7,5 В

ΔV 4 = I 4 • R 4 = (1,5 А) • (8 Ом)

ΔV 4 = 12 В

Эта схема питается от источника 24 В.Таким образом, совокупное падение напряжения заряда, проходящего по контуру цепи, составляет 24 вольта. Будет падение 19,5 В (7,5 В + 12 В) в результате прохождения через два последовательно соединенных резистора (R 1 и R 4 ). Падение напряжения на ответвлениях должно составлять 4,5 В, чтобы компенсировать разницу между общим значением 24 В и падением 19,5 В на R 1 и R 4 . Таким образом,

ΔV 2 = V 3 = 4,5 В

Зная падение напряжения на параллельно соединенных резисторах (R 1 и R 4 ), можно использовать уравнение закона Ома (ΔV = I • R) для определения тока в двух ветвях.

I 2 = ΔV 2 / R 2 = (4,5 В) / (4 Ом)
I 2 = 1,125 А

I 3 = ΔV 3 / R 3 = (4,5 В) / (12 Ом)

I 3 = 0,375 A

На этом анализ завершен, и его результаты представлены на диаграмме ниже.

Разработка стратегии

Два приведенных выше примера иллюстрируют эффективную концептуально-ориентированную стратегию анализа комбинированных схем.Подход требовал твердого понимания концепций последовательностей и параллелей, обсуждавшихся ранее. Такие анализы часто проводятся, чтобы решить физическую проблему для указанного неизвестного. В таких ситуациях неизвестное обычно меняется от проблемы к проблеме. В одной задаче значения резистора могут быть заданы, а ток во всех ветвях неизвестен. В другой задаче можно указать ток в батарее и несколько значений резистора, и неизвестная величина станет сопротивлением одного из резисторов.Очевидно, что разные проблемные ситуации потребуют небольших изменений в подходах. Тем не менее, каждый подход к решению проблем будет использовать те же принципы, что и при подходе к двум приведенным выше примерам проблем.

Начинающему студенту предлагаются следующие предложения по решению задач комбинированной схемы:

  • Если схематическая диаграмма не предоставлена, найдите время, чтобы построить ее. Используйте условные обозначения, такие как те, что показаны в примере выше.
  • При приближении к проблеме, связанной с комбинированной схемой, найдите время, чтобы организовать себя, записав известные значения и приравняв их к символу, например I до , I 1 , R 3 , ΔV 2 и т. Д. Схема организации, использованная в двух приведенных выше примерах, является эффективной отправной точкой.
  • Знайте и используйте соответствующие формулы для эквивалентного сопротивления последовательно соединенных и параллельно соединенных резисторов. Использование неправильных формул гарантирует неудачу.
  • Преобразуйте комбинированную схему в строго последовательную, заменив (на ваш взгляд) параллельную секцию одним резистором, имеющим значение сопротивления, равное эквивалентному сопротивлению параллельной секции.
  • Используйте уравнение закона Ома (ΔV = I • R) часто и надлежащим образом. Большинство ответов будет определено с использованием этого уравнения. При его использовании важно подставлять в уравнение соответствующие значения. Например, при вычислении I 2 важно подставить в уравнение значения ΔV 2 и R 2 .

Для дальнейшей практики анализа комбинированных схем рассмотрите возможность анализа проблем в разделе «Проверьте свое понимание» ниже.

Мы хотели бы предложить ... Зачем просто читать об этом и когда можно с этим взаимодействовать? Взаимодействовать - это именно то, что вы делаете, когда используете одно из интерактивных материалов The Physics Classroom. Мы хотели бы предложить вам совместить чтение этой страницы с использованием нашего интерактивного средства построения цепей постоянного тока.Вы можете найти его в разделе Physics Interactives на нашем сайте. Построитель цепей постоянного тока предоставляет учащемуся набор для построения виртуальных цепей. Вы можете легко перетащить источники напряжения, резисторы и провода на рабочее место, а также расположить и подключать их так, как хотите. Вольтметры и амперметры позволяют измерять ток и падение напряжения. Нажатие на резистор или источник напряжения позволяет изменять сопротивление или входное напряжение. Это просто. Это весело. И это безопасно (если вы не используете его в ванне).


Проверьте свое понимание

1. Комбинированная схема показана на схеме справа. Используйте диаграмму, чтобы ответить на следующие вопросы.

а. Ток в точке A равен _____ (больше, равен, меньше) ток в точке B.

г. Ток в точке B равен _____ (больше, равен, меньше) ток в точке E.

г. Ток в точке G равен _____ (больше, равен, меньше) ток в точке F.

г. Ток в точке E равен _____ (больше, равен, меньше) току в точке G.

e. Ток в точке B равен _____ (больше, равен, меньше) ток в точке F.

ф. Ток в точке A равен _____ (больше, равен, меньше) току в точке L.

г. Ток в точке H равен _____ (больше, равен, меньше) ток в точке I.

2. Рассмотрим комбинированную схему на схеме справа. Используйте диаграмму, чтобы ответить на следующие вопросы. (Предположим, что падение напряжения в самих проводах пренебрежимо мало.)

а. Разность электрических потенциалов (падение напряжения) между точками B и C составляет _____ (больше, равно, меньше) разности электрических потенциалов (падение напряжения) между точками J и K.

г. Разность электрических потенциалов (падение напряжения) между точками B и K составляет _____ (больше, равно, меньше) разности электрических потенциалов (падение напряжения) между точками D и I.

г. Разность электрических потенциалов (падение напряжения) между точками E и F составляет _____ (больше, равно, меньше) разности электрических потенциалов (падение напряжения) между точками G и H.

г. Разность электрических потенциалов (падение напряжения) между точками E и F составляет _____ (больше, равно, меньше) разности электрических потенциалов (падение напряжения) между точками D и I.

e. Разность электрических потенциалов (падение напряжения) между точками J и K составляет _____ (больше, равно, меньше) разности электрических потенциалов (падение напряжения) между точками D и I.

ф. Разность электрических потенциалов между точками L и A составляет _____ (больше, равно, меньше) разности электрических потенциалов (падение напряжения) между точками B и K.


3.Используйте концепцию эквивалентного сопротивления, чтобы определить неизвестное сопротивление идентифицированного резистора, которое сделало бы схемы эквивалентными.




4. Проанализируйте следующую схему и определите значения общего сопротивления, общего тока, а также тока и падения напряжения на каждом отдельном резисторе.


5. Обращаясь к диаграмме в вопросе №4, определите ...

а. ... номинальная мощность резистора 4.

г. ... скорость, с которой энергия потребляется резистором 3.

Энергетика и энергетика | Клуб электроники

Энергетика и энергетика | Клуб электроники

Мощность | Рассчитать | Перегрев | Энергия

Следующая страница: AC, DC и электрические сигналы

См. Также: напряжение и ток

Что такое мощность?

Мощность - это коэффициент использования или поставки энергии:

Мощность измеряется в ваттах (Вт)
Энергия измеряется в джоулях (Дж)
Время измеряется в секундах (с)

Электроника в основном связана с малым количеством энергии, поэтому мощность часто измеряется в милливаттах (мВт), 1 мВт = 0.001W. Например, светодиод потребляет около 40 мВт. а бипер потребляет около 100 мВт, даже лампа, такая как фонарик, потребляет всего около 1 Вт.

Типичная мощность, используемая в электрических цепях сети, намного больше, поэтому эта мощность может быть измеряется в киловаттах (кВт), 1 кВт = 1000 Вт. Например, в обычной сетевой лампе используется 60 Вт, а чайник потребляет около 3 кВт.


Расчет мощности по току и напряжению

Уравнения

Мощность = ток × напряжение

Есть три способа написать уравнение для мощности, тока и напряжения:

где:

P = мощность в ваттах (Вт)
V = напряжение в вольтах (В)
I = ток в амперах (A)

или:

P = мощность в милливаттах (мВт)
V = напряжение в вольтах (В)
I = ток в миллиамперах (мА)

Треугольник PIV

Вы можете использовать треугольник PIV, чтобы запомнить эти три уравнения.Используйте его так же, как треугольник закона Ома:

  • Чтобы вычислить мощность , P : поместите палец на P, это оставляет I V, поэтому уравнение P = I × V
  • Чтобы рассчитать ток , I : положите палец на I, это оставляет P над V, поэтому уравнение I = P / V
  • Для расчета напряжения, В : поместите палец над В, это оставляет P над I, поэтому уравнение V = P / I

Усилитель довольно большой для электроники, поэтому мы часто измеряем ток в миллиамперах (мА), а мощность в милливаттах (мВт).

1 мА = 0,001 А и 1 мВт = 0,001 Вт.


Расчет мощности с использованием сопротивления

Уравнения

Используя закон Ома V = I × R

мы можем преобразовать P = I × V в:

где:

P = мощность в ваттах (Вт)
I = ток в амперах (A)
R = сопротивление в Ом ()
В = напряжение в вольтах (В)

Треугольники

Для решения этих уравнений также можно использовать треугольники:



Потраченная впустую мощность и перегрев

Обычно используется электроэнергия, например, зажигание лампы или двигателя.Однако электрическая энергия преобразуется в тепло всякий раз, когда ток проходит через сопротивление, и это может быть проблемой, если оно вызывает перегрев устройства или провода. В электроники эффект обычно незначителен, но если сопротивление низкое (провод или низкий резистора номинального значения, например) ток может быть достаточно большим, чтобы вызвать проблему.

Из уравнения P = I² × R видно, что для данного сопротивление мощность зависит от тока в квадрате , поэтому удвоение тока даст в 4 раза большую мощность.

Резисторы рассчитаны на максимальную мощность, которую они могут развить в них без повреждений, но номинальная мощность редко указывается в списках деталей, потому что подходят стандартные значения 0,25 Вт или 0,5 Вт. для большинства схем. Дополнительная информация доступна на странице резисторов.

Провода и кабели рассчитаны на максимальный ток, который они могут пропускать без перегрева. У них очень низкое сопротивление, поэтому максимальный ток относительно велик. Для получения дополнительной информации о текущий рейтинг см. на странице кабелей.


Энергия

Количество потребляемой (или подаваемой) энергии зависит от мощности и времени, в течение которого она используется:

Устройство малой мощности, работающее в течение длительного времени, может потреблять больше энергии, чем устройство высокой мощности работает непродолжительное время.

Например:
  • Лампа мощностью 60 Вт, включенная на 8 часов, потребляет 60 Вт × 8 × 3600 с = 1728 кДж.
  • Чайник мощностью 3 кВт, включенный на 5 минут, потребляет 3000 Вт × 5 × 60 с = 900 кДж.

Стандартной единицей измерения энергии является джоуль (Дж), но 1Дж - очень небольшое количество энергии для электросети. поэтому в научной работе иногда используются килоджоуль (кДж) или мегаджоуль (МДж).

Дома мы измеряем электрическую энергию в киловатт-часах (кВтч), которые часто называют просто «единицей». электричества, когда контекст ясен. 1 кВт-ч - это энергия, потребляемая электроприбором мощностью 1 кВт при включении на 1 час:

Например:
  • Лампа мощностью 60 Вт, включенная на 8 часов, потребляет 0,06 кВт × 8 = 0,48 кВт · ч.
  • Чайник мощностью 3 кВт, включенный на 5 минут, потребляет 3 кВт × 5 / 60 = 0,25 кВтч.

Возможно, вам потребуется преобразовать бытовую единицу кВтч в научную единицу энергии, джоуль (Дж):

1 кВтч = 1 кВт × 1 час = 1000 Вт × 3600 с = 3.6MJ


Следующая страница: Сигналы постоянного и переменного тока | Исследование


Политика конфиденциальности и файлы cookie

Этот сайт не собирает личную информацию. Если вы отправите электронное письмо, ваш адрес электронной почты и любая личная информация будет используется только для ответа на ваше сообщение, оно не будет передано никому. На этом веб-сайте отображается реклама, если вы нажмете на рекламодатель может знать, что вы пришли с этого сайта, и я могу быть вознагражден. Рекламодателям не передается никакая личная информация.Этот веб-сайт использует некоторые файлы cookie, которые классифицируются как «строго необходимые», они необходимы для работы веб-сайта и не могут быть отклонены, но они не содержат никакой личной информации. Этот веб-сайт использует службу Google AdSense, которая использует файлы cookie для показа рекламы на основе использования вами веб-сайтов. (включая этот), как объяснил Google. Чтобы узнать, как удалить файлы cookie и управлять ими в своем браузере, пожалуйста, посетите AboutCookies.org.

electronicsclub.info © Джон Хьюс 2021 г.

Как использовать теорему Тевенина | ОРЕЛ

Существует множество методов, доступных для анализа сложных электрических цепей, например, анализ сетки, узловой анализ или законы Кирхгофа для цепей.Проблема в том, что при проектировании сети постоянного тока у вас будет нагрузка, значение которой будет меняться по мере развития процесса проектирования. Вместо того, чтобы пересчитывать ток и напряжение всей вашей цепи каждый раз при изменении нагрузки, вы можете упростить этот процесс с помощью теоремы Тевенина. В этом блоге мы рассмотрим, как упростить любую сложную линейную схему до единого источника напряжения и последовательного сопротивления. Оттуда мы можем использовать нашу эквивалентную схему Тевенина для быстрого расчета тока и напряжения.Давайте начнем.

Что такое теорема Тевенина?

Как и все другие математические и научные теории / законы, теорема Тевенина была изобретена самим человеком, Леоном Шарлем Тевенином, французским телеграфным инженером, родившимся в Мо, Франция. После прохождения службы в корпусе инженеров-телеграфистов, Тевенин был назначен инспектором по обучению в Высшей школе телеграфии в 1882 году. Именно здесь он заинтересовался измерением электрических цепей с использованием двух доступных в то время методов - схемы Кирхгофа. Законы и закон Ома.

Леон Шарль Тевенин (Источник изображения)

В попытке упростить анализ сложных схем для каждого инженера, Тевенин разработал свою теперь известную теорему Тевенина, которая сводит сложные схемы к упрощенным эквивалентным схемам Тевенина.

Эта теорема утверждает, что вы можете взять любую линейную схему, которая может содержать несколько ЭДС и резистивных компонентов, и упростить схему до одного источника напряжения и последовательного сопротивления, подключенного к нагрузке.

Упрощенная эквивалентная схема Тевенина с одним источником напряжения и сопротивлением. (Источник изображения)

В данном случае линейная цепь - это цепь, которая включает в себя пассивные компоненты, такие как резисторы, катушки индуктивности и конденсаторы. Однако если вы работаете со схемой, которая включает газоразрядные или полупроводниковые компоненты, то у вас нелинейная схема. Теорема Тевенина не для этого годилась. Так зачем использовать эту теорему для анализа линейных цепей?

  • КПД .Теорема Тевенина обеспечивает простой метод анализа силовых цепей, в которых обычно есть нагрузка, которая меняет значение в процессе анализа. Эта теорема обеспечивает эффективный способ вычисления напряжения и тока, протекающих через нагрузку, без необходимости заново рассчитывать всю схему.
  • Фокус . Теорема Тевенина также предоставляет эффективный способ сосредоточить анализ на определенной части схемы. Это позволяет вам рассчитать напряжение и ток на конкретном терминале, упростив остальную часть схемы с помощью эквивалента Тевенина.

Посмотрите на приведенный ниже пример схемы. Здесь у нас есть резистор R2 в качестве нагрузки. Мы хотим рассчитать напряжение и ток, протекающие через этот резистор, без необходимости использовать трудоемкие методы анализа, такие как Branch Current, Mesh Current и т. Д., Каждый раз, когда изменяется значение резистора нагрузки.

(Источник изображения)

Чтобы упростить эту задачу, мы можем использовать теорему Тевенина, чтобы удалить сопротивление нагрузки и напряжения. Затем мы упрощаем остальную часть схемы как единый источник напряжения и последовательное сопротивление.В этой упрощенной схеме Тевенина два резистора R1 и R3 вместе с вторичным напряжением B2 упрощены до единого источника напряжения и последовательного сопротивления. Что касается нагрузочного резистора, то упрощенные напряжение и сопротивление будут работать так же, как и наша исходная схема. Теперь у нас есть только две простые переменные, с которыми мы будем работать в наших расчетах.

(Источник изображения)

Теорема Тевенина в действии

Давайте посмотрим на пример схемы и вычислим ток, протекающий через нагрузочный резистор между двумя выводами.Процесс анализа цепи постоянного тока с использованием теоремы Тевенина требует следующих шагов:

  1. Найдите сопротивление Тевенину, отключив все источники напряжения и нагрузочный резистор.
  2. Найдите напряжение Thevenin, подключив напряжение.
  3. Используйте сопротивление и напряжение Тевенина, чтобы найти ток, протекающий через нагрузку.

Вот пример схемы, с которой мы будем работать:

(Источник изображения)

Шаг 1 - Thevenin Resistance

Сначала нам нужно снять нагрузочный резистор 40 Ом, соединяющий клеммы A и B, вместе со всеми источниками напряжения.Это даст нам разомкнутую цепь при нулевом напряжении, в результате чего останется только два резистора, подключенных последовательно.

(Источник изображения)

Чтобы рассчитать общее сопротивление тевенину, мы можем использовать следующий процесс:

Шаг 2 - Напряжение Thevenin

Затем мы можем использовать закон Ома для вычисления полного тока, протекающего по цепи, следующим образом:

Поскольку эти резисторы соединены последовательно, они будут иметь одинаковый 0.33 ампера. Мы можем использовать эти значения резисторов и наш ток для расчета падения напряжения, которое составляет:

Шаг 3 - Ток нагрузки

Теперь, когда у нас есть сопротивление и напряжение Тевенина, мы можем соединить нашу эквивалентную схему Тевенина с нашим исходным нагрузочным резистором, как показано ниже.

Отсюда мы можем использовать закон Ома для расчета полного тока, протекающего через нагрузочный резистор, следующим образом:

Готовы проверить свои навыки? Используйте теорему Тевенина, чтобы найти iload и vload для схемы ниже!

Запомните трехэтапный процесс:

  1. Найдите сопротивление Тевенину, отключив все источники напряжения и нагрузку.
  2. Найдите напряжение Thevenin, повторно подключив источники напряжения.
  3. Используйте сопротивление и напряжение Тевенина, чтобы найти общий ток, протекающий через нагрузку.

Сохраняйте простоту

Планируете разработать схему питания постоянного тока? Скорее всего, вы включите нагрузку, значение которой изменится во время анализа схемы. Вместо того, чтобы пересчитывать всю схему каждый раз, когда вы меняете значение этой нагрузки, теперь у вас есть теорема Тевенина, которая упрощает вашу работу.

Эта теорема позволяет вам взять любую сложную линейную схему с множеством резистивных компонентов и ЭДС и упростить ее до эквивалентной схемы Тевенина. С помощью этой упрощенной схемы вы можете легко рассчитать общий ток и напряжение, протекающие через нагрузку. Это огромная экономия времени для любого инженера, которому необходимо эффективно анализировать схемы для силовых схем и других сложных приложений.

Тем из вас, кто изучает визуальное / кинестетическое мышление, обязательно посмотрите видео ниже, в котором показано, как использовать теорему Тевенина шаг за шагом.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *