Что такое электрический ток и напряжение. Как связаны эти физические величины. Каковы единицы измерения тока и напряжения. Как ток и напряжение влияют на работу электрических цепей и устройств.
Что такое электрический ток и как он возникает
Электрический ток представляет собой направленное движение заряженных частиц. В металлических проводниках это движение свободных электронов. Ток возникает под действием электрического поля, которое создается источником напряжения.
Основные характеристики электрического тока:
- Сила тока — количество заряда, проходящее через поперечное сечение проводника за единицу времени. Измеряется в амперах (А).
- Плотность тока — сила тока, приходящаяся на единицу площади сечения проводника. Измеряется в А/м².
- Направление тока — условно принято от положительного полюса источника к отрицательному.
Для возникновения и поддержания тока необходимо наличие замкнутой электрической цепи и источника ЭДС (электродвижущей силы).
Напряжение как причина возникновения тока
Электрическое напряжение — это разность потенциалов между двумя точками электрической цепи. Напряжение является причиной возникновения электрического тока в проводнике.
Основные характеристики напряжения:
- Единица измерения — вольт (В).
- Обозначается буквой U.
- Напряжение создается источниками ЭДС — гальваническими элементами, аккумуляторами, генераторами и т.д.
- Чем выше напряжение, тем больший ток может протекать через проводник при прочих равных условиях.
Напряжение характеризует работу, которую совершает электрическое поле при перемещении единичного положительного заряда между двумя точками цепи.
Взаимосвязь тока и напряжения: закон Ома
Взаимосвязь между током и напряжением в электрической цепи описывается законом Ома. Согласно этому закону, сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению участка цепи:
I = U / R
где:
- I — сила тока (А)
- U — напряжение (В)
- R — сопротивление (Ом)
Из закона Ома следует, что при увеличении напряжения сила тока возрастает, а при увеличении сопротивления — уменьшается. Это фундаментальное соотношение лежит в основе расчета электрических цепей.
Единицы измерения тока и напряжения
Для количественного описания тока и напряжения используются следующие единицы измерения:
Единицы измерения тока:
- Ампер (А) — основная единица силы тока в СИ. 1 А равен току, при котором через поперечное сечение проводника за 1 секунду проходит заряд в 1 кулон.
- Миллиампер (мА) — 0,001 А. Часто используется для измерения малых токов.
- Микроампер (мкА) — 0,000001 А. Применяется в микроэлектронике.
Единицы измерения напряжения:
- Вольт (В) — основная единица напряжения. 1 В равен разности потенциалов, при которой заряд в 1 кулон совершает работу в 1 джоуль.
- Киловольт (кВ) — 1000 В. Используется для высоких напряжений.
- Милливольт (мВ) — 0,001 В. Применяется для измерения малых напряжений.
Правильный выбор единиц измерения позволяет корректно описывать электрические величины в различных приложениях — от микроэлектроники до систем электроснабжения.
Источники тока и напряжения в электрических цепях
Для создания и поддержания тока в электрической цепи необходимы источники ЭДС (электродвижущей силы). Они обеспечивают разность потенциалов, под действием которой движутся заряженные частицы.
Основные виды источников тока и напряжения:
- Гальванические элементы и аккумуляторы — химические источники тока.
- Электрические генераторы — преобразуют механическую энергию в электрическую.
- Солнечные батареи — преобразуют энергию света в электрическую.
- Термоэлементы — создают ЭДС за счет разности температур.
- Блоки питания — преобразуют переменное напряжение сети в постоянное.
При выборе источника важно учитывать требуемые значения тока и напряжения для конкретного применения. Например, для питания микросхем нужны источники с низким напряжением и малым током, а для электродвигателей — с высоким напряжением и большим током.
Влияние тока и напряжения на работу электрических устройств
Ток и напряжение оказывают непосредственное влияние на функционирование электрических и электронных устройств. Понимание этого влияния критически важно для правильной эксплуатации оборудования.
Влияние тока:
- Определяет мощность устройства (P = I * U)
- Вызывает нагрев проводников (эффект Джоуля-Ленца)
- Создает магнитное поле вокруг проводника
- Может вызвать повреждение компонентов при превышении допустимых значений
Влияние напряжения:
- Определяет работоспособность полупроводниковых приборов
- Влияет на электрическую прочность изоляции
- Может вызвать пробой диэлектриков при превышении допустимых значений
- Определяет требования к компонентам по максимально допустимому напряжению
Правильный выбор рабочих значений тока и напряжения обеспечивает оптимальную производительность и долговечность электрических устройств.
Методы измерения тока и напряжения
Для контроля работы электрических цепей и устройств необходимо измерять ток и напряжение. Существуют различные методы и приборы для этих измерений.
Измерение тока:
- Амперметр — включается последовательно в цепь
- Токовые клещи — измеряют ток бесконтактным способом
- Шунт — для измерения больших токов
Измерение напряжения:
- Вольтметр — подключается параллельно участку цепи
- Осциллограф — для измерения переменного напряжения
- Делитель напряжения — для измерения высоких напряжений
При проведении измерений важно соблюдать правила техники безопасности и учитывать влияние измерительных приборов на работу исследуемой цепи.
Применение знаний о токе и напряжении в практической электронике
Понимание природы тока и напряжения, а также их взаимосвязи критически важно для практической работы с электронными устройствами. Эти знания находят применение в различных областях:
- Проектирование электронных схем — выбор номиналов компонентов, расчет цепей
- Диагностика неисправностей — анализ отклонений тока и напряжения от нормы
- Энергосбережение — оптимизация потребления тока устройствами
- Безопасность — расчет защитных цепей, предотвращение перегрузок
- Разработка источников питания — обеспечение требуемых параметров тока и напряжения
Грамотное применение знаний о токе и напряжении позволяет создавать эффективные, надежные и безопасные электронные устройства.
разница между током и напряжением
Ток и напряжение два основных элемента электричества, необходимые для того, чтобы электроэнергия обеспечивала работу какой-либо системы и превращалась в другую форму, о которых все думают, что им все известно, хотя можно сказать, никому ничего не известно и являющиеся незаменимыми частями нашей жизни.
Разница между током и напряжением;
ЧТО ТАКОЕ ТОК?
Электрический ток как технический термин — число электронов, проходящих через проводник в единицу времени. Чем больше электронов тока проходит через единицу во времени, тем интенсивнее ток. Один ампер соответствует примерно 6,24 × 1018 электронов.
ЧТО ТАКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ?
Напряжение как технический термин, представляет собой разность потенциалов между двумя концами проводника. Чтобы иметь возможность использовать определенное значение тока, генерируемое электронами в качестве электрической энергии, необходимо задать им направление, в противном случае они будут фиксированно вращаться вокруг атомов, и не будут превращаться в энергию. Напряжение — это электродвижущая сила, необходимая для перетаскивания электронов из одного места в другое.
Для того, чтобы более четко понять, рассмотрим водопровод; вода внутри водопровода выражает ток, а для перетекания воды из одного направления в другое требуется потенциальная разница высоты или мощность двигателя, что и выражает напряжение.
Хотя мировые производители распределительных устройств приняли ряд мер, связанных с током, они не смогли принять четкие меры в отношении напряжения. Что касается ситуаций, в которых ток наносит вред, были изготовлены термомагнитные выключатели, ограничители остаточного тока, разрядники и многие другие устройства.
В мире эти пробелы пытаются заполнять реле защиты фазы, регуляторы
Регуляторы обеспечили нормальный уровень напряжения, не прерывая энергии в случае, если напряжение выше или ниже определенного уровня.
В дополнение к регуляторам источники питания стали незаменимыми при внезапных сбоях питания и для систем жизнеобеспечения, компьютерных данных и высокопроизводительных систем безопасности, особенно в больницах, путем генерирования энергии в течение определенного периода времени.
В дополнение ко всем этим мерам необходимо предотвращать повреждение таких защитных устройств, как регулятор, источник питания и реле защиты фазы, а также устройства системы от мгновенных перенапряжений. Это обеспечивает Trimbox .
Выбор режима ручной дуговой сварки
Дуговую сварку контролируют ряд параметров, а именно:
- сварочный ток
- напряжение дуги
- скорость сварки
- род и полярность тока
- положение шва в пространстве
- тип электрода и его диаметр
Поэтому перед началом работы следует подобрать значения этих параметров так, чтобы сварочный шов получился требуемого размера и хорошего качества.
1.1 Сварочный ток (выбор сварочного тока посредством подбора диаметра электрода)
Важнейшим параметром при работе ручной дуговой сварки является сила сварочного тока. Именно сварочный ток будет определять качество сварочного шва и производительность сварки в целом.
Обычно рекомендации по выбору силы сварочного тока приведены в инструкции пользователя, которая поставляется в комплекте со сварочным аппаратом. Если таковой инструкции нет, то силу сварочного тока можно выбрать в зависимости от диаметра электрода. Большинство производителей электродов размещают информацию о величинах сварочного тока прямо на упаковках своей продукции.
Диаметр электрода подбирают в зависимости от толщины свариваемого изделия. Однако помните, что увеличение диаметра электрода уменьшает плотность сварочного тока, что приводит к блужданию сварочной дуги, её колебаниям и изменениям длины. От этого растет ширина сварочного шва и уменьшается глубина провара – то есть качество сварки ухудшается. Кроме того, уровень сварочного тока зависит от расположения сварочного шва в пространстве. При сварке швов в потолочном или вертикальном положении рекомендуется диаметр электродов не меньше 4 мм и понижение силы сварочного тока на 10-20 %, относительно стандартных показателей тока при работе в горизонтальном положении.
Таблица 1.1
| Примерное соотношение толщины металла, диаметра электрода и сварочного тока | ||||||||
| Толщина металла, мм | 0,5 | 1-2 | 3 | 4-5 | 6-8 | 9-12 | 13-15 | 16 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Диаметр электрода, мм | 1 | 1,5-2 | 3 | 3-4 | 4 | 4-5 | 5 | 6-8 |
| Сварочный ток, А | 10-20 | 30-45 | 65-100 | 100-160 | 120-200 | 150-200 | 200-250 | 200-350 |
1.2 Напряжение дуги (длина сварочной дуги)
После того, как сила сварочного тока определена, следует рассчитать длину сварочной дуги. Расстояние между концом электрода и поверхностью свариваемого изделия и определяет длину сварочной дуги. Стабильное поддержание длины сварочной дуги очень важно при сварке, это сильно влияет на качество свариваемого шва. Лучше всего использовать короткую дугу, т.е. длина которой не превышает диаметр электрода, но это достаточно тяжело осуществить даже при наличии солидного опыта. Поэтому оптимальной длиной дуги принято считать размер, который находится между минимальным значением короткой дуги и максимальным значением (превышает диаметр электрода на 1-2 мм)
Таблица 1.2
| Примерное соотношение диаметра электрода и длины дуги | ||||||||
| Диаметр электрода, мм | 1 | 1,5-2 | 3 | 3-4 | 4 | 4-5 | 5 | 6-8 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Длина дуги, мм | 0,6 | 2,5 | 3,5 | 4 | 4,5 | 5 | 5,5 | 6,5 |
1.3 Скорость сварки
Выбор скорости сварки зависит от толщины свариваемого изделия и от толщины сварочного шва. Подбирать скорость сварки следует так, что бы сварочная ванна заполнялась жидким металлом от электрода и возвышалась над поверхностью кромок с плавным переходом к основному металлу изделия без наплывов и подрезов. Желательно поддерживать скорость продвижения так, что бы ширина сварочного шва превосходила в 1,5-2 раза диаметр электрода.
Если слишком медленно перемещать электрод, то вдоль стыка образуется достаточно большое количество жидкого металла, который растекается перед сварочной дугой и препятствует её воздействию на свариваемые кромки – то есть результатом будет непровар и некачественно сформированный шов.
Неоправданно быстрое перемещение электрода тоже может вызывать непровар из-за недостаточного количества тепла в рабочей зоне. А это чревато деформацией швов после охлаждения, вплоть до трещин.
Наиболее простой способ подбора скорости сварки ориентирован на приблизительно среднее значение размеров сварочной ванны. В большинстве случаев сварочная ванна имеет размеры: ширина 8–15 мм, глубина до 6 мм, длина 10–30 мм. Важно следить, что бы сварочная ванна равномерно заполнялась плавленным металлом, т.к. глубина проплавления почти не изменяется.
На рисунке видно, что при увеличении скорости заметно уменшается ширина шва, при этом глубина проплавления остается почти неизменной. Очевидно, что наиболее качественные швы (в этом примере) – при скоростях 30 и 40 м/ч.
1.4 Род и полярность тока
У большинства моделей бытовых аппаратов для ручной дуговой сварки на выходе путем выпрямления переменного тока образуется постоянный сварочный ток. При использовании постоянного тока возможны два варианта подключения электрода и детали:
- При прямой полярности деталь подсоединяется к зажиму «+», а электрод к зажиму «-»
- При обратной полярности деталь подключается к «-», а электрод – к «+»
На положительном полюсе выделяется больше тепла, чем на отрицательном. Поэтому обратную полярность при работе с электродами применяют во время работ по сварке тонколистового металла, чтобы его не прожечь. Можно использовать обратную полярность при сварке высоколегированных сталей во избежание их перегрева, а на прямой полярности лучше варить массивные детали
| Постоянный ток | |
| Прямая полярность | Обратная полярность |
|
|
|---|---|
Низколегированные стали — это конструкционные стали, в которых содержится не больше 2,5% легирующих элементов (углерода, хрома, марганца, никеля и т.д., причем углерода не должно быть более 0,2 %), широко применяются в строительстве, судостроении, трубопрокатном производстве. Сварку низколегированных сталей можно производить как ручным способом, так и автоматически, вне зависимости от полярности тока.
1.5 Зажигание (возбуждение) сварочной дуги
Зажигание (возбуждение) сварочной дуги можно производить 2-мя способами.
| Первый способ: Чиркаем концом электрода о поверхность металла (напоминает движение зажигаемой спички). Данный способ чаще всего применяют на новом электроде. Этот метод прост и особых профессиональных навыков не требует. | Второй способ можно назвать «касанием», т.к. электрод подводят вертикально (перпендикулярно) к месту начала сварки и после легкого прикосновения к поверхности изделия отводят верх на расстояние примерно в 3-5 мм. Чаще всего этот способ применяют в труднодоступных, узких и прочих неудобных местах. |
|---|
Технические характеристики — Инвертор сварочный IQ 200 (макс.ток 200А_ПВ 40%_раб.напряжение 150-240В)
Напряжение сети, В
220
Потребляемая мощность, кВт
7.7
Метод сварки
MMA
Диапазон сварочного тока, А
20 – 200
Напряжение холостого хода, В
65
Рабочее напряжение
150 — 240 В
Диаметр электрода/проволоки
1.6 — 5.0/-
Длина кабеля, м
1.2/1.8
Габариты, мм
292х112х162
Родина бренда
Германия
Гарантия
2 года
Код поставщика
38832
Основы электроники. Часть 1. Заряды, потенциалы, напряжение, ток, сопротивление…
- Часть 1. Заряды, потенциалы, напряжение, ток, сопротивление…
- Часть 2. Как работают конденсаторы. Основные параметры конденсаторов.
В небольшом цикле статей «Основы электроники» я попытаюсь на простых примерах, без длинных заумных формул (хотя совсем уж без них не обойтись), вихревых полей и квантовой физики объяснить основные понятия электроники: ток, напряжение, сопротивление и т.п. и объяснить как работают различные электронные компоненты: конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы и т.д. Надеюсь, что получится такое своеобразное руководство, которое поможет вам лучше понимать, как именно работает та или иная схема, что будет, если, например, изменить номиналы тех или иных её компонентов, о чём говорят те или иные осциллограммы и т.д. Это конечно не совсем с самого начала, но учебник за пятый класс я думаю переписывать смысла нет, начнём с шестого.
Итак, только то, что нам важно. Во-первых, ток. Ток — это упорядоченное движение заряженных частиц. Каких частиц? Да без разницы, в металлах это электроны, в растворах — ионы, хоть заряженными шарами из катапульты кидайтесь, главное, что перенос зарядов из одного места в другое называется током. Заряд измеряется в кулонах (К) и обычно обозначается буквой q. Ну, ладно бог с ним, что такое ток мы разобрались, теперь встаёт вопрос, как оценить большой ток или маленький и как вообще его описать количественно. Для этого ввели понятие сила тока. Сила тока — это величина, показывающая сколько переносится заряда в единицу времени. Это как, например, расход воды из шланга, если мерить его в кубометрах в час. Расход тоже показывает какой объём воды переносится, например, в каком-то сечении трубы в единицу времени. Точно так же и сила тока. Она показывает сколько проходит заряда через то место, где мы измеряем силу тока, в единицу времени. Если в единицу времени переносится много заряда — ток большой, если мало — маленький. Сила тока измеряется в амперах (А) и обычно обозначается буквой I. В соответствии со сказанным выше, формула, определяющая связь между переносимым зарядом и силой тока будет выглядеть так: I=dq/dt.
Далее, что нужно для того, чтобы между какими-то двумя точками (телами, предметами …) начал протекать электрический ток? Во-первых, в этих точках должны быть свободные (то есть способные двигаться) заряды, во-вторых, между этими точками должна быть среда, по которой заряды могут двигаться, ну и наконец, в-третьих, должно быть что-то, что, собственно, заставит их направленно двигаться, то есть что-то, что приложит к зарядам силу и совершит работу по их переносу, потратит на это свою энергию (это может быть электрическое поле, магнитное поле, та же катапульта, не важно что, главное чтобы оно могло совершить работу по переносу заряда).
Возьмём какое-либо электрически нейтральное (т.е. такое, в котором одинаковое количество отрицательных и положительных зарядов) тело, в котором есть свободные отрицательные и положительные заряды. Они как-то там хаотично (т.е. не имея какого-то общего направления) двигаются по телу (броуновское движение), но при этом, в среднем, количество отрицательных и положительных зарядов в обоих половинах тела (да и вообще в любой части тела) остаётся одинаковым. Для примера, представьте себе облако мошкары. Все насекомые в нём как-то там довольно хаотично двигаются, но при этом в целом всё облако может стоять на месте, иметь одну и ту же форму и постоянно содержать примерно одинаковую концентрацию насекомых в любой своей части.
Предположим, что появилась некая внешняя сила (показана в виде человечков), которая стремится переместить свободные отрицательные заряды в левую часть тела, а свободные положительные заряды — в правую часть. При этом свободные заряды также как и раньше остаются подверженными и броуновскому движению тоже, но когда, например, отрицательные заряды летят вправо, наша внешняя сила их тормозит, а когда влево, то ускоряет (с положительными зарядами всё наоборот). Так вот, в этом случае в левой части тела образуется избыток отрицательных частиц, их становится больше, чем положительных, а в правой части тела образуется избыток положительных частиц. Соответственно, левая часть приобретает отрицательный заряд, а правая — положительный.
Для того, чтобы стало понятно как можно одновременно двигаться и хаотично и направленно — давайте снова обратимся к примеру с облаком мошкары. Вспомните, как это облако двигается. В нём нет такого, что все насекомые построились клином, как птицы, и летят в одном направлении, наоборот все мошки как и всегда двигаются хаотично, летая вперёд, назад, вверх и вниз по самым разнообразным траекториям. Но, в одну сторону они пролетают каждый раз чуть большее расстояние, чем в другую, и в итоге всё это облако хаотично летающей мошкары, в целом, вполне направленно двигается. Надеюсь теперь это стало понятнее, вернёмся к нашей внешней (сторонней) силе.
Эта внешняя сила может действовать во всём объёме тела или только на границе раздела каких-то двух сред из которых состоит тело, может действовать только на положительные или только на отрицательные заряды, величина её воздействия на заряженные частицы может определяться зарядом этих частиц, а может определяться, например, их массой, это неважно, главное, что есть некоторая сила, действие которой приводит к тому, что нарушается равномерное распределение зарядов по телу и одна часть тела становится заряженной относительно другой.
Отношение работы сторонних сил по перемещению зарядов к общей величине перемещённого заряда называется электродвижущей силой или кратко — ЭДС (обозначается обычно буквой Е). Название не совсем удачное, потому что в соответствии с определением , ЭДС — это не сила, а как бы удельная энергия, т.е. энергия, которая была затрачена на перемещение единицы заряда, ну да бог с ним.
Теперь встаёт вопрос, а почему вообще на перемещение зарядов идёт какая-то работа? Они что, сопротивляются что ли этому самому перемещению, мы же вроде сказали, что эти заряды могут свободно путешествовать по телу? Какие силы приходится преодолевать при совершении этой работы? Все же знают, что для того, чтобы переместить что-то, что этому перемещению не особо сопротивляется, — и работать-то особо не нужно. Например, можно почти не напрягаясь толкнуть человека раза в два больше тебя весом, если он стоит на льду, а ты на снегу у края катка. Будет он потом скользить себе и скользить — трения то почти нету, никакая сила перемещению не сопротивляется . А вот чтобы передвинуть этого же человека, но стоящего на асфальте — надо очень даже хорошо поработать, тут уже сила трения будет большой, т.е. сопротивляться перемещению она будет сильно. Ну что же, давайте выясним, что сопротивляется разделению зарядов.
Как все я думаю знают из курса физики — вокруг зарядов существует электрическое поле. Так вот, когда наши заряды были равномерно распределены по телу — создаваемые ими электрические поля компенсировали друг друга и в целом напряжённость электрического поля можно было считать в любой точке тела равной нулю. Теперь, когда в левой части становится больше отрицательных зарядов, а в правой положительных, — в рассматриваемом нами теле напряженность перестаёт быть равной нулю, ну или можно сказать «возникает» электрическое поле, но мне это не очень нравится, потому что электрическое поле всегда вокруг зарядов было, просто теперь заряды распределены таким образом, что их электрические поля больше не компенсируют друг друга. На рисунке напряжённость показана стрелочками. Она также как и ЭДС обозначается буквой E (только с чертой наверху, поскольку это вектор), но это совершенно разные вещи. Напряжённость — это силовая характеристика электрического поля, она показывает насколько сильно и в каком направлении будет действовать поле на помещённый в него единичный заряд.
Так вот, это поле стремится снова распределить заряды равномерно, то есть оно во-первых, стремиться вернуть избыток отрицательных зарядов из левой части в правую и, во-вторых, сопротивляется переносу в левую часть новых отрицательных зарядов из правой части. Аналогично, избыток положительных зарядов из правой части оно стремиться переместить в левую, а так же препятствует переносу новых положительных зарядов из левой части в правую. И чем больше мы разделяем заряды — тем это поле становится сильнее. В конце концов наступает момент равновесия, когда внешней силы уже не хватает для того, чтобы переместить ещё какое-то количество отрицательных зарядов из правой части в левую или положительных зарядов из левой части в правую, но и силы электрического поля не хватает, чтобы преодолеть внешнюю силу и вернуть часть отрицательных зарядов из левой половины тела в правую или часть положительных зарядов из правой половины тела в левую.
Всё это чем-то напоминает действие силы упругости. Чем больше мы растягиваем пружину — тем больше становится сила сопротивления. В конце концов наступит момент равновесия,
когда наша сила станет равна этой самой силе сопротивления и мы больше ни на сантиметр растянуть пружину не сможем. Просто держать в таком растянутом положении — сможем, а растянуть ещё хоть
чуть-чуть — нет.
Итак, разобрались — работа сторонних сил идёт на преодоление сил электрического поля. Математически это описывается таким выражением: E=Аст/q, где E — ЭДС, Аст — работа сторонних сил, q — заряд.
Теперь давайте разберёмся какой энергией обладает это наше поле. Энергетической характеристикой поля является потенциал. Потенциал — это отношение потенциальной энергии, которой обладает заряд, находясь в какой-либо точке поля, к величине этого заряда. То есть это как бы удельная потенциальная энергия. Можно провести аналогию с гравитационным полем. Представьте, что мы рассматриваем груз массой m в поле тяготения земли. Как мы знаем, в этом случае потенциальная энергия груза, находящегося на высоте h, будет равна mgh, а потенциал в таком случае будет равен отношению потенциальной энергии груза к массе этого груза, то есть просто gh.
Собственно, сам потенциал никому не интересен, интересна разность потенциалов, которая как раз и называется напряжением (обозначается буквой U). Интересна она тем, что показывает какую работу совершит поле при перемещении единичного заряда из одной точки в другую, если разность потенциалов между этими точками равна U (или, что тоже самое, — какую работу нужно совершить по преодолению сил электрического поля, чтобы переместить единичный заряд между точками, разность потенциалов между которыми равна U). И ещё она интересна тем, что нам абсолютно без разницы по какой траектории перемещался наш заряд, главное, что если разность потенциалов между начальной и конечной точками его маршрута равна U, то мы можем точно посчитать, какая при этом была совершена работа. Математически это описывается так: U=A/q.
Что это означает и что это нам вообще даёт? Всё очень просто. Теперь, если соединить, например, куском проволоки, противоположные концы рассматриваемого нами тела, то в этом самом куске проволоки, естественно, также будет электрическое поле, как, собственно, и во всём окружающем заряженные концы тела пространстве. Однако, в этом самом куске проволоки, в отличие от окружающего тело воздуха есть свободные электроны, которые под действием нашего электрического поля начнут двигаться в сторону того конца, у которого избыток положительных зарядов и недостаток отрицательных. То есть в цепи возникнет электрический ток. Вот мы и получили замкнутую цепь, в которой протекает электрический ток. Сторонние силы разделяют заряды в некотором теле (я думаю уже понятно, что это тело можно назвать источником ЭДС), в результате чего возникает электрическое поле, которое приводит в движение электроны в куске проволоки, соединяющем противоположные концы (противоположные выводы) источника ЭДС.
Чтобы звучало совсем как в учебнике — осталось только назвать наш кусок проволоки внешней цепью. Получится вот что: сторонние силы разделяют заряды в источнике ЭДС, в результате этого между его выводами появляется разность потенциалов электрического поля (напряжение), электрическое поле приводит к возникновению тока во внешней цепи. При этом электроны из внешней цепи будут заходить в положительный вывод источника ЭДС, а из отрицательного вывода источника ЭДС они будут выходить во внешнюю цепь. Как только какое-то количество электронов войдёт в положительный вывод источника ЭДС или выйдет из отрицательного — дисбаланс зарядов в правой и левой частях уменьшится, электрическое поле ослабнет, равновесие нарушится и сторонние силы внутри источника ЭДС опять начнут перетаскивать электроны из одной части в другую пока сила поля опять не вырастет и не наступит равновесие. И так этот процесс будет повторяться по кругу, пока либо сторонние силы не исчезнут, либо внешняя цепь не разорвётся.
Записав выражение, связывающее напряжение, заряд и работу поля по переносу зарядов в виде A=U*q, продифференцировав обе части по dt и вспомнив, что I=dq/dt, а P=dA/dt мы можем получить известную формулу для мгновенной мощности: P=U*I.
Всё это замечательно, но давайте ещё раз вернёмся к ЭДС и напряжению.
Если вы внимательно прочитаете что показывает разность потенциалов (та трактовка, которая в скобочках) и сравните это с тем, что мы говорили об ЭДС, то вы увидите, что это, в принципе, одно и тоже. Вот те раз! На самом деле ничего странного тут нет, всего лишь закон сохранения энергии. Действительно, мы сказали, что работа сторонних сил идёт на преодоление возникающих сил электрического поля, а почему это самое поле возникает и откуда получает энергию? Да конечно, в результате действия этих самых сторонних сил и возникает и, следовательно, от них и получает энергию. А это значит, что какую работу сторонние силы совершили, такая энергия в энергию электрического поля и перешла, такая энергия и может быть потрачена теперь уже электрическим полем на перемещение зарядов. Это как если бы мы поднимали груз, массой m, на высоту. Какую надо совершить работу и против каких сил? Правильно, надо совершить работу против сил гравитации, равную по величине mgh. Куда эта работа делась? Правильно, она превратилась в потенциальную энергию и теперь уже силы гравитации могут совершить над грузом такую же работу, равную mgh, если мы этот поднятый груз отпустим. Ладно, пусть мы действительно отпустили груз. Теперь силы гравитации совершат над грузом работу и их энергия перейдёт в кинетическую энергию груза, которая (при отсутствии потерь на сопротивление воздуха конечно) опять будет в точности равна совершённой первоначально работе.
Итак, получается, что для источника ЭДС напряжение на его выводах должно быть равно ЭДС. На самом деле не совсем. Помните нашу оговорку в примере про поднятие груза на высоту: «при отсутствии потерь на сопротивление воздуха». В случае с нашим куском проволоки тоже есть потери энергии, и величина, которая их характеризует, так и называется — сопротивление. Товарищ Ом записал зависимость между напряжением, силой тока и сопротивлением для участка цепи, которую сейчас все знают как закон Ома: U=I*R. Исходя из этой формулы, сопротивление — это величина, показывающая какое напряжение нужно приложить к рассматриваемому участку цепи, чтобы сила тока на этом участке стала равной одному амперу. То есть если мы приложили к какому-то куску проволоки напряжение U, то если у него большое сопротивление — ток через этот кусок установится маленький, а если у него маленькое сопротивление, то ток через него будет большим.
Но давайте всё же поподробнее поговорим про потери энергии: что куда теряется и куда девается. Представьте, что наши частицы, которые движутся по куску проволоки, никто не тормозит. Тогда под действием силы электрического поля они двигались бы с постоянным ускорением, скорость их постоянно бы увеличивалась и следовательно сила тока бы тоже постоянно увеличивалась (мы же помним, что сила тока — это количество переносимого заряда в единицу времени) и так до бесконечности. Но мы прекрасно знаем, что после подключения какой-либо цепи к источнику ЭДС, в этой цепи устанавливается какая-то вполне определённая сила тока и если параметры цепи и источника питания не меняются, то и сила тока остаётся постоянной. Это происходит из-за того, что при движении наших свободных заряженных частиц через вещество, они взаимодействуют с другими частицами этого вещества и передают им часть своей энергии. Причём чем быстрее наши заряженные частицы двигаются — тем сильнее они с другими частицами взаимодействуют и тем больше энергии им передают. И сколько же интересно всего наши заряженные частицы передают им энергии? Давайте подумаем. Раз сила тока в цепи не изменяется, значит скорость направленного движения зарядов тоже не меняется. А когда скорость не меняется? Когда все силы уравновешены и ускорение равно нулю (это ещё Ньютон знал). Значит в состоянии равновесия (когда ток стал постоянным и больше не меняется) работа сил электрического поля будет равна работе сил сопротивления. А раз так, значит в этом случае все новые порции энергии, которые заряды получают от поля, отнимаются у них силами сопротивления (т.е. другими частицами вещества). Куда идёт эта энергия? А она идёт на нагрев.
Примерно так же обстоят дела, например, с летящим в воздухе самолётом. Двигатели создают примерно постоянную силу тяги, но сила сопротивления воздуха пропорциональна скорости его движения. Пока скорость небольшая — самолёт разгоняется, скорость увеличивается, большая часть работы силы тяги идёт на увеличение кинетической энергии самолёта, но с ростом скорости растёт и сила сопротивления воздуха. В конце концов наступает такой момент, когда сила тяги и сила сопротивления воздуха уравновешивают друг друга и самолёт перестаёт разгоняться, теперь уже вся энергия, сообщаемая самолёту силой тяги, тут же отбирается у него силами сопротивления воздуха.
От чего сопротивление зависит? Тут опять всё просто. Оно зависит от длины проводника, площади сечения и от свойств самого проводящего материала, которые характеризуются так называемым удельным сопротивлением. Чтобы было понятнее и легче запомнить, вспомните как тяжело продувать воздух через тонкую трубочку и как легко через толстую (если не помните — попробуйте). Аналогично и с длиной — через длинную трубку продуть воздух гораздо сложнее, чем через короткую. Ну а почему сопротивление зависит от свойств самого проводника думаю и так понятно: частицы вещества могут располагаться плотнее или менее плотно, могут иметь разную массу и так далее, и всё это будет влиять на то, насколько сильно они будут тормозить движущиеся по веществу заряды. Математически это описывается так: R=p*l/S, где p — удельное сопротивление (оно как раз характеризует свойства самого материала), l — длина проводника, S — площадь его поперечного сечения.
Теперь, зная о сопротивлении, вернёмся к вопросу об ЭДС и напряжении. Так вот, у источника ЭДС тоже есть внутреннее сопротивление (то есть когда заряды движутся в источнике ЭДС — они тоже тормозятся частицами вещества источника, что в общем-то логично — какая разница где двигаться), поэтому когда в цепи течёт электрический ток, напряжение на выводах источника ЭДС будет меньше ЭДС на величину I*r, где r — внутреннее сопротивление источника. Таким образом полностью уравнение, связывающее ЭДС, токи и сопротивления для нашей цепи с источником ЭДС и куском проволоки можно записать так: E=I*r+I*R, где r — внутреннее сопротивление источника ЭДС, R — сопротивление куска проволоки. U=E-I*r (или, что тоже самое U=I*R) — напряжение на выводах источника ЭДС (или можно сказать по другому — падение напряжения на нашем куске проволоки).
Вот с этими последними уравнениями баловался старина Кирхгоф. Его же осенила ещё одна гениальная догадка: заряды оказывается не могут тупо взять и исчезнуть или взять и появиться (вот кто бы мог подумать, тут явно было без гения не обойтись), поэтому для любого узла цепи сумма втекающих в него в единицу времени зарядов равна сумме вытекающих, ну и, соответственно, раз уж заряд в единицу времени — это ток, то получается сумма втекающих в узел токов равна сумме вытекающих из этого узла токов. Эти его озарения сейчас известны как «законы Кирхгофа».
Ну всё, устал писать. Вот примерно так выглядит классическая теория. Для того, чтобы представить как что работает в какой-нить электрической цепи, кое-что посчитать и прикинуть что будет, если увеличить/уменьшить те или иные параметры, этого вполне хватит. Будут вопросы — на форум.
- Часть 1. Заряды, потенциалы, напряжение, ток, сопротивление…
- Часть 2. Как работают конденсаторы. Основные параметры конденсаторов.
Постоянный ток низкого напряжения и стандарты МЭК
Постоянный электрический ток низкого напряжения (ПТНН) — это революционная технология, способная коренным образом изменить способ производства и потребления электроэнергии. Распространение электронных и электромеханических устройств, растущая зависимость от возобновляемых источников энергии и децентрализация электросети (в том числе благодаря распространению солнечных панелей / ветряков) обернулись ростом интереса к использованию технологии ПТНН.Генерирующие мощности на базе возобновляемых источников энергии вырабатывают постоянный ток (ПТ). Многие электронные устройства, используемые в домах, на фабриках, в медицинских учреждениях и центрах обработки данных, работают от источника постоянного тока.
Эффективность нашей инфраструктуры повышается за счет использования электроэнергии постоянного тока непосредственно из источника для запитки устройств без каких-либо преобразований, включая изменение напряжения и перевод в переменный ток.
Однако необходимы усилия по стандартизации, чтобы гарантировать широкую доступность и безопасность технологий ПТНН. В данном вопросе на первый план выходят усилия Международной электротехнической комиссии (International Electrical Commission; IEC; МЭК).
Недавно организация опубликовала новый технический отчет МЭК ТО 63282 «Системы постоянного электрического тока низкого напряжения – Оценка стандартных напряжений и требований к качеству электроэнергии». В документе содержатся рекомендации по стандартизации уровней напряжения и других связанных аспектов для систем ПТНН.
По словам экспертов МЭК, стандартизация уровней напряжения и качества электроэнергии может сделать возможным широкое внедрение технологии ПТНН. Авторы нового технического отчета при подготовке документа собрали информацию и передовой опыт, чтобы сделать такую стандартизацию возможной и определить области, в которых требуется дальнейшая работа.
Напряжение
Список стандартных напряжений для систем ПТНН необходим для удовлетворения требований заинтересованных сторон касаемо различных сценариев использования, а также для обеспечения безопасности и экономической эффективности.Определенный набор диапазонов напряжения обеспечивает основу для проектирования и тестирования электрического оборудования, позволяя относительно легко импортировать и экспортировать его в разные регионы. МЭК ТО 63282 дает соответствующие рекомендации для стандартных напряжений.
Качество электроэнергии
Качество электроэнергии является важным фактором в контексте обеспечения корректной работы систем передачи и распределения данного энергоресурса. При этом требования, как правило, варьируются в достаточно широком диапазоне – в зависимости от сценариев использования и компоновки конкретной системы.Для систем ПТНН вопросы качества электроэнергии пока еще не были полностью изучены. Соответствующая информация необходима для обеспечения эффективного планирования и надежной эксплуатации решений на базе рассматриваемой технологии. МЭК ТО 63282 определяет изменение параметров качества электроэнергии в случае ПТНН-решений и дает рекомендации по их границам.
В приложении к МЭК ТО 63282 приведен ряд сценариев использования систем ПТНН. Данный документ подготовила совместная рабочая группа 9 (СРГ 9), объединяющая экспертов из технического комитета МЭК / ТК 8 (Системные аспекты электроснабжения) и комитета по системам МЭК для ПТНН.
сопротивления через силу тока и напряжение
Электротехника как область науки, занимающаяся использованием электроэнергии, в том числе ее получением, распределением и учетом, оперирует значениями тока, напряжения, мощности и сопротивления. Это основные величины. Кроме этого, имеется множество других характеристик и понятий, но в рамках данной статьи будут рассматриваться именно эти основополагающие понятия.
Многообразие устройств электротехники
Электрический ток
Согласно определению, ток представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц в среде. Такими частицами могут быть свободные электроны или ионы, частицы вещества, в которых число протонов в ядре не равно количеству электронов, то есть имеющие определенный заряд, положительный или отрицательный. Электроток может быть постоянный или переменный.
Электрическое напряжение
Электрическое напряжение – это разность потенциалов на противоположных участках цепи. Точное определение понятия подразумевает работу по переносу электрического заряда между участками цепи.
Сопротивление
Любой проводник в цепи препятствует прохождению через себя тока. Данная характеристика определяет такую физическую величину, как сопротивление. Исходя из величины сопротивления, все вещества относят к проводникам или изоляторам. Точная граница весьма расплывчата, поэтому при некоторых условиях некоторые вещества можно отнести как к изоляторам, так и к проводникам. Участок электросхемы может иметь элемент с определенным значением величины, который именуется резистор.
Резисторы различных типов
Мощность
Скорость преобразования, передачи и потребления электрической энергии определяется мощностью.
Взаимосвязь параметров электрической цепи
Все параметры любой электрической цепи строго взаимосвязаны, поэтому в любой момент времени можно точно определить величину любого из них, зная остальные.
К сведению. Основополагающий закон, по которому производится большинство расчетов, – закон Ома, согласно которому сила тока обратно пропорциональна его сопротивлению и прямо пропорциональна приложенной разности потенциалов.
Закон Ома и его основатель
Формула напряжения тока закона Ома выглядит следующим образом:
I=U/R.
Так, цепь с большим напряжением пропускает больший ток, а при одинаковом напряжении ампераж будет больше там, где меньше сопротивление.
Принятые обозначения в формуле расчета напряжения и тока понятны во всем мире:
- I – сила тока;
- U – напряжение;
- R – сопротивление.
Путем простейшего математического преобразования находится формула расчета сопротивления через силу тока и напряжение.
Кроме закона Ома, используется формула расчета мощности:
P=U∙I.
Символом P здесь обозначена мощность тока.
Любая схема может содержать участки, где имеется последовательное соединение, или есть элемент, подключенный параллельно. Расчеты при этом усложняются, но базовые формулы остаются одинаковыми.
Единицы измерения в формуле
Невозможно выполнять расчеты или измерения, не зная, какими величинами оперировать. Общепринятые обозначения, согласно международной системе измерения СИ:
- Напряжение – Вольт. Обозначается символом В или V в англоязычной литературе;
- Сила тока – Ампер. Обозначается символом А;
- Электрическое сопротивление – Ом. Используется обозначение Ом или Ohm;
- Электрическая мощность – Ватт. Обозначается как Вт или W.
Как работает закон в реальной жизни
Используя совместно формулу расчета мощности и закон Ома, можно производить вычисления, не зная одной из величин. Самый простой пример – для лампы накаливания известны только ее мощность и напряжение. Применяя приведенные выше формулы, можно легко определить параметры нити накаливания и ток через нее.
Лампа накаливания
Сила тока формула через мощность:
I=P/U;
Сопротивление:
R=U/I.
Такой же результат можно найти из мощности, не прибегая к промежуточным расчетам:
R=U2/P.
Аналогично можно вычислить любую величину, зная только две из них. Для упрощения преобразований имеется мнемоническое отображение формул, позволяющее находить любые величины.
Правило для запоминания расчетов
Внимательно посмотрев на формулы, можно заметить, что, если уменьшить напряжение на лампе в два раза, ожидаемая мощность не снизится аналогично в два раза, а в четыре, согласно формуле:
P=U2/R.
Это довольно распространенная ошибка среди далеких от электротехники людей, которые неправильно соотносят мощность и напряжение, а также их действие на остальные параметры.
Кстати. Сила тока, найденная через сопротивление и напряжение, справедлива как для постоянного, так и для переменного тока, если в ней не используются такие элементы, как конденсатор или индуктивность.
Облегчить расчеты можно, используя онлайн калькулятор.
Пример с обычной водой
Существуют вещества, которые можно отнести одновременно к проводникам и изоляторам. Самый простой пример – обыкновенная вода. Дистиллированная вода является хорошим изолятором, но наличие в ней практически любых примесей делает ее проводником. Особенно это относится к солям различных металлов. При растворении в воде соли диссоциируются на ионы, их наличие – прямой повод для возникновения тока. Чем больше концентрация солей, тем меньшим сопротивлением будет обладать вода.
Зависимость сопротивления воды от содержания солей
Для наглядности можно взять дистиллированную воду для приготовления электролита для автомобильных аккумуляторных батарей. Опустив щупы омметра в воду, можно увидеть, что его показания велики. Добавление всего нескольких кристаллов поваренной соли через некоторое время вызывает резкое уменьшение сопротивления, которое будет тем меньше, чем больше соли перейдет в раствор.
По какой формуле определяется напряжение
Использование той или иной формулы напряжения электрического тока для вычисления зависит от того, какие величины известны:
- Ток и сопротивление – U=I∙R;
- Ток и мощность – U=P/I;
- Мощность и сопротивление – U=√P∙R
Различные используемые величины
Кроме основных величин: вольт, ампер, ом, ватт, используют кратные, большие или меньшие. Для обозначений применяют соответствующие приставки:
- Кило – 1000;
- Мега – 1000000;
- Гига – 1000000000;
- Милли – 0.001.
Таким образом, получается:
- Киловольт (кВ) – тысяча вольт;
- Мегаватт (Мвт) – миллион ватт;
- Миллиом (мОм) – одна тысячная Ом;
- Гигаватт (ГВт) – тысяча мегаватт или миллиард ватт.
Как найти напряжение
Формула нахождения напряжения как разности потенциалов в электрическом поле:
U=ϕA-ϕB, где ϕAи ϕB – потенциалы в точках А и В, соответственно.
Также можно записать напряжение как работу по переносу единицы заряда из точки А в точку В в электрическом поле:
U=A/q, где q – величина заряда.
Работа тем больше, чем выше напряженность электрического поля Е, то есть сила, действующая на неподвижный заряд.
Потенциальную энергию заряда в электростатическом поле называют электростатический потенциал.
Гидравлическая аналогия
Чтобы легче усвоить законы электрических цепей, можно представить себе аналогию с гидравлической системой, в которой соединение насоса и трубопроводов образует замкнутую систему. Для этого нужны следующие соответствия:
- Источник питания – насос;
- Проводники – трубы;
- Электроток – движение воды.
Без особых усилий становится понятнее, что чем меньше диаметр труб, тем медленнее по ним движется вода. Чем мощнее насос, тем большее количество воды он способен перекачать. При одинаковой мощности насоса уменьшение диаметра труб приведет к снижению потока воды.
Гидравлическая аналогия
Измерительные приборы
Для измерения параметров электрических цепей служат измерительные приборы:
- Вольтметр;
- Амперметр;
- Омметр.
Наиболее часто используется класс комбинированных устройств, в которых переключателем выбирается измеряемая величина – ампервольтомметры или авометры.
Один из самых распространенных авометров
Типичные напряжения
Для стандартизации и возможности использования различного оборудования в быту и технике применяются электрические сети со стандартными значениями:
- Бытовая сеть –220В;
- Бортовая сеть автомобиля – 12 или 24В;
- Батареи и аккумуляторы – 1.5, 3 или 9В.
Потенциал Гальвани
В электрохимии используется понятие потенциала Гальвани, который означает разность потенциала между различными фазами вещества, например, между электродом и электролитом, между электродами из разнородных металлов.
Видео
Урок 8. Делим ток и роняем напряжение
Сегодня мы поговорим о нескольких видах простейших электрических цепей и узнаем, как же можно уронить напряжение и разделить ток на несколько частей. Урок будет длиииииинный, но содержательный, с разбором задачи в конце. Начнем с давно забытого всеми урока за номером четыре, где велся разговор о законе Ома для полной цепи. Было указано, что сила тока в цепи зависит от суммы сопротивлений: внешнего (нагрузки) и внутреннего сопротивления источника. Однако, а почему это мы так вдруг решили, что от суммы, а не, например, от разности или корня квадратного? Бездоказательно, однако! Рассмотрим схему этой цепи, немного отступив от правил прошлого урока… «Ну вот, учили-учили, а теперь забываем применять?! – скажете вы.» Нет, эти правила действительно нужны и мы их будем применять, но только когда нам нужно нарисовать именно принципиальную схему устройства, а сейчас мы будем рассматривать некую небольшую абстрактную схему и для наглядности и простоты некоторых (только некоторых!) правил не будем придерживаться. Но для начала посмотрим, как изображается и обозначается на принципиальной электрической схеме давно уже известное нам сопротивление.
Как видите, это обычный прямоугольник, размерами 10мм*4мм.
Итак, наша схема будет состоять из двух сопротивлений и идеального источника, нарисуем ее.
Рисунок 8.1 – Источник питания с внутренним сопротивлением
На этой схеме внутреннее сопротивление источника GB1 обозначено как r, а сопротивление внешней цепи (нагрузка) – как R. Причем, считаем, что R>>r. Здесь мы и отступаем от норм ГОСТ, поскольку для простоты понимания опускаем цифровые обозначения сопротивлений и добавляем на схему некоторые точки A, B и C. Такое включение сопротивлений называют последовательным, так как включены они как бы друг за другом – конец сопротивления r подключен к началу сопротивления R (точка B) и между ними нет больше каких-либо элементов или отводов. Закон Ома для полной цепи говорит, что ток, в электрической цепи зависит от сопротивления этой цепи и одинаков для всех элементов, то есть ток, протекающий через r, равен току, протекающему через R. Давайте рассмотрим этот момент с помощью метода доказательства «от противного». Предположим, что токи, протекающие через сопротивления различны. Ток через большее сопротивление R, исходя из закона Ома, должен быть меньше тока через r. В таком случае в точке B начал бы накапливаться заряд, поскольку ток, выходящий из точки B меньше тока, входящего в нее, а ток есть ни что иное, как отношение перенесенного полем заряда на время. Накапливаемый в точке B заряд создает в этой точке потенциал, который в некоторый момент времени сравняется с потенциалом положительной клеммы аккумулятора (точка A). В этом случае ток в цепи прекращается, поскольку при разности потенциалов двух точек равной нулю потенциальные энергии зарядов в этих точках равны, и работа поля равна нулю. Это умозаключение, кстати говоря, приводит нас к одному интересному выводу:
между точками одинакового потенциала протекание электрического тока невозможно.
Однако, электроны, образующие не скомпенсированный заряд в точке B постепенно будут поглощаться ионами материала, что приведет к снижению потенциала и возобновлению тока, который восстановит потенциал и опять прервёт сам себя. Но это бы противоречило закону Ома, который говорит, что ток в цепи всегда постоянен, а здесь имеет место прерывистый ток, значение которого зависит от времени. Соответственно, такой ситуации быть не может, мы пришли к противоречию.
Если же мы представим, что r>>R, тогда ток через большее сопротивление r исходя из закона Ома должен быть меньше тока через R. В этом случае ток, втекающий в точку B будет меньше, чем ток, вытекающий из нее, что приведет к уменьшению числа свободных электронов в материале до нуля и ток опять прекратится. Со временем за счет дрейфа и превращения атомов материала в ионы свободные электроны вновь образуются, и ток возобновиться, но истощение заряда продолжится, и ток опять прекратит сам себя. То есть мы видим такую же ситуацию, как в первом случае.
Остаётся только одно разумное решение:
ток в последовательной цепи одинаков для каждого элемента этой цепи.
В этом случае поддерживается постоянный баланс потенциалов всех точек цепи. Это не говорит о том, что потенциалы одинаковы! Это значит, что потенциал каждой точки строго определён протекающим в ней током.
Теперь давайте разберемся, почему ток в цепи будет зависеть от суммы сопротивлений. Тут всё довольно просто. Последовательное соединение двух проводников приводит к увеличению длины эквивалентного проводника, а это в свою очередь – к росту сопротивления (формула из Урока 3). Отсюда запоминаем еще одно важное правило:
эквивалентное сопротивление участка цепи с последовательно включенными сопротивлениями равно сумме этих сопротивлений.
Наш вывод относительно протекания тока между точками одинакового потенциала приводит к тому, что точки A, B и C обладают различными потенциалами, раз ток в цепи существует. Причем потенциал точки C меньше потенциала точки B, а точки B меньше, чем точки A. Почему? А потому что уменьшение количества свободных электронов (за счет столкновения с узлами кристаллической решётки и прочих потерь в материале) происходит последовательно от «минуса» аккумулятора (он же является их источником!) через сопротивления R и r к «плюсу» аккумулятора (а он уже является источником положительных ионов). К тому же мы ведь считаем, что ток «течет» от «плюса» к «минусу», а электроны наоборот – от «минуса» к «плюсу», поэтому, исходя из формулы Урока 3 для потенциальной энергии заряда, видно, что наибольшим потенциалом обладает точка с наименьшим зарядом, – «плюс» аккумулятора.
А раз две точки имеют разный потенциал, то между ними есть напряжение, которое называют падением напряжения. Нетрудно догадаться, что падение напряжения на элементе пропорционально току, протекающему через него, так как величина тока регулирует количество заряда на концах элемента, т.е. разность потенциалов. По сути величина падения напряжения подчиняется закону Ома для участка цепи:
UR=IR∙R, где
IR – ток, протекающий через сопротивление,
R – величина этого сопротивления.
Для нашей схемы на Рисунке 8.1 справедливы следующие соотношения:
UAB=I∙r,
UBC=I∙R,
UAC=I∙(R+r)=εGB1
Из этих соотношений хорошо видно, что падение напряжения – часть эдс источника, доставшаяся участку цепи. Часто на схемах можно встретить такие обозначения падения напряжения:
Рисунок 8.2 – Обозначение падения напряжения
Стрелку направляют в сторону уменьшения потенциала. Разумеется, на принципиальных электрических схемах падение напряжения указывать не допускается.
Раз мы заговорили о последовательных цепях, наверное, существуют и параллельные? Да, действительно, такие соединения есть и выглядят они следующим образом:
Рисунок 8.3 – Параллельное соединение сопротивлений
Параллельным соединением называется такое соединение, при котором выходы элементов соединены в одних точках. На нашей схеме это точки A и B. Поскольку элементы имеют общие точки, разность потенциалов на этих элементах будет одинакова, как и падение напряжения. То есть, напряжение на параллельных ветвях электрической цепи одинаково.
Для удобства дальнейшего рассмотрения процессов в электрических цепях введем такие понятия как: узел, ветвь и контур. Ветвью называют любой двухполюсник, входящий в цепь, например, на Рисунке 8.3 отрезок AB есть ветвь. Узлом называют точку соединения трех и более ветвей (на Рисунке 8.3 обозначены жирными точками. На рисунке 8.1 точки A, B и C не являются узлами).
Контур – замкнутый цикл из ветвей. Термин замкнутый цикл означает, что, начав с некоторого узла цепи и однократно пройдя по нескольким ветвям и узлам, можно вернуться в исходный узел. Ветви и узлы, проходимые при таком обходе, принято называть принадлежащими данному контуру. При этом нужно иметь в виду, что ветвь и узел могут принадлежать одновременно нескольким контурам. Например, контуром можно назвать параллельное соединение сопротивлений R1 и R2 на Рисунке 8.3
Рассмотрим теперь, что происходит с токами ветвей I, I1 и I2:
Эти соотношения получаются из довольно простого логического заключения: если источник включен параллельно сопротивлению, то падение напряжения на сопротивлении не может быть отличным от эдс источника, ведь потенциалы концов сопротивления R1 соответственно равны потенциалам концов сопротивления R2. Причем не играет роли, какое количество параллельных ветвей будет подключено – на каждой из них напряжение будет одно и то же. Как же получить выражение для тока I? Начнем рассуждать с того, что мощность, отдаваемая источником должна быть равна мощности, потребляемой нагрузкой, ведь закон сохранения энергии никто не отменял. Запишем выражения для мощностей, пренебрегая внутренним сопротивлением источника:
Pист=I∙ε
Pнагр=PR1+PR2=I1∙UR1+I2∙UR2=I1∙ε+I2∙ε=(I1+I2)∙ε
Приравнивая правые части уравнений, получим:
(I1+I2 )∙ε=I∙ε
Таким образом, сокращая на ε:
I=I1+I2
То есть, в параллельных ветвях происходит деление тока. Если перенести слагаемые I1 и I2 в левую часть уравнения, получим, что алгебраическая сумма токов в каждом узле электрической цепи равна нулю.
Учитывается именно алгебраическая сумма (с учетом знака), потому что направление тока мы можем положить любым, ведь в сложной схеме можем заранее не знать, втекает ток в узел или вытекает из него (втекающий ток берётся со знаком «плюс», вытекающий – со знаком «минус»). То есть мы, например, могли бы перенести слагаемое I в правую часть и получили бы уравнение, в котором втекающие токи были бы со знаком «минус», а вытекающие со знаком «плюс», но ничего не мешает нам поделить обе части уравнения на -1. Это утверждение называется I правило Кирхгофа или правило токов Кирхгофа. Иногда его не совсем корректно называют законом Кирхгофа. Всё-таки это правило, потому что оно не является фундаментальным законом природы, а вытекает из других фундаментальных законов.
Кроме I правила Кирхгофа существует еще и II правило Кирхгофа:
алгебраическая сумма падений напряжений на всех ветвях, принадлежащих любому замкнутому контуру цепи, равна алгебраической сумме эдс ветвей этого контура. Если в контуре нет источников ЭДС, то суммарное падение напряжений равно нулю.
Закон Ома является частным случаем II правила Кирхгофа для цепи из одного контура. Здесь выражение «алгебраическая сумма» значит, ровно то же, что и для I правила, только для напряжений.
Как использовать эти правила для расчета сложных электрических цепей мы рассмотрим на следующем уроке, который полностью будет посвящен практике.
Возвращаясь к схеме на рисунке 8.3 возникает логичный вопрос: как же нам рассчитать эквивалентное сопротивление параллельных ветвей? Ясно, что формула для последовательной цепи сюда не подойдет. Давайте заменим сопротивления R1 и R2 одним эквивалентным сопротивлением:
Рисунок 8.4 – Замена параллельных сопротивлений эквивалентным сопротивлением
Теперь ничто не мешает нам применить закон Ома, чтобы рассчитать Rэкв:
При подобной замене мы будем пользоваться следующим вариантом записи:
Пришло время запоминать еще одно важное правило: величина, обратная общему сопротивлению параллельных ветвей, равна сумме величин, обратных сопротивлениям каждой ветви
Или, иначе: эквивалентная проводимость параллельных ветвей равна сумме проводимостей этих ветвей.
Немного тавтологии, пожалуй, не помешает…
Схема на рисунке 8.3 называется делитель тока и находит широкое применение. Более подробно применение делителя тока мы рассмотрим позже, а сейчас приведем такой пример, чтобы хоть немного убедить читателя в полезности этого схемного решения. Рассмотрим схему на рисунке 8.4. Допустим, эдс источника ε=5В, а сопротивление нагрузки Rэкв=1Ом, тогда мощность, выделяемая в нагрузке равна:
Посмотрим, что произойдёт, если мы заменим эквивалентное сопротивление двумя одинаковыми параллельно включенными сопротивлениями (рисунок 8.3). Чтобы сохранить величину эквивалентного сопротивления равным 1Ом, рассчитаем величины сопротивлений R1 и R2:
то есть каждое из сопротивлений должно быть больше эквивалентного в 2 раза.
Рассчитаем мощность, выделяемую на каждом из этих сопротивлений:
Суммарная мощность нагрузки осталась прежней, однако, как нам уже известно, мощность выделяемая на сопротивлении, полностью переходит в тепло, следовательно, при одной и той же рассеиваемой мощности, во втором случае мы получим более комфортный температурный режим для нагрузки (температура каждого сопротивления будет ниже, чем температура эквивалентного сопротивления) за счет увеличения в 2 раза площади рассеивания (ведь мы используем два проводника вместо одного). Соответственно, трата дополнительных денег на приобретение двух проводников позволяет нам сэкономить на охлаждении. Часто бывают такие ситуации, что слишком большой перегрев элемента может приводить к выходу его из строя (даже такой простой вещи как кусок проводника). Кроме того, многие полупроводниковые приборы (диод, транзистор, тиристор) рассчитаны на определенный номинальный ток, и, чтобы увеличить предел номинального тока, такие приборы включают параллельно. Можно, конечно, взять прибор с большим номинальным током, но чаще всего стоимость таких прибор намного больше. Экономия, однако…
Давайте немного изменим эту схему, пренебрегая внутренним сопротивлением и добавив еще одно сопротивление во внешнюю цепь:
Рисунок 8.5 – Последовательное соединение сопротивлений
По сути, это та же схема последовательного соединения двух сопротивлений, только теперь оба эти сопротивления являются частью нагрузки. Из вышеприведенных соотношений видно, что напряжение на каждом сопротивлении определяется протекающим током и значением этого сопротивления. Используя закон Ома, выразим величину тока, протекающего через сопротивления:
тогда, подставляя значение тока в выражение для падения напряжения, получим:
Из полученных соотношений видно, что величина падения напряжения зависит от эдс источника и соотношения сопротивлений.
При R1=R2 падение напряжения на каждом сопротивлении составит ровно половину эдс источника. Таким образом мы поделили напряжение пополам и теперь можем использовать отвод в точке А в качестве «плюса» своеобразного источника питания, но с пониженным напряжением. Такая схема называется делителем напряжения. Ее полезно применять, когда имеется источник с большим напряжением, чем требуется. Сопротивление R1 называется верхним плечом, а сопротивление R2 – нижним. Однако, резистивный делитель напряжения обладает существенными недостатками: во-первых, потери мощности на плечах делителя снижают кпд устройства, поскольку просто переходят в тепло, а, во-вторых, сопротивление выходного плеча (с которого снимается часть эдс) должно быть согласовано с сопротивлением нагрузки, чтобы сохранять требуемое напряжение. Рассмотрим эти два момента на примере общего случая включения сопротивлений так называемого смешанного соединения.
Рисунок 8.6 – Смешанное соединение сопротивлений
Как мы видим, сопротивления R2 и Rн включены параллельно, а их эквивалентное сопротивление включено последовательно с R1. Теперь сформулируем условия задачи: на нагрузке мощностью
Pн=20 Вт необходимо получить напряжение Uн=5 В, если имеется аккумуляторная батарея номинальной эдс ε=12 В.
Для начала обозначим направления протекания токов в каждой ветви.
Рисунок 8.7 – Направления протекания токов
Рассчитаем параметры нагрузки по известной мощности и напряжению:
Однако, нам неизвестны токи I1 и I2, так же как и сопротивления R1 и R2. В таких случаях при разработке схемы необходимо самому задать необходимые недостающие условия, но так, чтобы задача имела решение. Например, мы могли бы задать R1=10 Ом, но ведь ток I1 не может быть менее 4А, а значит:
UR1>I1∙R1=4А∙10Ом=40В,
что заведомо больше, чем напряжение на аккумуляторе. Чтобы не угадывать значения сопротивлений, давайте для уменьшения потерь на сопротивлении R2 зададим ток I2 равным 10% от тока нагрузки, ведь ничто не мешает нам так сделать.
I2=0.1Iн=0.4 А
Напряжение Uн равно напряжению UR2, так как эти сопротивления включены параллельно, значит, сопротивление R2 из закона Ома равно:
Ток I1 можно рассчитать двумя способами:
- Исходя из I правила Кирхгофа для узла А:
I1=I2+Iн
- Используя закон Ома.
Для начала давайте рассчитаем его, используя второй способ, а потом сравним результаты.
Поскольку нижним плечом делителя является эквивалентное сопротивление параллельно включенных сопротивлений R1 и Rн, рассчитаем его:
Заметьте, что эквивалентное сопротивление всегда меньше меньшего сопротивления!
Ток I1 соответствует току через последовательное соединение сопротивлений R1 и Rэкв. Его можно найти из закона Ома:
Теперь рассчитаем этот же ток, используя первый способ:
I1=I2+Iн=0.4А + 4А = 4.4А
Результаты совпали, значит, расчет выполнен верно.
Рассчитаем величину сопротивления R1, пользуясь опять же законом Ома:
Итак, при помощи двух сопротивлений мы спроектировали (ого-го!) устройство понижения напряжения с 12 В до 5 В. Давайте оценим кпд этого устройства. Полезной мощностью у нас является мощность нагрузки Pн=20 Вт, а полной мощностью – мощность, отдаваемая аккумуляторной батареей, которая равна произведению потребляемого тока (I1) на эдс батареи:
PGB1=ε∙I1=12В ∙ 4.4А = 52.8Вт
Тогда кпд равен:
Всего-то! Ужасно! Давайте подумаем, как можно увеличить этот показатель…
Но сначала разберемся откуда берутся такие большие потери мощности… А браться им, кроме как на нагрев сопротивлений R1 и R2 неоткуда. Давайте рассчитаем мощность потерь для каждого из них:
PR1=I12∙R1=(4.4 А)2∙1.136 Ом=30.8 Вт
PR2=I22∙R2=(0.4 А)2∙1.59 Ом=2 Вт
Сразу видно, что наибольшие потери рассеиваются на сопротивлении R_1. Величину тока мы значительно изменить не можем, так как она не может быть меньше величины тока нагрузки. Можно подкорректировать величину заданного нами тока I2… Стоп. А зачем нам вообще это сопротивление? Ведь делитель может быть собран с помощью самой нагрузки в качестве нижнего плеча! Смело убираем R2 из схемы.
Рисунок 8.8 – Модернизированная схема
Теперь нам не нужен этот «паразитный» ток I2. Пересчитаем величину сопротивления R1:
Потери мощности на нем:
PR1=Iн2∙R1=(4 А)2∙1.75 Ом=28 Вт
И кпд:
Кпд вырос, но потери все равно огромные! Но больше мы сделать, к сожалению ничего не можем: такая схема попросту неэффективна… Мы впустую потратили больше энергии, чем получили полезной работы. Вот такой первый недостаток схемы делителя напряжения.
Теперь посмотрим, что будет, если мы изменим параметры нагрузки, например, вместо 20 Вт подключим 15 Вт. Изменится величина сопротивления нагрузки, ведь она определена номинальными значениями мощности и напряжения:
Посмотрим, что произойдет с напряжением на нижнем плече делителя, то есть на нагрузке:
В сумме напряжения на плечах делителя равны эдс источника, значит:
Тогда нагрузке достанется часть эдс, равная:
Uн=ε-UR1=12 В-6.15 В=5.85 В
Получается, что мы превысили номинальное напряжение на ≈17%. И нельзя точно сказать, выдержит ли наша нагрузка такого превышения. А может она попросту выйдет из строя… Получается, что без изменения R1 подключать нагрузку, отличную от расчетной, нельзя. Это и есть второй недостаток схемы делителя. В основном эта схема применяется там, где мощность потерь невелика, например, в цепях с силой тока единицы – десятки миллиампер.
Теперь кратко опишем важные моменты урока, а на этом я с вами прощаюсь, ждем следующего урока, в котором подробно разберем задачу на расчет сложной электрической цепи.
- Между точками одинакового потенциала протекание электрического тока невозможно.
- Ветвью называют любой двухполюсник, входящий в цепь.
- Узлом называют точку соединения трех и более.
- Контуром называют замкнутый цикл из ветвей.
- При последовательном соединении все элементы связаны друг с другом так, что включающий их участок цепи не имеет ни одного узла.
Ток в последовательной цепи одинаков для каждого элемента.
Эквивалентное сопротивление цепи равно сумме входящих в нее сопротивлений: - При параллельном соединении все входящие в цепь элементы объединены двумя узлами и не имеют связей с другими узлами, если это не противоречит условию.
Напряжения между двумя узлами, объединяющими элементы цепи, одинаково для всех элементов. Эквивалентное сопротивление цепи может быть рассчитано по формуле: - I правило Кирхгофа: алгебраическая сумма токов в каждом узле электрической цепи равна нулю.
- II правило Кирхгофа: алгебраическая сумма падений напряжений на всех ветвях, принадлежащих любому замкнутому контуру цепи, равна алгебраической сумме эдс ветвей этого контура. Если в контуре нет источников ЭДС, то суммарное падение напряжений равно нулю.
← Урок 7. Основы составления электрических схем | Содержание | →
L1: Напряжение, ток и сопротивление
Содержание
- Краткий обзор
- Гидравлическая аналогия
- Что такое ток?
- Построение интуиции для тока
- Чем отличается обычный ток от потока электронов?
- Общие рабочие токи в цепях
- Что такое напряжение?
- Более точное определение
- Общие рабочие напряжения
- Относительные напряжения и заземление
- Опасно: высокое напряжение!
- Как мы можем увеличить давление?
- Что такое электрическое сопротивление?
- Удельное электрическое сопротивление
- Увеличение проводимости за счет увеличения обхвата провода
- Что такое резисторы?
- Некоторые общие вопросы
- Что такое короткое замыкание?
- Что такое разомкнутая цепь?
- В чем разница между переменным и постоянным током?
- Симуляторы цепи
- онлайн текстовые ссылки
- видео ссылки
- Следующий урок
В этом уроке мы собираемся узнать о трех ключевых концепциях электричества, Текущий напряжение и сопротивление , которые составляют основу электроники и схем.Мы также будем использовать онлайн-симулятор схемы, чтобы поиграть с основными компонентами и углубить понимание.
ПРИМЕЧАНИЕ
Этот материал важен. В зависимости от вашего предыдущего опыта в физике или инженерии, некоторые из этих концепций могут быть совершенно новыми и запутанными. Не торопитесь, чтобы понять (и перечитать) разделы — этот материал поможет вам понять , как работают схемы и , как и , почему мы подключаем и используем электронные компоненты так, как мы это делаем.Но это также , а не курс схем или курс физики, поэтому я сосредоточусь в основном на том, что я считаю наиболее важным для физических вычислений.
Краткий обзор
Итак, что такое напряжение, ток и сопротивление?
Короче говоря, напряжение «проталкивает» электронов через проводящий материал ( например, провод). Сумма потока электронов называется током (измеряется в амперах). Некоторые материалы лучше проводят ток, чем другие.Резисторы специально разработаны для сопротивления потоку электронов (сопротивление измеряется в омах).
Рис. Юмористическое, но полезное изображение зависимости между напряжением (измеряется в вольтах), током (измеряется в амперах) и сопротивлением (измеряется в омах). Желтый символ «вольт» пытается протолкнуть зеленый символ «ампер» через трубку ( т. е. провод), но красный символ «ом» препятствует этому, ограничивая размер трубки (путем затягивания веревки, уменьшая его обхват).Источник изображения неизвестен, но в Интернете есть много примеров и альтернатив.
Каковы единицы измерения напряжения, тока и сопротивления?
Точно так же, как мы измеряем вес в килограммах и температуру в градусах Цельсия, у нас также есть стандартные единицы измерения тока, напряжения и сопротивления (называемые единицами СИ для Международной системы единиц ). Мы будем часто использовать эти величины и измерения в физических вычислениях, поэтому уделите время изучению таблицы ниже.
