Напряжение ток: Эта страница ещё не существует

Содержание

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 и источники питания . Реле

защиты фазы для моторизованных систем образовали серьезный уровень защиты, отключая энергию в фазах, таких как чередование фаз, падение ниже заданного уровня фазного напряжения или повышение выше заданного уровня фазного напряжения.

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
  • Сварка с глубоким проплавлением основного металла
  • Сварка низко- и среднеуглеродистых и низколегированных сталей толщиной 5 мм и более электродами с фтористо-кальциевым покрытием: УОНИ-13/45, УОНИ-13/55 и др.
  • Сварка чугуна
  • Сварка с повышенной скоростью плавления электродов
  • Сварка низколегированных и низкоуглеродистых сталей (типа 16Г2АФ), средне- и высоколегированных сталей и сплавов
  • Сварка тонкостенных листовых конструкций

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…

  1. Часть 1. Заряды, потенциалы, напряжение, ток, сопротивление…
  2. 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.

  1. Часть 1. Заряды, потенциалы, напряжение, ток, сопротивление…
  2. 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

  1. Краткий обзор
    1. Гидравлическая аналогия
  2. Что такое ток?
    1. Построение интуиции для тока
    2. Чем отличается обычный ток от потока электронов?
    3. Общие рабочие токи в цепях
  3. Что такое напряжение?
    1. Более точное определение
    2. Общие рабочие напряжения
    3. Относительные напряжения и заземление
    4. Опасно: высокое напряжение!
    5. Как мы можем увеличить давление?
  4. Что такое электрическое сопротивление?
    1. Удельное электрическое сопротивление
    2. Увеличение проводимости за счет увеличения обхвата провода
    3. Что такое резисторы?
  5. Некоторые общие вопросы
    1. Что такое короткое замыкание?
    2. Что такое разомкнутая цепь?
    3. В чем разница между переменным и постоянным током?
  • Activity
  • Ресурсы
    1. Симуляторы цепи
    2. онлайн текстовые ссылки
    3. видео ссылки
    4. 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.

    Количество Символ единица измерения единицы измерения единицы сокращения
    Текущий \ (I \) \ (i \) Ampere (или AMP) A
    Напряжение \ (V \) V V V
    Устойчивость \ (R \) Ом Ω Ω

    Гидравлическая аналогия

    в цепях, мы часто используем гидравлические аналогии для понимания.Например, мы можем представить напряжение как аналог давления воды в водопроводной системе. Увеличение давления воды обеспечивает большую силу для движения молекул воды по трубам. Вода течет от высокого давления (всасывающая подача) к низкого давления (выход через открытый клапан). Точно так же увеличение напряжения обеспечивает большую силу для «проталкивания» электронов из высокого электрического потенциала в низкого электрического потенциала по цепи.

    Так же, как более широкая водопроводная труба может пропускать больше воды, более толстый токопроводящий провод может пропускать больший ток. Препятствия в трубе, такие как песок или, что еще хуже, глина, могут замедлить поток воды. Эти препятствия подобны резисторам, которые мы можем вставлять в цепи, чтобы препятствовать протеканию тока (резисторы — это электронные компоненты с менее смещаемыми электронами).

  • 3
  • 5
  • Электрический Гидравлический Гидравлический
    Текущий, AMP (COLOUMBS / SEC) 7 Расход GPM (галлоны / минута)
    потенциал Напряжение, Вольт Вольт POLTS 6 Давление, PSI (Фунт на квадратный дюйм)
    Сопротивление Ом (вольт / амп) 7 6 Сопротивление, PSI / GPM 7

    Рисунок. Вот гидравлическая аналогия, немного отличающаяся от водопроводной системы, описанной выше. Здесь у нас есть резервуар для воды, наполненный водой с отверстием на дне: по мере увеличения уровня воды давление (напряжение) на воду на дне резервуара также увеличивается, что соразмерно увеличивает количество воды, вытекающей из дыра. Если мы увеличим размер отверстия (уменьшив сопротивление), будет течь больше воды (тока). Примечание: направление анимации показывает условный ток .Водяная диаграмма основана на иллюстрации из книги Platt’s Make: Electronics .

    Давайте углубимся в каждую из этих концепций, начиная с текущей.

    Что актуально?

    Рис. Ток — это поток заряженных частиц — в данном случае электронов — через проводник. На анимации выше мы изображаем «поток электронов» в виде пунктирной зеленой линии, которая течет от отрицательной клеммы 9-вольтовой батареи через светодиод и резистор, а затем обратно к 9-вольтовой батарее к ее положительной клемме.Обратите внимание, что это на самом деле противоположно обычному текущему потоку , но мы вернемся к этому ниже. Анимация из «Инженерного мышления».

    Ток — это поток заряженных частиц через проводник. В цифровых цепях эти заряженные частицы представляют собой электронов (отрицательно заряженных частиц), приводимых в движение электродвижущей силой (напряжением) для перехода от «высокого давления» к «низкому давлению» в цепи.

    Электрический ток похож на поток воды, проходящий по трубе.Так же, как с водой, где мы можем направлять поток воды через различные конфигурации труб и использовать его кинетическую энергию (, например, , вращая турбину), мы также можем использовать провода для направления потока электронов и использовать его для питания ламп, поворотов. моторы, и т.д.

    Чтобы измерить поток воды, мы могли бы подсчитать количество молекул воды, протекающих мимо заданного поперечного сечения трубы за время \(t\). Точно так же мы можем измерить электрический ток, «подсчитав» количество зарядов, протекающих по проводу.{19}\) электронов в секунду! «— вместо этого мы используем единицу электрического тока в СИ, называемую ампер или ампер (А), которая просто равна 1 колумб в секунду:

    \[1 А = 1 Кл/с]

    Хотя вам не нужно будет делать это при прототипировании схем, вы, конечно, можете использовать эти формулировки для расчета количества электронов, проходящих через поперечное сечение провода за время \(t\). Мы делаем это ниже на изображении просто для иллюстрации: сколько электронов проходит данную точку за 3 с, если по проводнику течет ток 2 А? Ответ: \(6C\) (6 колонок) или \(3.{19}\) электроны.

    Используя приведенные выше формулы, мы можем рассчитать количество электронов, которые проходят через поперечное сечение провода за три секунды, если по проводу течет ток 2 А. Изображение из главы 2 книги Шерца и Монка «Практическая электроника для изобретателей ».

    Построение интуиции для тока

    Важно отметить, что, как и в вашей домашней водопроводной системе, когда вода течет мгновенно из вашего крана, когда вы открываете клапан (например, под давлением воды из водонапорной башни), ток также течет мгновенно при подаче напряжения (например, от батареи).И, что очень важно, молекулы воды, которые касаются вашей руки, не проходят через вашу водопроводную систему в одно мгновение. Вместо этого ваши трубы полностью заполнены водой под давлением — так же, как токопроводящая проволока заполнена атомами. Когда вы открываете кран, молекулы воды, которые касаются ваших рук, — это молекулы, давящие на клапан этого крана (что-то вроде очереди «первым пришел — первым ушел»).

    Это похоже на ток в электрической цепи — атомы плотно упакованы в материале с вращающимися вокруг него электронами.Когда прикладывается напряжение, эти электроны начинают «прыгать» от одного атома к другому через проводник, но не перемещаются мгновенно из А в В (см. видео).

    Анимация зарядов (электронов), прыгающих от атома к атому под действием приложенного напряжения. Это упрощенная модель, показывающая проволоку (проводник) толщиной всего в один атом, но она помогает проиллюстрировать каскадное движение электронов в потоке тока. Изображение из Что такое электричество? от Sparkfun.com.

    Другой способ представить течение тока — это представить трубу, заполненную до конца шариками.Если шарик вставлен слева, другой шарик немедленно выйдет из трубки справа. Несмотря на то, что каждый шарик перемещается на небольшое расстояние, передача движения происходит почти мгновенно. С электричеством общее воздействие от одного конца проводника до другого происходит со скоростью света; однако каждый отдельный электрон проходит через проводник гораздо медленнее. Действительно, средняя скорость, с которой электроны движутся по проводу из-за приложенного электрического поля, например, от батареи, составляет порядка сантиметров в час (так называемая дрейфовая скорость)!

    Рис. Вы можете представить себе электроны, протекающие по цепи, как шарики, плотно упакованные в трубку. Шарику не нужно пересекать всю трубу, чтобы создать движение. Вместо этого, когда шарик вставляется в левую часть трубки, шарик с правой стороны мгновенно выходит. Изображение из «Все о цепях». Смотрите также это видео от Afrotechmods.

    Чем отличается обычный ток от потока электронов?

    Рис. На анимации выше мы показываем те же самые две электрические цепи, но разница между потоком электронов и потоком тока .В цепях отрицательно заряженные частицы (электроны) перемещаются от отрицательных клемм батареи (или источника напряжения) к положительным — это называется электронным потоком ; однако, когда мы моделируем цепи (и используем формулы цепей), мы используем обычный ток , который движется в противоположном направлении.

    В электрических цепях мы используем обычный ток для моделирования потока заряда от положительного вывода источника напряжения к отрицательному; однако на самом деле электроны движутся в направлении, противоположном (так называемый поток электронов ).Это вызывает большое замешательство!

    Почему? Виноват Бенджамин Франклин. В ранних экспериментах (середина 1740-х гг.) Франклин определил, что электричество «течет», как если бы жидкость находилась в твердом материале. Он предположил, что стекающие заряды имеют положительные знаки и движутся от положительных к отрицательным. Однако только в 1897 году сэр Джозеф Томсон определил, что реальным носителем заряда в проводе является электрон и что электроны движутся от катода (отрицательного) к аноду (положительному).

    Рис. Франклин считал, что носители положительного заряда перемещаются в проводнике от положительного к отрицательному. Это называется направлением обычного тока , которое используется до сих пор. Вместо этого, как обнаружил Томсон, в проводнике движутся электроны (заряженные отрицательно) и они движутся от отрицательного к положительному. Это называется потоком электронов . Изображение из главы 2 книги Шерца и Монка «Практическая электроника для изобретателей ».

    Несмотря на эту путаницу, оказывается, что пока вы последовательны, это не имеет значения: движение отрицательных электронов в одну сторону эквивалентно моделированию движения положительных зарядов в другую.Таким образом, мы склонны использовать обычный ток (моделирование потока заряда от положительного к отрицательному) в электронике (например, , в диаграммах, формулах, и т. д. ). Математика по-прежнему работает, и даже мнемоника, такая как правило правой руки, основана на обычном токе (укажите большим пальцем в направлении тока \(I\), посмотрите направление электрического поля \(B\)).

    Общие рабочие токи в цепях

    Когда вы начнете заниматься физическими вычислениями, вы лучше поймете « Что такое большой ток? против.{17}\) электронов/сек.

    Большинство USB-портов обеспечивают питание 5 В с максимальным током 0,5 А (500 мА). Некоторым электрическим компонентам, таким как двигатели или длинная цепочка светодиодных ламп, требуется больший ток (так называемые «сильноточные нагрузки»), чем может обеспечить микроконтроллер или USB-порт. В этих случаях мы можем использовать внешний источник питания, управляемый транзистором.

    Что такое напряжение?

    Рис. Вы можете думать о напряжении как о том, что «толкает» электроны по цепи.Анимация из видео «Объяснение напряжения» от The Engineering Mindset.

    Хорошо, так что если ток поток заряда в цепи? Что заставляет эти обвинения двигаться?

    Подобно магнитам, заряды с одинаковым знаком отталкиваются друг от друга ( например, электрона отталкиваются друг от друга, потому что все они отрицательно заряжены) и заряды с противоположными знаками притягиваются друг к другу ( например, электронов и протонов ). Батарея использует химические реакции, чтобы вызвать накопление электронов на отрицательной клемме — это создает «давление» или электрическую разницу между двумя клеммами батареи.

    Когда вы соединяете клеммы батареи ( т. е. замыкают цепь), поток электронов перестраивает этот дисбаланс с отрицательной клеммы на положительную. Но помните, что с обычным током мы моделируем движение заряда в другом направлении, поэтому мы показываем ток, идущий от положительного вывода к отрицательному; в этом случае мы называем заряды на положительной клемме имеющими высокую потенциальную энергию, а заряды на отрицательной клемме — низкой потенциальной энергией.

    Короче говоря, вы можете думать о напряжении как о давлении в водопроводной трубе: чем больше давление, тем больше воды проходит через трубу.Точно так же, увеличивая напряжение, мы можем «протолкнуть» больше электронов по проводу.

    Действительно, Википедия называет Напряжение «электрическим давлением», «электродвижущей силой» и «разницей электрических потенциалов», чтобы зафиксировать этот движущий (или отталкивающий) эффект. Это разумное концептуальное приближение: вы можете думать о напряжении как о мере «давления», которое вызывает протекание тока. Между двумя компонентами, если существует разность электрических потенциалов 0 В, ток не будет течь.

    Более точное определение

    Точнее, напряжение — это работа, необходимая для переноса заряда из одного места в другое в электрическом поле. Напряжение дает нам представление о том, какой «толкающей» силой обладает электрическое поле, и определяется как электрическая потенциальная энергия на единицу заряда (, например, электрона), которая измеряется в джоулях на колумб (вольт):

    \[ 1\ V = 1\ джоуль\ (работы) / 1\ кулон\ (заряда)\]

    Поскольку джоуль является единицей энергии , напряжение вводит очень важное и необходимое понятие: потенциал совершать работа ( эл.г., запитать лампочку, раскрутить моторчик)!

    Рис. Анимация, показывающая аналогию между электрической цепью и «водяной» цепью. В батарее электрический потенциал зарядов увеличивается по мере их продвижения к положительной клемме (более высокое напряжение) — этот потенциал падает по мере выполнения работы (, например, , протекающей через резистор). Точно так же молекулы воды, перекачиваемые на более высокие высоты, обладают более высоким потенциалом для выполнения работы; этот потенциал уменьшается по мере того, как вода стекает на более низкие отметки или используется для выполнения работы ( e.г., крутить турбину). Обратите внимание, что в этих системах не теряются никакие заряды (или молекулы воды), но потенциальная энергия этих частиц преобразуется в другие формы ( например, кинетическая, тепловая).

    И точно так же, как мы можем использовать «энергию» текущей воды для выполнения работы — например, для вращения турбины — мы также можем использовать текущий ток для выполнения работы. Когда электроны движутся по цепи и выполняют работу (приводят в движение двигатель, нагревают провод, включают свет), они начинают терять свой «электрический потенциал».См. анимацию выше.

    Общие рабочие напряжения

    В цифровых схемах общие рабочие напряжения относительно малы — например, 3,3 В или 5 В — по сравнению с напряжением, подаваемым в настенную розетку (которое в США составляет 120 В!). Популярный микроконтроллер ESP32 работает от 3,3 В, а платы Arduino Uno и Arduino Leonardo — от 5 В. Мое зарядное устройство Apple iPhone выдает 5 В и может подавать до 2 А. Важно отметить, что вы не хотите подавать напряжение, превышающее указанное входное напряжение электрического компонента, иначе вы рискуете повредить вещи.Поэтому очень важно, чтобы вы прочитали техническое описание компонента перед его использованием (что мы узнаем, как это сделать в следующем уроке).

    Относительное напряжение и заземление

    По определению, напряжение есть разность электрического потенциала между двумя точками . Когда мы на самом деле начнем измерять напряжение в цепи (используя мультиметр), вы заметите, что мы не можем просто поместить один щуп в цепь. Вместо этого мы должны разместить два датчика в разных местах, чтобы измерить разницу напряжений между ними (также называемую падением напряжения ).

    Для упрощения вычислений мы выбираем некоторую точку цепи — обычно точку с наименьшим электрическим потенциалом (например, , провода, подключенные к отрицательной клемме батареи) — как 0 вольт. Как отмечает Бартлетт (глава 4.3), « Эта «нулевая точка» имеет несколько названий, наиболее популярным из которых является заземление (часто сокращенно GND ). Он называется землей, потому что исторически физическая земля часто использовалась в качестве опорного напряжения для цепей .

    Возвращаясь к аналогии с гравитационным напряжением, сколько потенциальной энергии имеет камень после того, как он достигает земли? Никто! Чтобы камень получил потенциальную энергию, нам нужно совершить работы , чтобы поднять камень.

    Опасно: высокое напряжение!

    Возможно, вы видели такие предупреждения, как: ОПАСНО: ВЫСОКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ , но вы, возможно, также слышали противоречивые фразы, такие как « убивает не напряжение, а ток. «Как может быть правдой и то, и другое?

    Ну, в некотором отношении: да.Высокое напряжение может пропустить через ваше тело больший ток, чем низкое напряжение, и именно ток может сжечь ткани, затруднить контроль над мышцами и вызвать фибрилляцию сердца. Действительно, люди могут ощущать, как через их тело проходит постоянный ток силой 0,6-1,0 мА, 40-60 мА вызывает боль, а ток ~90 мА и выше достаточен, чтобы вызвать остановку сердца/дыхания.

    Но — и это важное но — наши тела обладают довольно высоким сопротивлением. И напряжения, с которыми мы работаем (обычно 3.3 В и 5 В) просто недостаточно высоки, чтобы «проталкивать» ток через наши тела. Тем не менее, влажная кожа может снизить вашу сопротивляемость, а металлические украшения могут вызвать случайные шорты (и, возможно, термические ожоги). Так что будьте осторожны.

    Как правило, наиболее опасным электрическим явлением в вашем доме является линейное напряжение, выходящее из ваших домашних розеток (120 В при 60 Гц в США и 240 В при 50 Гц во многих других странах). Никогда не открывайте какие-либо электронные устройства, пока они подключены к сети, и даже в этом случае соблюдайте осторожность (заряженные конденсаторы могут какое-то время поддерживать высокое напряжение).

    Дополнительные сведения об электробезопасности см. в статье на сайте AllAboutCircuits.com или в разделе «Безопасность» (глава 7.1) книги «Практическая электроника для изобретателей».

    Вы также можете посмотреть это видео популярного ютубера ElectroBOOM, в котором исследуется его переносимость боли между переменным и постоянным током.

    Как мы можем увеличить давление?

    Аккумулятор имеет несбалансированный электрический заряд между положительным и отрицательным выводами. Когда цепь подключена, электрические заряды (электроны) текут, чтобы «исправить» этот дисбаланс.Чем больше дисбаланс (, т. е. , тем выше напряжение), тем больше «толчок» и тем больше электронов течет (выше ток).

    Если вы соедините две батареи последовательно ( т. е. сложите их вместе), вы увеличите их способность «выталкивать» электроны — фактически, вы суммируете напряжения батарей вместе. Таким образом, две стандартные щелочные батареи типа AA на 1,5 В, соединенные последовательно, будут иметь разность потенциалов 3 В, что может «проталкивать» больше электронов по цепи — см. анимацию ниже.

    Рис. Когда вы соединяете батареи последовательно, вы увеличиваете «толкающую» силу — фактически, вы суммируете напряжения батарей (таким образом, 1,5 В + 1,5 В = 3 В). Больше напряжение, больше давление. Чем больше давление, тем больше электронов «проталкивается» по цепи. Анимация из видео «Объяснение напряжения» от The Engineering Mindset.


    ПРИМЕЧАНИЕ: БАЗОВЫЕ БЛОКИ

    При изучении и анализе электрических цепей важно обращать внимание на блоки . Базовой единицей напряжения является вольт (В), базовой единицей силы тока является ампер или ампер (А), а базовой единицей сопротивления является ом (Ом).Как уже отмечалось, с цифровыми схемами мы часто работаем с напряжениями от 0 до 5 В (а иногда и с 9 В или 12 В), но сила тока часто находится в диапазоне миллиампер, например 0,02 А или 0,1 А, а обычные сопротивления включают 220 Ом, 1000 Ом, 2200 Ом. и даже 10 000 Ом. Однако, как правило, вы увидите, что они записываются как 20 мА и 100 мА и 1 кОм, 2,2 кОм и 10 кОм соответственно. Таким образом, важно тщательно отслеживать единицы и преобразовывать значения в базовые единицы для анализа. Подробнее об этом мы поговорим на уроке Закона Ома.


    Что такое электрическое сопротивление?

    Рис. Когда электроны движутся через материал, они могут столкнуться с некоторыми атомами или другими электронами. Эти столкновения создают сопротивление. На анимации выше обратите внимание, что у железного провода больше столкновений, чем у медного. Проводимость железа примерно на 17% меньше, чем у меди. При 20°C железо имеет удельное электрическое сопротивление 96,1 наноом-метра, а медь имеет удельное сопротивление 16,8 наноом-метра. Обратите внимание на ореол вокруг железной проволоки: он иллюстрирует, как часть «кинетической» или энергии движения электронов преобразуется в тепло или свет в результате этих столкновений.Действительно, именно так работают лампы накаливания, тостеры и электрические обогреватели! Анимация из видеоролика How Electricity Works от The Engineering Mindset.

    Когда электроны движутся через материал, они могут сталкиваться с некоторыми атомами или другими электронами. Эти столкновения создают сопротивление электрическому току. Примечательно и важно то, что это сопротивление замедляет все движения заряда (тока) в цепи, а не только те заряды, которые проходят через резистивный материал.

    Общепринятой, но несовершенной аналогией электрического сопротивления является механическое трение ; резистор преобразует электрическую энергию в тепловую (и вызывает падение напряжения) точно так же, как трение преобразует кинетическую механическую энергию в тепло.

    В зависимости от их атомного состава некоторые материалы имеют более низкое сопротивление, чем другие. Такие металлы, как серебро, медь и золото, являются хорошими проводниками — они обладают низким сопротивлением — потому что у них есть слабо связанные электроны во внешних оболочках их атомов.Эти электроны легко перемещаются и с помощью приложенного электрического поля могут «выталкиваться» от атома к атому внутри материала, образуя ток.

    Единицей электрического сопротивления в системе СИ является ом (Ом). Прямой обратной величиной сопротивления является проводимости . Материалы с низким сопротивлением называются проводниками . Напротив, такие материалы, как стекло, резина и воздух, имеют высокое сопротивление и плохую проводимость («низкая подвижность электронов») — эти материалы называются изоляторами .

    Рис. На изображении показан медный провод с изоляцией из ПВХ.

    Сопротивление \(R\) объекта определяется как отношение напряжения \(V\) на нем к току \(I\) через него, а проводимость \(G\) является обратной величиной:

    \( R = \frac{V}{I}\), \(G = \frac{1}{R}\)

    При достаточном напряжении (давлении) почти любой материал может проводить электрический ток (даже воздух, о чем свидетельствует молния). Сопротивление (или проводимость) провода зависит не только от типа материала, но также от его температуры и размера (как длины, так и толщины).Короче говоря, для металлических проводов сопротивление падает с увеличением диаметра провода или температуры. И сопротивление увеличивается по мере увеличения длины провода.

    В Википедии есть хорошая аналогия с водой:

    «Пропускание тока через материал с высоким сопротивлением похоже на проталкивание воды через трубу, полную песка. Напротив, прохождение тока через материал с низким удельным сопротивлением похоже на проталкивание воды через пустую трубу. Если трубы одинакового размера и формы, труба, заполненная песком, имеет более высокое сопротивление потоку.Однако сопротивление определяется не только наличием или отсутствием песка. Это также зависит от длины и ширины трубы: короткие или широкие трубы имеют меньшее сопротивление, чем узкие или длинные трубы».

    Чтобы наглядно проиллюстрировать эту идею, профессор Сквайер создал несколько полезных эскизов — более подробную информацию см. в подписи:

    Рисунок. Продолжая наши аналогии с водой: представьте себе две трубы, заполненные резистивными материалами, одну гравием (меньшее сопротивление) и одну глиной (большее сопротивление).Обе трубы имеют одинаковое давление воды (напряжение), «проталкивающее» через них воду. Труба с меньшим сопротивлением (гравий) будет иметь больший расход воды (ток). Изображение из учебника по электричеству профессора Ричарда Сквайера.

    Удельное электрическое сопротивление

    Поскольку сопротивление является не только внутренним свойством материала ( например, на основе его атомного состава), но также зависит от формы и размера материала, мы используем удельное электрическое сопротивление \(\rho\) , который не зависит от размеров материала (при условии, что температура постоянна).

    Более конкретно, при постоянной температуре удельное электрическое сопротивление провода \(\rho\) можно рассчитать по формуле:

    \(\rho =R{\frac {A}{\ell}}\),

    , где \(R\) — электрическое сопротивление однородного образца материала, \(ℓ\) — длина образца, а \(A\) — площадь поперечного сечения образца. Единицей измерения удельного сопротивления в системе СИ являются ом-метры (Ом·м).

    Подобно сопротивлению и проводимости, мы также можем описать удельное сопротивление в терминах его обратной величины, которая равна проводимости \(\sigma\):

    \[\sigma = \frac {1}{\rho }\]

    Единицы измерения электропроводности в системе СИ — сименс на метр (См/м).{-14}

    Увеличение проводимости за счет увеличения обхвата провода

    Как отмечалось выше, мы можем увеличить проводимость провода на увеличив его диаметр («большая труба» для протекания тока). Снова обратимся к нашей аналогии с водой: так же, как труба большего диаметра может выдержать больший поток воды, более толстый провод может выдержать больший ток.

    Поскольку диаметр провода очень важен для допустимого тока, существует стандартизированная система измерения.В США мы используем систему American Wire Gauge или AWG. Провод диаметром 5,2 мм (AWG 4) имеет силу тока 59,6 А. Для сравнения, стандартный провод для прототипирования схемы (0,64 мм или AWG 22) — см. рисунок ниже — имеет допустимую силу тока 0,9 А.

    Рис. Пример одножильного провода AWG, обычно используемого при прототипировании схем. Коробка проволоки слева стоит 29,95 долларов за десять 25-футовых катушек от Adafruit.

    Вопреки здравому смыслу, увеличивающие номера AWG обозначают уменьшающие диаметры проводов (и, как ни странно, калибры AWG всегда являются целыми числами, но могут быть меньше 1 с «0», «00» или даже «000» для очень толстого провода) .

    Если мы пропустим через провод больше тока, чем его мощность, он начнет нагреваться и в конце концов сгорит. Действительно, именно так предохранители предназначены для работы ! Предохранители содержат тонкие провода, которые защищают вашу цепь от опасного высокого тока и «сгорают», чтобы мгновенно отключить вашу цепь (создавая «разомкнутую цепь»), если подается большой ток. Затем вы можете заменить предохранитель, что намного дешевле и проще, чем замена вашего электрического устройства или прибора. В Интернете есть много отличных видео об этом, в том числе здесь и здесь.

    Рис. Если мы попытаемся пропустить через провод большой ток и превысим его пропускную способность (например, подключив источник высокого напряжения), то провод нагреется и может вызвать пожар. Это может произойти почти мгновенно, что является принципом работы предохранителя (показанного выше). Предохранитель разработан так, чтобы сгорать, отключая вашу цепь при подаче опасного большого тока. Видео от Робинзон Авто.

    Что такое резисторы?

    Рис. На этой анимации показано, как можно поместить резистор между двумя проводами, чтобы уменьшить ток. Обратите внимание, как электроны свободно текут по медному проводу. С резистором эти электроны «сталкиваются» с другими атомами и с самими собой, что ограничивает поток электронов (а также преобразует часть энергии в тепло). Анимация из «Инженерного мышления».

    Резисторы представляют собой электрические компоненты специальной конструкции, которые ограничивают ток с определенной скоростью в зависимости от их состава материала и конструкции.В цепях мы размещаем резисторы между компонентами для снижения тока. Зачем нам ограничивать ток? Короче говоря, для защиты компонентов в нашей схеме, которые требуют меньшего тока (например, светодиоды).

    Как после перегиба шланга происходит падение давления, так и после резистора происходит падение напряжения. То есть электрические заряды перед резистором имеют более высокий электрический потенциал, чем заряды после.

    Некоторые общие вопросы

    Прежде чем перейти к следующему уроку, давайте рассмотрим некоторые общие вопросы.

    Что такое короткое замыкание?

    Рис. Короткое замыкание — это когда есть путь с нулевым сопротивлением обратно к вашему источнику питания. Никогда не бывает хорошо! Анимация сделана в среде моделирования Phet.

    Короткое замыкание — это короткое замыкание с нулевым сопротивлением между двумя сторонами источника питания, например, если положительный и отрицательный полюсы батареи непосредственно соприкасаются. Это плохо, и этого следует избегать. Короткое замыкание может привести к чрезмерному току, перегоранию компонентов, возникновению пожара или даже взрыву.Вот видео о коротком замыкании четырех батареек AA, новостной сюжет о том, как начался пожар в доме, когда две 9-вольтовые батареи замкнули друг на друга, и сообщение Stack Exchange о коротком замыкании одной щелочной батареи AA.

    Когда мы строим схемы, мы, очевидно, не пытаемся создать короткие , но они могут случайно случиться. Например, мы можем непреднамеренно подключить источник 5 В к земле, коснуться двух проводов или даже случайно соединить две точки в цепи с помощью отвертки или другого металлического инструмента.При работе со своей схемой всегда следите за тем, чтобы не имел питания , чтобы предотвратить случайное короткое замыкание при сборке.

    Как узнать, что что-то закорочено? Вы можете почувствовать запах гари или прикоснуться к проводу или другому горячему электрическому компоненту. Если это произойдет — а это в конечном итоге случается со всеми нами — немедленно отключите источник питания!

    Обратите внимание, что ваш порт USB и микроконтроллеры Arduino имеют определенный уровень защиты от короткого замыкания. Например, если вы начнете потреблять слишком много тока от вашего USB, он (надеюсь) автоматически отключится.И в ваших домах, конечно же, есть встроенные «автоматические выключатели», которые автоматически срабатывают при избыточном токе (например, при коротком замыкании). Посмотрите, как работает автоматический выключатель в замедленной съемке здесь и здесь.

    Когда срабатывает автоматический выключатель, он создает обрыв цепи , который мы опишем далее!

    Что такое разомкнутая цепь?

    В то время как замкнутая цепь представляет собой законченную цепь («круг» для протекания тока), разомкнутая цепь представляет собой неполную цепь .Например, когда нет пути от плюсовой клеммы аккумулятора к минусовой. Это может произойти преднамеренно ( например, из-за размыкания переключателя) или непреднамеренно ( например, цепь отключается из-за перегорания предохранителя).

    Рис. Замкнутая цепь — это когда нет пути между положительной и отрицательной клеммами источника питания. Это неполная цепь. Анимация сделана в среде моделирования Phet.

    В чем разница между переменным и постоянным током?

    В цифровых схемах используется постоянного тока (постоянный ток), который питается от батарей или адаптеров переменного тока, которые преобразуют переменный ток из настенной розетки в постоянный ток, используемый зарядными устройствами для телефонов или ноутбуков.

    На YouTube есть много отличных видео, объясняющих разницу между переменным и постоянным током, например, это видео от AddOhms и это от KEMET Electronics.

    Упражнение

    Чтобы лучше понять общие рабочие напряжения/токи, мы хотели бы, чтобы вы задокументировали входные напряжения/токи переменного тока и выходные напряжения/токи постоянного тока устройств в вашем доме. Выберите пять устройств и сделайте снимок устройства и его адаптера переменного/постоянного тока с видимой рабочей информацией переменного/постоянного тока (если вы не можете найти эту наклейку, она может быть на самом устройстве, что тоже нормально).Включите эти изображения в свои журналы прототипирования вместе с таблицей рабочих входных/выходных напряжений/токов и кратким изложением того, что вы нашли.

    Рис. Вот пример ввода переменного тока и выхода постоянного тока трех устройств в моем доме.

    Ресурсы

    Симуляторы цепей

    Мы рекомендуем следующие базовые симуляторы схем (они не предназначены для расширенного анализа):

    • CircuitJS Фалстада.Полностью бесплатная веб-платформа с открытым исходным кодом для моделирования цепей с анимацией цепей.
    • EveryCircuit.com. Аналогичен CircuitJS в поддержке имитируемых анимаций текущих, но более мощных (и тоже платных, хотя есть бесплатная пробная версия). Нет «проводного» компонента; вам нужно щелкнуть один узел, а затем другой узел, чтобы установить соединение.
    • Circuitlab.com. Более традиционный симулятор схем, который не так доступен для новичков/производителей. Вы можете использовать пробную версию, но количество схем, которые вы можете создать, ограничено без платной учетной записи.

    Текстовые ссылки в Интернете

    • Глава 2: Circuit Thoery, Scherz & Monk, «Практическая электроника для изобретателей», 4-е издание
    • Основные электрические величины: ток, напряжение, мощность
    • Напряжение, ток, сопротивление и закон Ома, Sparkfun .com
    • Электрическое сопротивление и проводимость, Википедия
    • Электродвижущая сила, opentextbc.ca

    Ссылки на видео

    • Введение в разность потенциалов и напряжение, Академия Хана
    • Электроника для начинающих, афротехмодс.com
    • Напряжение, ток, сопротивление, mathandscience.com
    • Что такое закон Ома?, mathandscience.com
    • Технические схемы, том 1, mathandscience.com
    • Что такое напряжение?, Sparkfun.com
    • Что такое ток? , Sparkfun.com

    Следующий урок

    На следующем уроке мы узнаем о визуальном представлении цепей, называемом схемами цепей, которые подготовят нас к базовому анализу цепей и закону Ома.

    Next: Circuit Schematics


    Весь контент с открытым исходным кодом создан лабораторией Makeability Lab и профессором Джоном Э.Фрелих. Нашли ошибку? Сообщить о проблеме на GitHub.

    Датчик напряжения-тока PASPORT — PS-2115 — Продукция

    Краткое описание продукта

    Датчик напряжения-тока PASPORT сочетает в себе датчики напряжения и тока в одном корпусе. Он может одновременно измерять напряжение, ток и мощность, а затем отображать собранные данные в виде цифрового дисплея или графика. Когда защита от перегрузки отключает датчик, можно услышать звуковой сигнал, предупреждая учителей и обеспечивая безопасность учеников. Датчик автоматически сбрасывается после отключения сильного тока.

    • Дифференциальный вход позволяет учащимся измерять напряжение или ток в любом месте цепи, поэтому не нужно беспокоиться о том, какая точка находится на земле.
    • Диапазон
    • : диапазоны ±10 В и ±1 А позволяют работать с различными электронными конфигурациями и схемами аккумуляторов.

    Применения

    • Изучение свойств цепи как для последовательной, так и для параллельной цепи
    • Закон Ома
    • Измерение мощности, потребляемой электрическим устройством
    • Косвенное измерение сопротивления любого элемента цепи
    • Измерение напряжения и тока, связанных с RC и LRC схемы

    Что включено

    • 2x 4.Патч-корд 0 мм типа «банан», красный
    • 3 адаптера с зажимами «крокодил», красные
    • 1 адаптер с зажимами «крокодил», черные

    Технические характеристики продукта

    Диапазон напряжения ± 10 V ± 10 V
    Разрешение напряжения 0.005 V
    ± 1 A
    Текущее разрешение 0.5 MA
    Последовательное сопротивление канала тока 0.6 Ω,
    Максимальный общий режим напряжение 10 V
    максимальный образец 50147 1000 образцов / с
    2 Mω

    Программное обеспечение требуется

    Этот продукт требуется программное обеспечение PASCO для сбора и анализа данных. Мы рекомендуем следующие варианты. Для получения дополнительной информации о том, какое программное обеспечение подходит для вашего класса, см. наше Сравнение программного обеспечения: SPARKvue и Capstone »

    Требуется интерфейс

    Для подключения этого продукта к вашему компьютеру или устройству требуется интерфейс PASCO.Мы рекомендуем следующие варианты. Подробную информацию о функциях, возможностях и дополнительных параметрах см. в нашем Руководстве по сравнению интерфейсов »

    Специализированная регистрация данных с помощью SPARK LXi2

    Рассмотрим универсальный инструмент для сбора данных, построения графиков и анализа данных с сенсорным экраном для учащихся. Разработанный для использования с проводными и беспроводными датчиками, регистратор данных SPARK LXi2 одновременно поддерживает до пяти беспроводных датчиков и имеет два порта для синих датчиков PASPORT. Он оснащен интерактивным пользовательским интерфейсом на основе значков в амортизирующем корпусе и поставляется в комплекте с программным обеспечением SPARKvue, MatchGraph! и Spectrometry для интерактивного сбора и анализа данных.Он может дополнительно подключаться через Bluetooth к следующим интерфейсам: AirLink, SPARKlink Air и универсальный интерфейс 550.

    Руководство по покупке

    Руководства по продуктам

    Выберите правильный датчик напряжения и тока

    Образовательные датчики напряжения и тока не должны выглядеть серьезными, чтобы иметь действительно мощные возможности. Мы предоставляем удобные в использовании датчики напряжения и тока, которые генерируют данные в режиме реального времени, чтобы улучшить контекстуальное понимание учащимися электрических концепций.На этой странице представлена ​​сравнительная таблица наших предложений, которая поможет вам сделать осознанную покупку.

    Библиотека экспериментов

    Проведите следующие и другие эксперименты с датчиком напряжения-тока PASPORT.
    Посетите экспериментальную библиотеку PASCO, чтобы просмотреть дополнительные задания.

    Расширенное размещение / физика

    Цепи постоянного тока

    В этой лабораторной работе учащиеся будут использовать датчик напряжения-тока и лабораторную электронику переменного/постоянного тока для создания простых резисторных цепей с резисторами, соединенными последовательно или параллельно, или и тем, и другим (не более чем с одним параллельным контуром резисторов)…

    Ток и напряжение | НИСТ

    Основанные на квантовых вычислениях измерения напряжения и тока стремятся к большей миниатюризации, более высоким частотам и более удобным операциям для удовлетворения новых потребностей в компьютерных и коммуникационных технологиях следующего поколения.

    Делитель напряжения на квант ватт. Разработан в 2008 году в NIST в рамках его давней программы по разработке стандартов квантового напряжения.

    Кредит: Уолтрип/NIST

    При производстве высокотехнологичной продукции, от мобильных телефонов до кардиостимуляторов, микроэлектронная промышленность в значительной степени зависит от авторитетных стандартов как постоянного, так и переменного напряжения и частоты, а также измерений электрического тока во все более миниатюрных устройствах.

    Значения напряжения и тока в электрических и магнитных системах настолько точно предсказываются квантовой теорией и так надежно проверяются в экспериментах, что они могут служить основой для точных эталонных стандартов для использования в промышленности, обороне и науке.

    Вольты уже измерены с высокой точностью и настолько хорошо знакомы, что могут показаться маловероятными объектами для NIST on a Chip. Однако реализуются проекты NOAC, имеющие решающее значение для обоих блоков. Они еще больше сжимают технологию измерения, позволяют устройствам работать при более высоких температурах, автоматизируют больше функций для упрощения операций и, что не менее важно, работают на более высоких частотах, которые требуются для связи и других технологий.

    В то же время другая команда NIST разрабатывает устройства и методы измерения для удовлетворения требований нового определения ампера (единицы электрического тока), которое является частью общего переопределения Международной системы единиц (СИ). который вступил в силу во всем мире 20 мая 2019 года.

    Нажмите на поля ниже, чтобы изучить технологию более подробно.  

    Программируемые эталоны напряжения Джозефсона и синтезаторы сигналов произвольной формы на квантовых амперах

    Как измерять напряжение, ток и мощность

    Трансформаторы тока (ТТ)

    Трансформаторы тока (ТТ) — это датчики, используемые для линейного понижения тока, проходящего через датчик, до более низкого уровня, совместимого с измерительной аппаратурой.Сердечник трансформатора тока имеет тороидальную или кольцевую форму с отверстием в центре. Проволока обвивается вокруг сердечника, образуя вторичную обмотку, и закрывается кожухом или пластиковым кожухом. Количество проволочных витков вокруг сердечника определяет коэффициент понижения, или коэффициент ТТ, между током в измеряемой линии (первичный) и токовым выходом, подключенным к контрольно-измерительным приборам (вторичный). Измеряемый провод нагрузки пропускается через отверстие в центре трансформатора тока.Пример: ТТ с соотношением 500:5 означает, что нагрузка 500 ARMS на основной линии приведет к выходу 5 ARMS на вторичном трансформаторе тока. Прибор будет измерять 5 ARMS на клеммах и может применять коэффициент масштабирования, введенный пользователем, для отображения полных 500 ARMS. ТТ указывается с номинальным значением, но часто указана точность более 100% от номинальной. Трансформаторы тока могут быть с разъемным сердечником или сплошным сердечником. ТТ с разъемным сердечником имеют открытый шарнир или съемную секцию, чтобы установщик мог подключить ТТ к проводу нагрузки без физического отсоединения измеряемого провода нагрузки.

    Предупреждение о безопасности. Несмотря на то, что CT может физически подключаться к установленной линии, перед установкой CT необходимо безопасно отключить питание. Открытые соединения вторичной обмотки при подаче питания на первичную обмотку могут привести к чрезвычайно опасным потенциалам напряжения.

    Параметры

    CT при покупке включают номинальный диапазон, диаметр отверстия, разъемный/сплошной сердечник, тип выхода (напряжение/ток) и диапазон выхода (0,333 ВСКЗ, ±10 В, 1 ARMS, 5 ARMS и т. д.). Поставщики CT часто могут настроить датчик для конкретных нужд, таких как входной или выходной диапазон.

     

     

     

    Рис. 5. Трансформаторные трансформаторы тока с разъемным сердечником обычно имеют петлю или съемную секцию для установки вокруг линии без физической разборки, хотя питание все равно должно быть отключено. (Изображение предоставлено Magnelab)

    Рис. 6. ТТ со сплошным сердечником дешевле, но для его установки в уже работающих цепях может потребоваться больше труда.
    (Изображение предоставлено Magnelab)

    Полоса пропускания измерения ТТ

    Полоса пропускания от 1 кГц до 2 кГц достаточна для большинства приложений, обеспечивающих качество электроэнергии в цепях переменного тока.Для приложений с более высокой частотой подключайтесь напрямую к NI 9246 или NI 9247 для полосы пропускания до 24 кГц или выбирайте более дорогие высокочастотные трансформаторы тока. Все модули, перечисленные в таблице выше, имеют полосу пропускания приблизительно 24 кГц для сигналов, подключенных напрямую. Высокочастотные ТТ более специализированы и имеют характеристики полосы пропускания в диапазоне сотен МГц. Частота дискретизации измерительных модулей NI 9215, NI 9222 и NI 9223 варьируется от 100 квыб/с/канал до 1 Мвыб/с/канал при 16-битном разрешении для высокочастотных измерений.

    Для высокочастотных измерений, выходящих за рамки возможностей NI 9223, NI рекомендует осциллограф или дигитайзер для PXI, предназначенный для лабораторных, исследовательских и испытательных систем.

     

    Измерение постоянного тока
    Трансформаторы тока

    не измеряют постоянный ток или компонент смещения постоянного тока сигнала переменного тока. Для большинства приложений переменного тока в этом нет необходимости. Когда необходимо измерение постоянного тока, NI 9227 имеет встроенные калиброванные шунты и может измерять постоянный ток силой до 5 ампер. Для измерения постоянного тока более 5 А используется шунт для измерения тока большой мощности (см. ниже) или датчик Холла (см. ниже), подключенный к соответствующему измерительному модулю.

     

    Катушки Роговского

    Катушки Роговского

    , иногда называемые «канатными ТТ», представляют собой еще один вариант датчика для измерения тока в линии. Катушки Роговского похожи тем, что они наматываются на провод нагрузки, но они гибкие, имеют гораздо большее отверстие, чем стандартные трансформаторы тока, и принцип измерения другой. Катушки Роговского индуцируют напряжение, пропорциональное скорости изменения тока, и поэтому требуют в цепи интегратора преобразования в пропорциональный ток.Интегратор представляет собой отдельный блок/компонент, который обычно монтируется на панель или на DIN-рейку, требует источника питания постоянного тока и выдает на приборы сигналы низкого напряжения или тока. Размер и гибкость поясов Роговского делают их хорошо подходящими для замыкания на большие шины, которые можно найти в коммерческих зданиях или на заводах, особенно когда они уже построены, а измерение мощности добавлено в качестве модернизации, но они дороже, чем ТТ с сопоставимым входом. диапазон.

    Рис. 7.Для катушек Роговского требуется внешнее питание, интегрирующая схема (находится в черном монтажном блоке на изображении выше) и они дороже, чем типичные ТТ со сплошным/разъемным сердечником, но обеспечивают быструю фазовую характеристику и хороши для модернизируемых установок и измерений больших шин из-за к их большому гибкому отверстию. (Изображение предоставлено Magnelab)

    Датчики Холла

    Датчики на эффекте Холла

    основаны на «эффекте Холла», названном в честь Эдвина Холла, когда ток, протекающий через полупроводник, расположенный перпендикулярно магнитному полю, создает потенциал напряжения на полупроводниковом материале.Для целей измерения тока схема на эффекте Холла размещается в сердечнике перпендикулярно магнитному полю и выдает напряжение, масштабированное к текущей нагрузке в измеряемой линии. ТТ на эффекте Холла обычно имеют лучшую частотную характеристику и могут измерять смещение постоянного тока, но они дороже, требуют питания и могут быть подвержены температурному дрейфу.

    Рис. 8. Датчики на эффекте Холла имеют чувствительную цепь, перпендикулярную магнитному полю, и требуют питания.Датчики на эффекте Холла не имеют ограничений по насыщению, как ТТ, и могут измерять постоянный ток, но они более дорогие.

     

    Токовые шунтирующие резисторы

    Токоизмерительные шунты или токовые шунтирующие резисторы представляют собой резисторы, помещаемые в цепь с целью измерения тока, протекающего через шунт. Это довольно распространенные электрические компоненты, и они существуют для различных применений. Размер шунта будет основан на диапазоне измеряемого тока, диапазоне выходного сигнала и мощности, протекающей по цепи.Для большей точности доступны более дорогие прецизионные резисторы. Шунты не наматываются на провод цепи и размещаются на линии как компонент. Это устраняет изолирующий барьер между измеряемой цепью и измерительным оборудованием и может усложнить установку по сравнению с трансформатором тока или поясом Роговского. Однако шунты могут измерять постоянные токи, имеют лучшую частотную характеристику и лучшую фазовую характеристику. Модуль NI 9238 для CompactRIO и CompactDAQ был разработан с низкочастотным аналоговым интерфейсом (±0.5В) специально для токовых шунтирующих резисторов. Кроме того, NI 9238 имеет межканальную изоляцию 250 В.

     

    Напряжение, ток, мощность и энергия — учебные пособия

    Если вы впервые начинаете изучать основные схемы или базовую электронику, лучше потратить несколько минут, чтобы понять основы электричества и некоторые фундаментальные термины. Мы создали несколько учебных пособий, в которых рассказывается об основных физических принципах их работы, но на самом деле это не обязательно для начала работы со схемами.Конечно, если у вас есть время, мы рекомендуем вам просмотреть и эти руководства, чтобы дать вам лучшее интуитивное понимание.

    Но прежде всего нам нужно понять, что такое напряжение и ток. На всех курсах по схемам, которые вы проходите, большая часть ваших усилий будет сосредоточена на определении напряжения, тока или того и другого в цепях. Иногда вас также попросят найти силу, и мы коснемся энергии, просто чтобы прояснить ее роль. Давайте разберем их на высоком уровне:

    Краткое изложение терминов

    • Напряжение — электрический потенциал между одним местом и другим.Сколько электричества хочет переместиться из одной точки в другую. Измеряется в вольтах.
    • Ток — ток течет из одной точки в другую, буквально исходя из того, сколько электронов движется в секунду. Измеряется в амперах
    • Мощность — работа, которая совершается в секунду. В схемах это обычно означает количество тепла, отдаваемое цепью. Измеряется в ваттах или джоулях в секунду.
    • Энергия — общий объем выполненной работы.Для этого нет временной составляющей, которая является разницей между мощностью и энергией. Измеряется в джоулях. Они разъясняются позже в этом руководстве.

    Напряжение и сила тока

    На протяжении десятилетий наиболее распространенными примерами, иллюстрирующими, как работает электричество и разница между напряжением и силой тока, является использование воды в качестве примера. Это потому, что, хотя он и не идеален, он удивительно похож и довольно эффективен.

    Представьте, что напряжение похоже на воду в озере на вершине холма.Он хочет течь вниз по склону, и если у него есть такая возможность, он это сделает. Это желание воды течь вниз подобно напряжению, оно не представляет движения и само по себе статично. Если вода начинает течь, то этот поток воды и есть течение. А размер канала, который ведет от вершины холма к подножию холма, является сопротивлением. Все эти три элемента напрямую связаны, и понимание того, что взаимосвязь является фундаментальной частью анализа схемы, а также темой нашего следующего урока.

    Чтобы расширить эту аналогию, вы заметите, что с напряжением не имеет значения, насколько высок этот холм — если нет отверстия для стока воды, она просто останется там. Если холм представляет собой гору высотой три мили, там есть большой потенциал, но все равно нет потока, если нет тропы или трубы. При этом озеро высотой три мили с трубой будет проталкивать через эту трубу намного больше воды, чем озеро высотой 3 фута с трубой того же размера. Вот как напряжение (потенциал) влияет на ток (поток).Сохраняя сопротивление (размер трубы) одинаковым, можно увеличить ток за счет увеличения напряжения.

    Точно так же, если вы увеличите размер трубы (уменьшите сопротивление), не изменяя высоту потенциала, вы все равно получите больше потока. И наоборот, если вы уменьшите размер трубы (увеличите сопротивление), вы получите меньший поток. Вот как сопротивление (размер трубы) влияет на ток (расход). Как правило, в цепи вы можете контролировать напряжение и сопротивление, а также высоту потенциала и размер трубы, чтобы получить желаемый поток.

    И последнее, что касается напряжения. Обратите внимание, что разница между одним потенциалом и другим является относительной. Например, вершина холма явно выше основания холма. А что, если мы вырыли яму у подножия холма и сделали дно еще ниже? Или что, если бы рядом с холмом была гора? Холм ниже горы, поэтому существует потенциал между горой и холмом, так же как у подножия холма потенциал выше, чем у ямы, вырытой на дне.То же самое и с напряжением — когда мы говорим о напряжении, мы говорим об электрическом потенциале между двумя точками по отношению друг к другу. Обычно мы предполагаем, что самая нижняя точка — это «0» или то, что мы называем «землей» в качестве эталона. Но иногда вы получаете отрицательные напряжения, что просто означает, что электрический потенциал в этой точке ниже того, что мы установили как наш потенциал «земли». Иногда это может показаться странным, но как только вы приобретете некоторый опыт работы с цепями и электричеством, отрицательные напряжения приобретут большой смысл.Это становится еще более логичным, когда вы понимаете, что, поскольку все относительно, вы можете перевернуть свою перспективу и инвертировать знак напряжения. Это может быть 10 вольт сверху вниз, но это также -10 вольт снизу вверх, поэтому v ab = -v ba . Это пригодится при случае.

    Мощность против энергии

    Давайте снова сосредоточимся на мощности и энергии. Утверждение, что связь между мощностью и энергией зависит только от временной составляющей, неудовлетворительно и не очень ясно.Давайте сделаем быстрый пример, который может сделать вещи проще. Представьте, что вам нужно поднять коробку на 10 футов. Вы можете подбросить его прямо вверх за 1 секунду или медленно поднять в течение 10 секунд. Количество энергии, необходимое для перемещения ящика с 0 до 10 футов, такое же, но первый вариант, бросок прямо вверх, требует в 10 раз больше энергии, чем медленный подъем. В подавляющем большинстве схемных приложений и проблем мы заботимся только о мощности и игнорируем энергию, но при обсуждении источников энергии, таких как батареи и конденсаторы, это различие становится критическим.

    «Батарейки обладают большей плотностью энергии, чем конденсаторы, но конденсаторы обладают большей плотностью энергии, чем батареи. Расширяя пример с коробкой и используя некоторые произвольно выбранные числа, это означает, что конденсатор может поднять коробку на 100 футов в воздух за одну секунду, в то время как батарея того же физического размера может поднять коробку в воздух только на 10 футов за одну секунду. секундочку. Но при равных физических размерах батарея может поднять коробку в общей сложности на 5000 футов, прежде чем закончится энергия, а конденсатор может поднять коробку в общей сложности на 300 футов, прежде чем закончится энергия.”

    Электроэнергия, математически, это просто ток, умноженный на напряжение, так что это фактор как потока, так и потенциала. Возвращаясь к аналогии с водой, небольшой поток с большой высоты может производить много энергии. Или вы можете иметь очень большой поток с относительно небольшой высоты, создавая большую мощность. Но если у вас слишком мало того или другого, силы не так много. Подобно тому, как падающая капля дождя не создаст полезного количества энергии, огромное напряжение без тока не произведет много энергии.Или вода, вытекающая из чашки на стол, может течь, но за ней нет никакого потенциала для выполнения какой-либо работы. Это комбинация, которая создает силу.


    Это должно заложить основу для понимания основных терминов, необходимых для начала решения схем. Далее давайте узнаем о взаимосвязи между напряжением, током и сопротивлением с помощью закона Ома.

    Заряд и ток — Ток, напряжение и сопротивление — GCSE Physics (Single Science) Revision

    Электрический ток — это скорость потока электрического заряда.Ток не может течь, если цепь разорвана, например, когда выключатель разомкнут.

    Электрический ток течет, когда электроны движутся по проводнику, такому как металлическая проволока. Металлы являются хорошими проводниками электричества.

    Электричество проходит через металлические проводники в виде потока отрицательно заряженных электронов. Электроны могут свободно перемещаться от одного атома к другому. Мы называем их морем делокализованных электронов .

    Первоначально ток определялся как поток зарядов от положительного к отрицательному.Позже ученые обнаружили, что ток на самом деле представляет собой поток отрицательно заряженных электронов от отрицательного к положительному. Они назвали исходное определение «условным током», чтобы не путать его с более новым определением тока.

    Расчет тока

    Величина электрического тока показывает скорость протекания электрического заряда. Вы можете рассчитать величину тока, используя это уравнение:

    \[ток~в~амперах = \frac{заряд~в~кулонах}{время~в~секундах}\]

    или:

    \[I = \frac{Q}{t}\]

    , где:

    I – сила тока в амперах (амперах), А

    Q – заряд в кулонах, Кл

    t – время в секундах, с если заряд 20 Кл проходит за 5 с?

    Раскройте ответ

    Ток = 20 ÷ 5 = 4 А

    Напряжение вызывает ток или ток вызывает напряжение?

    Это одна из тех тем, например, что лучше переменный ток или постоянный ток, о которых люди могут вечно спорить.Тем не менее, несмотря на мои здравые суждения, я буду взвешивать.

    Напряжение Причины Ток

    Рассмотрим два основных метода создания напряжения.

    1. АККУМУЛЯТОР

    Аккумулятор — одно из самых непонятных устройств, которые мы используем. Классический шаблон «почему небо голубое?» ответ на вопрос, как работает тесто….

    «Батарейки состоят из трех частей: анода (-), катода (+) и электролита.Катод и анод (положительная и отрицательная стороны на обоих концах традиционной батареи) подключены к электрической цепи. Химические реакции в батарее вызывают накопление электронов на аноде». Сукре

    Это мы пропустили при ответе на вопрос «Как работают батарейки?» поскольку эта вещь была изобретена, и она обычно принимается как «имеющий смысл» ответ, и люди на этом останавливаются. Люди думают об этом как о конденсаторе, что анод и катод подобны обкладкам конденсатора с накопленным на них зарядом.

    К сожалению, это тоже совершенно неправильно.

    Если бы это было правдой, две вещи, как вы знаете, не были бы правдой. Во-первых, если бы приведенное выше описание было правдой, большая батарея означала бы более химическую реакцию и, следовательно, большее напряжение. Но мы знаем, что это неправда, щелочная батарея AAA имеет то же напряжение, что и D-Cell. Во-вторых, если химическая реакция вызывает напряжение, идеальная батарея (без утечки тока) не может вечно удерживать заряд, если ее оставить неподключенной. Химическая реакция в какой-то момент «сгорела» сама собой.

    Правда в том, что батарея вырабатывает напряжение без реакции. Реакция происходит, когда вы позволяете току течь между клеммами.

    Так что же происходит НА САМОМ ДЕЛЕ.

    Батареи работают из-за менее известного физического эффекта, называемого электроотрицательностью.

    «Электроотрицательность, символ χ, представляет собой химическое свойство, которое описывает тенденцию атома притягивать к себе электроны (или плотность электронов). На электроотрицательность атома влияет как его атомный номер, так и расстояние, на котором находятся его валентные электроны от заряженное ядро.Чем выше соответствующее число электроотрицательности, тем больше элемент или соединение притягивает к себе электроны».

    Что это значит? Это означает, что когда вы соединяете два разнородных элемента в присутствии электролита, материала, который способствует движению ионов между металлами, возникает сила, которая стремится притягивать электроны с одной стороны на другую. Мы называем эту силу НАПРЯЖЕНИЕМ.

    Когда вы строите это, вы создаете гальванический элемент.

    «В гальваническом элементе атомы металла одной полуэлемента способны индуцировать восстановление катионов металлов другого полуэлемента; наоборот, катионы металлов одного полуэлемента способны окислять атомы металла. другой полуэлемента. Когда металл В имеет большую электроотрицательность, чем металл А, тогда металл В имеет тенденцию красть электроны у металла А (то есть металл В имеет тенденцию окислять металл А), таким образом благоприятствуя одному направлению реакции: »

    Когда вы соединяете клеммы вместе через проводник, напряжение тянет электроны от одного металла к другому через этот проводник.Это позволяет ионам двигаться через электролит и происходит химическая реакция.

    Но опять же, для ясности, при отключении ничего не движется. Нет тока, нет химической реакции и нет накопления «заряда». Но напряжение все равно есть.

    2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ

    Рассмотрим схему ниже.

    имитация этой схемы — схема создана с помощью CircuitLab

    Итак, если вы разбираетесь в своих делах, вы знаете, что на выходе этого трансформатора появляется 100 В переменного тока.Это достаточно легко понять, верно?

    Но сколько тока течет?

    Ответ…… НЕТ .

    Вы знаете из закона сохранения энергии, что, поскольку выходы отключены, питание не снимается с выхода трансформатора и, следовательно, питание не подается на вход. Опять же, как следствие, мощность с генератора также не снимается. Ток в приведенной выше цепи равен нулю с обеих сторон. Нет движения зарядов.

    Так как же, черт возьми, есть напряжение на правой стороне?

    Правда в том, что вращающиеся магниты индуцируют в катушках генератора электрическое поле, которое распространяется по проводникам со скоростью света. Это движущееся электрическое поле создает магнитное поле в трансформаторе, которое, в свою очередь, создает противоположное электрическое поле во вторичной обмотке.

    Все это происходит без движения заряда.

    В первичной обмотке трансформатор эффективно создает противо-ЭДС, равную ЭДС генератора.Поскольку напряжения одинаковы, ток не может течь по проводам.

    Когда вы подключаете нагрузку к вторичной обмотке, напряжение генерирует ток, который приводит к коллапсу части электрического поля. Обратная ЭДС на первичной обмотке падает из-за сочувствия. Это приводит к дисбалансу напряжений в первичной обмотке и токов, протекающих от генератора.

    ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ДЕМОНСТРАЦИЯ

    Рассмотрим двигатель постоянного тока. Хорошо, мы все знаем, что вы подаете напряжение на двигатель, двигатель «возбуждается» и начинает вращаться.Ток протекает через двигатель и создает крутящий момент.

    Но затем происходит странная вещь под названием «Обратное ЭДС».

    Вот ваше последнее доказательство того, что напряжение не вызвано током.

    Вы ЗНАЕТЕ, что ваш ток «входит» в КРАСНУЮ ПРОУШИНУ двигателя, и тем не менее чудесным образом это напряжение появляется в неправильном направлении. Заряд не может накапливаться на катушке, потому что вы знаете, что электроны движутся в другую сторону.

    Напряжение — вещь само по себе. Ему не нужен ток в цепи.

    НО….

    Истина «материи» в том, что это все теория и догадки, пытающиеся построить работающую модель для описания наблюдаемого эффекта.

    Как и во всех теориях, чем больше ответов вы даете, тем больше вопросов задают. Далее у каждой теории есть свой набор верующих и неверующих. Теории и модели также меняются со временем. Вот почему мы называем их теориями.

    Это как чистить лук. Чем глубже мы погружаемся, тем страннее становится.

    Однако на макроскопическом уровне, на котором мы работаем, вы открываете переключатель, ток исчезает, но напряжение остается. В конце концов, это все, что действительно важно на этом форуме.

    То, как он туда попадает физически, на самом деле не имеет большого значения, если, возможно, вы не строите квантовый компьютер на своей макетной плате.

  • Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.