Расчеты напряжения, силы, сопротивления, нагрузки электрического тока
Современная структура общества такова, что на бытовом и промышленном уровне повсеместно используется электроэнергия. Генераторные установки, вырабатывающие электроэнергию, преобразующие подстанции работают для того, чтобы передать ее потребителям на бытовые электрические приборы и промышленные электроустановки.
Общая схема передачи электроэнергии потребителям с учетом мощностей
Что такое мощность электроэнергии
В электросетях, по которым передается энергия, существует ряд основных параметров, которые обязательно учитываются при проектировании и эксплуатации электроустановок.
Одним из таких показателей является электрическая мощность, под этим подразумевается способность электроустановки генерировать, передавать или преобразовывать определенную величину электроэнергии за определенный период времени. Преобразованием считается процесс изменения электрической энергии в тепло, механические движения или другой вид энергии.
Чтобы сделать расчет мощности, надо знать, как минимум, величины тока, напряжения и ряда других параметров.
Расчет тока и напряжения, мощности иногда не делают, а измеряют параметры на месте. Но такая возможность не всегда предоставляется. Надо знать, как рассчитать мощность, когда цепь обесточена, при проектировании электроустановок, уметь пользоваться таблицей законов Ома и рассчитать силу тока по известным значениям параметров. Рассчитывать мощность нагрузки и ток нагрузки приходится для того, чтобы правильно выбрать сечение проводов в цепи, величину тока срабатывания для защитных автоматов и других нужд.
Законы Ома наглядно показывают, как посчитать ток по мощности и напряжению
Физический смысл электрической мощности в цепях переменного и постоянного тока одинаковый, но от условий нагрузки в цепи мощность может выражаться разными соотношениями. Для стандартизации закономерности явлений вводится понятие мгновенное значение, что указывает на зависимость скорости преобразований электроэнергии от фактора времени.
Электрическая мощность – это величина, выражающая скорость преобразования энергии электричества в другой вид энергии, обозначается буквой «Р».
Мгновенное значение электрической мощности
Определение – электрическая мощность тесно связана с другими параметрами цепи, током и напряжением, при изменении величины одного из них изменяются другие. Поэтому показания мощности фиксируются в короткий промежуток времени – ∆t.
Напряжение в данном случае обозначают буквой «U» – это выражает разность потенциалов зарядов, перемещенных электрическим полем из одной точки в другую за промежуток времени ∆t.
Сила тока обозначается буквой «I» – это поток, переносимый магнитным полем зарядов, другими словами заряд, перенесенный во временной интервал ∆t.
Исходя из этих определений, просматривается пропорциональная зависимость между этими параметрами:
Р = UxI.
При расчетах можно учитывать зависимость мощности от сопротивления нагрузки «R». По законам Ома для участка цепи с постоянным током мощность выражается как:
Р = I2xR или P = U2|R.
Если поставить в схему питания амперметр и вольтметр, то не придется думать, как вычислить силу тока.
Обратите внимание! Амперметр ставится последовательно в цепь по отношению к сопротивлению нагрузки, а вольтметр – параллельно.
В качестве источника питания используется аккумулятор, как нагрузка установлен прожектор. В данном случае не делается расчет силы тока, параллельно нагрузке подключен вольтметр, для измерения напряжения в Вольтах. Амперметр подключается последовательно для измерения тока в Амперах. Зная показания напряжения и тока по формулам, показанным выше, легко рассчитывается мощность.
Для участков цепи с переменным током формулы расчетов сложнее – необходимо учитывать характер нагрузки.
Расчеты мощности для электроцепей переменного тока
Переменный ток и напряжение имеют синусоидальный вид, при различных нагрузках происходит смещение фазы между ними на определенный угол. По этой причине направление тока иногда может быть противоположным, от нагрузки к источнику питания.
Это бывает в электродвигателях, когда обмотка начинает генерировать энергию, это негативно сказывается на эффективности работы оборудования, снижается мощность. При большом количестве потребителей в электросети характер нагрузки имеет смешанный вид, в идеале выделяют три типа нагрузки:
- Активная нагрузка, ее представляют такие электроприборы, как лампы накаливания, нагревательные тэны, спиральные электроплиты;
- Емкостная нагрузка – это конденсаторы в оборудовании различного назначения;
- Индуктивная нагрузка представлена катушками в электродвигателях, обмотках электромагнитов, дросселями и трансформаторами, другими приборами, где ток протекает через обмотки.
Емкостные и индуктивные виды выделяют как реактивную энергию в электросетях. Зная вид нагрузки, расчет потребляемой мощности делается точнее.
Расчет мощности в цепи с активной нагрузкой
Это классический случай в однофазной сети 220 В, в качестве нагрузки можно использовать обычные резисторы.
Мощность рассчитывается как произведение действующих значений тока и напряжения, умноженное на соsϕ. В данном случае ϕ – угол смещения между фазами тока и напряжения.
Р = UI cos ϕ
График зависимости мощности по току и напряжению при активной нагрузке
Из графика можно узнать, что колебания тока и напряжения одинаковы по частоте и фазе, мощность всегда положительная с частотой в два раза больше.
Активная электрическая мощность характеризует процесс преобразования в сетях с переменным током энергии в тепло, механические движения, излучение света, в любой вид другой энергии. Измеряется активная нагрузка в Вт, кВт.
Расчет реактивной мощности
Как найти мощность в цепях с индуктивной и емкостной нагрузками? Это делается аналогичным образом. Расчет потребляемой мощности, как и в случае с активной нагрузкой, означает, что действующие напряжение и ток перемножаются, и результат умножается на sin ϕ. Где ϕ – угол сдвига фаз тока и напряжения.
Р = UI sin ϕ
Диаграмма, показывающая взаимосвязь параметров цепи при индуктивной нагрузке
График показывает, что мощность может принимать отрицательные значения, в этот момент энергия отдается в сторону источника питания, фактически она бесполезна и расходуется на нагрев.
Реактивная составляющая энергии характеризует работу нагрузки в виде электронного оборудования, электротехнических схем, моторов с наличием емкостной и индуктивной нагрузки. Единица измерения реактивной мощности при подсчете измеряется в Вар, это (Вольт-Ампер реактивный), обозначается буквой «Q».
Треугольник, отображающий отношение мощностей в сети
Зависимость мощности в цепи переменного тока от реактивной и активной составляющих с учетом угла сдвига фаз хорошо отображается на диаграмме, которую называют треугольником мощностей.
Формула расчета полной мощности обозначается буквой «S»
В этом случае учитывается полный импеданс рассчитываемой мощности электрического тока (комплексное сопротивление нагрузки). Тем, кому вычислением заниматься сложно даже на калькуляторе, можно воспользоваться онлайн калькуляторами на сайте https://www.fxyz.ru с вычислением мощности в цепях с различной нагрузкой. Вычисляется все мгновенно, достаточно заполнить таблицу с исходными параметрами.
Когда такой калькулятор под рукой, я вычислю быстро нужные мне параметры.
Видео
Оцените статью:Мощность электрического тока — Технарь
С мощностью электрического тока мы уже встречались, когда вводили понятие напряжения. Выведем теперь формулу для расчета мощности электрического тока. Вспомним, что напряжение на концах участка цепи равно отношению мощности к силе тока. Это кратко можно записать в виде формулы:
U = P/I
в которой буквой U обозначено напряжение, Р — мощность и I — сила тока. Из этой формулы легко получить формулу для расчета мощности электрического тока:
P = UI
Мощность электрического тока равна произведению напряжения на силу тока.
Единицей мощности, как мы знаем, является 1 ватт, по формуле мощности электрического тока ватт можно выразить через вольт и ампер.
1 ватт = 1 вольт X 1 ампер, или 1 Вт = 1 В • 1 А = 1 В • А.
В практике используются также единицы мощности, дольные и кратные ватту: гектоватт (гВт), киловатт (кВт), мегаватт (МВт).
1 гВт = 100 Вт; 1 кВт = 1000 Вт; 1 МВт = 1,000 000 Вт.
В таблице 14 приведены мощности некоторых источников и потребителей электрического тока.
Измерить мощность электрического тока можно с помощью вольтметра и амперметра. Чтобы вычислить искомую мощность, перемножают напряжение и силу тока, найденные по показаниям приборов.
Существуют специальные приборы — ваттметры, которые непосредственно измеряют мощность электрического тока в цепи.
Вопросы. 1. Что называют мощностью? 2. Как рассчитать мощность? 3. Как выражается мощность электрического тока через напряжение и силу тона? 4. Что принимают за единицу мощности? 5. Как выражается единица мощности через единицы напряжения и силы тока? 6. Какие единицы мощности используют на практике?
Упражнения.
1. В цепь с напряжением 127 В включена электрическая лампа, сила тока в которой 0,6 А. Найдите мощность тока в лампе. 2. Электроплитка рассчитана на напряжение 220 В и силу тока 3 А Определите мощность тока в плитке. 3. Электрическая лампа мощностью 15 Вт и плитка мощностью 600 Вт включены в осветительную сеть квартиры под напряжением 220 В. Определите силу тока в подводящих ток проводах.
Формула мощности тока в физике
Содержание:
Электрический ток, на каком угодно участке цепи совершает некоторую работу (А). Допустим, что у нас есть произвольный участок цепи (рис.1) между концами которого имеется напряжение U.
Работа, которая выполняется при перемещении заряда равного 1 Кл между точками A и B (рис.1) будет равна U. В том случае, если через проводник протекает ток силой I за время равное $\Delta t$ по указанному выше участку пройдет заряд (q) равный:
$$q=I \Delta t(1)$$Следовательно, работа, которую совершает электрический ток на данном участке, равна:
Надо отметить, что выражение (2) является справедливым при I=const для любого участка цепи
(в таком участке могут содержаться проводники 1–го и 2–го рода).
{2}(6)$$
где j – плотность тока, $\rho$ – удельное сопротивление.
Единицы измерения мощности тока
Основной единицей измерения мощности тока (как и мощности вообще) в системе СИ является: [P]=Вт=Дж/с.
В СГС: [P]=эрг/с.
1 Вт=107 эрг/( с).
Выражение (4) применяют в системе СИ для того, чтобы дать определение единицы напряжения. Так, единицей напряжения (U) является вольт (В), который равен: 1 В= (1 Вт)/(1 А).
Вольтом называют электрическое напряжение, которое порождает в электроцепи постоянный ток силы 1 А при мощности 1 Вт.
Примеры решения задач
Пример
Задание. Какой должна быть сила тока, которая течет через обмотку электрического мотора для того, чтобы полезная мощность двигателя (P A) стала максимальной?Какова максимальная полезная мощность? Если двигатель постоянного тока подключен к напряжению U, сопротивление обмотки якоря – R.
Решение. Мощность, которую потребляет электроприбор, идет на нагревание (PQ) и совершение работы (PA):
$$P=P_{Q}+P_{A}(1.
{2}}{P_{2}}}$$Читать дальше: Формула напряжения электрического поля.
Работа и мощность тока | Физика
Какую работу совершает электрический ток, проходя по тому или иному участку цепи? Чтобы определить это, вспомним, что такое напряжение. Согласно формуле (11.1) U = A/q. Отсюда следует, что
A = qU, (18.1)
где A — работа тока; q — электрический заряд, прошедший за данное время через рассматриваемый участок цепи. Подставляя в последнее равенство выражение q = It, получаем
A = IUt. (18.2)
Итак, чтобы найти работу тока на участке цепи, надо напряжение на концах этого участка U умножить на силу тока I и на время t, в течение которого совершалась работа.
Действие тока характеризуют не только работой A, но и мощностью P. Мощность тока показывает, какую работу совершает ток за единицу времени. Если за время t была совершена работа A, то мощность тока P = A/t. Подставляя в это равенство выражение (18.
2), получаем
P = IU. (18.3)
Итак, чтобы найти мощность электрического тока P, надо силу тока I умножить на напряжение U.
В Международной системе единиц (СИ) работу выражают в джоулях (Дж), мощность — в ваттах (Вт), а время — в секундах (с). При этом
1 Вт = 1 Дж/с, 1 Дж = 1 Вт · с.
Мощности некоторых электроустройств, выраженные в киловаттах (1 кВт = 1000 Вт), приведены в таблице 5.
P = 10 A · 220 В = 2200 Вт = 2,2 кВт.
Одновременное включение в сеть приборов с большей суммарной мощностью приведет к увеличению силы тока и потому недопустимо.
В быту работу тока (или израсходованную на совершение этой работы электроэнергию) измеряют с помощью специального прибора, называемого электрическим счетчиком (счетчиком электроэнергии).
При прохождении тока через этот счетчик внутри его начинает вращаться легкий алюминиевый диск. Скорость его вращения оказывается пропорциональной силе тока и напряжению. Поэтому по числу оборотов, сделанных им за данное время, можно судить о работе, совершенной током за это время. Работа тока при этом выражается обычно в киловатт-часах (кВт·ч).
1 кВт·ч — это работа, совершаемая электрическим током мощностью 1 кВт в течение 1 ч. Так как 1 кВт = 1000 Вт, а 1 ч = 3600 с, то
1 кВт·ч = 1000 Вт · 3600 с = 3 600 000 Дж.
??? 1. Как находится работа электрического тока? 2. По какой формуле находится мощность тока? 3. С помощью какого прибора измеряют работу тока? Какая единица работы при этом используется? 4. Сложите мощности всех имеющихся у вас дома электрических устройств. Допустимо ли их одновременное включение в сеть? Почему?
Экспериментальное задание. Рассмотрите у себя дома счетчик электроэнергии. Выясните, как снимаются с него показания. Измерьте с его помощью электроэнергию, израсходованную задень.
В течение следующего дня старайтесь экономить энергию — не оставляйте включенным свет, если это не нужно; выключайте электроприборы, которыми в данный момент не пользуетесь; не смотрите все подряд по телевизору. После этого определите с помощью счетчика, сколько электроэнергии вам удалось сэкономить. Вычислите стоимость этой энергии. Сколько денег вам удастся сберечь при подобной экономии энергии за месяц?
Калькулятор зависимости силы тока от напряжения и сопротивления. Ом
Все источники питания рассчитаны на предельную нагрузку (на определенную мощность).
По сути любой источник энергии имеет определенное напряжение на выходе, а так же определенную допустимую силу тока. При превышении максимальной силы тока (мощности) источник питания может сгореть.
Давайте представим, что у нас есть источник питания с напряжением 12 Вольт и с допустимой силой тока в 1 Ампер.
Если подключим к такому источнику нагрузку в виде сопротивления 24 Ома, через чем будет протекать ток равный ½ максимально допустимого тока — тоесть 0,5 Ампера.
Если параллельно мы подключим еще одно сопротивление 24 Ома сила тока достигнет максимально допустимой в 1 Ампер.
Схема зависимости силы тока от сопротивления нагрузки
Подключив еще одно сопротивление параллельно к источнику питания через цепь будет протекать ток в 1,5 раза больше допустимого. При такой нагрузке в источнике питания скорее всего сгорит предохранитель, возможно такой источник питания даже сгорит сам в условиях перегрузки.
По сути тоже самое происходит когда вы подключаете низкоомную нагрузку к усилителю. Если вы подключите к усилителю нагрузку (скажем динамик) с сопротивлением меньше, чем заявленная в характеристиках усилителя, он может сгореть. Тоже самое произойдет, если вы подключите несколько динамиков параллельно, тем самым увеличив силу тока а значит и мощность.
Сопротивление нагрузки может служить инструментом регулировки выходной мощности усилителя. Чем меньше сопротивление нагрузки тем больший будет протекать через него, а значит и мощность будет больше. Не забываейте, что нельзя допускать понижения сопротивления ниже заявленных параметров усилителя . Помните что короткое замыкание это 0 Ом! Наверно вы уже догадываетесь почему.
Пример расчета зависимости силы тока от сопротивления проводника или потребителя (нагрузки)
Так как основные примеры электроники мы рассматриваем на примерах автозвука…. Давайте предположим, что у нас есть усилитель мощностью 100 Ватт (мощность мы разберем более подробно чуть позже) и он рассчитан на минимальное сопротивление 4 Ома.
Это означает, что усилитель может генерировать мощность до 100 Ватт на нагрузку в 4 Ома, и если сопротивление нагрузки будет меньше, вполне вероятно он сгорит.
Для того что бы достичь мощности в 100 Ватт на 5 Ома через цепь нагрузки должен протекать ток в 5 Ампер.
Для того что бы такой ток протекал через нагрузку 4 Ома, необходимо создать разность потенциалов (напряжение) на контактах динамика в 20 Вольт. (то есть при максимальной мощности, напряжение на контактах динамика будет равно 20 Вольт).
Пусть множество этих цифр не сбивает вас с толку, мы ниже более подробно рассмотрим все определения.
Ниже приведен калькулятор который рассчитывает силу тока в зависимости от напряжения и сопротивления.
Калькулятор зависимости силы тока от напряжения и сопротивления.
Если вы введете наши исходные данные 20 Вольт и 4 Ома в исходные параметры, вы увидите в результатах калькулятора что через нагрузку будет протекать ток в 5 Ампер. Если вы уменьшите сопротивление до 2 Ом, сила тока увеличится вдвое. Но как мы помним максимальная допустимая сила тока для нашего усилителя 5 Ампер и более низкое сопротивление нагрузки приведет к повышению силы тока, а это может повредить ваш усилитель.
Используйте этот калькулятор для расчета силы тока протекающего через нагрузку.
— Калькулятор наглядно продемонстрирует вам как напряжение приложенное к нагрузке, а так же сопротивление нагрузки, влияет на ток протекающий в цепи
— вы можете отдельно менять Вольтаж и сопротивление
— обратите внимание, что увеличение силы тока обычно связано с увеличением приложенного напряжения и УМЕНЬШЕНИЕМ сопротивления.
Понижение силы тока связано обычно с понижением напряжения и УВЕЛИЧЕНИЕМ сопротивления.
п.с. Когда вы покупаете динамики для вашей аудиосистемы вы должны знать минимальное сопротивление на которое рассчитан ваш усилитель, что бы получить от него максимальную мощность. Зная параметры усилителя вы можете точно выбрать правильный динамик (как с одной катушкой так и с двумя — помните о параллельном и последовательном соединении).
!!! Помните что Ом это единица выражающая сопротивление нагрузки протеканию электрического тока.
Работа и мощность тока
У каждого из нас дома есть счетчик, по показаниям которого мы ежемесячно платим за электричество. Мы оплачиваем какое-то количество киловатт-часов. Что же такое эти киловатт-часы? За что конкретно мы платим? Разберемся 🙂
Мы используем электричество с определенными целями. Электрический ток выполняет какую-то работу, вследствие этого и функционируют наши электроприборы. Что же такое – работа электрического тока? Известно, что работа тока по перемещению электрического заряда на некотором отрезке цепи равна численно напряжению на этом участке. Если же заряд будет отличаться, например, в большую сторону, то и работа, соответственно, будет совершена большая.
Работа тока на участке цепи: формула
Итак, мы приходим к тому, что работа тока равна произведению напряжения на участке электрической цепи на величину заряда. Заряд же, как известно, можно найти произведением силы тока на время прохождения тока. Итак, получаем формулу для определения работы тока:
A=Uq , q=It , получаем A=UIt ;
где A — работа, U- напряжение, I — сила тока, q — заряд, t — время.
Измеряется работа тока в джоулях (1 Дж). 1 Дж = 1 В * 1 А * 1 с. То есть, чтобы измерить работу, которую совершил ток, нам нужны три прибора: амперметр, вольтметр и часы. Счетчики электроэнергии, которые стоят в квартирах, как бы сочетают в себе все эти вышеперечисленные приборы в одном. Они измеряют работу, совершенную током. Работа тока в нашей квартире – это энергия, которую он израсходовал на всех включенных в сеть квартиры приборах. Это и есть то, за что мы платим. Однако, мы платим не за джоули, а за киловатт-часы. Откуда возникают эти единицы?
Мощность электрического тока
Чтобы разобраться с этим вопросом, надо рассмотреть еще одно понятие — мощность электрического тока. Мощность тока – это работа тока, совершенная в единицу времени. То есть, мощность можно найти, разделив работу на время. А работа, как мы уже знаем – это произведение силы тока на напряжение и на время. Таким образом, время сократится, и мы получим произведение силы тока на напряжение. Для мощности тока формула будет иметь следующий вид:
P=A/t , A=UIt , получаем P=UIt/t , то есть P=UI ;
где P — мощность тока. Мощность измеряется в ваттах (1 Вт). Применяют кратные величины – киловатты, мегаватты.
Работа и мощность электрического тока связаны теснейшим образом. Фактически, работа – это мощность тока в каждый момент времени, взятая за определенный промежуток времени. Именно поэтому счетчики в квартирах измеряют работу тока не в джоулях, а в киловатт-часах. Просто величина мощности в 1 ватт – это очень небольшая мощность, и если бы мы платили за ватты-в-секунду, мы бы оплачивали десятки и сотни тысяч таких единиц. Для упрощения расчетов и приняли единицу «киловатт-час».
Нужна помощь в учебе?
Предыдущая тема: Последовательное и параллельное соединение проводников
Следующая тема:   Закон Джоуля-Ленца: работа тока равна количеству теплоты
напряжение, сопротивление, ток и мощность
Основные электрические величины: напряжение, сопротивление, ток и мощность
В этой статье рассмотрим основные электрические величины: напряжение, сопротивление, ток и мощность.
В электротехнике не имеет смысла говорить просто «электричество». Здесь всегда необходимо конкретизировать, о чем именно идет речь. Мы можем иметь ввиду электрический заряд конденсатора, напряжение в розетке, ток текущий по проводам, либо например мощность, которую намотал за месяц электросчетчик в нашей квартире.
В любом случае, нет такой величины как электричество, есть величина «количество электричества», правильно называемая электрическим зарядом, который измеряется в кулонах. Это электрический заряд — движется по проводам, накапливается на пластинах конденсатора, периодически присутствует на клеммах (минимум — на фазном проводе) розетки, движется в форме тока при совершении электрической сетью работы. Основные электрические величины так или иначе связаны с зарядом. Об этих величинах мы сегодня и поговорим.
Напряжение
Электрическое напряжение U измеряется между двумя точками цепи. Чтобы в замкнутой цепи начало присутствовать устойчивое переменное или постоянное напряжение, необходим источник тока, который смог бы обеспечить поддержание этого напряжения на концах цепи. Данный источник будет служить источником ЭДС — электродвижущей силы, которая так же как и напряжение измеряется в вольтах.
Если к замкнутой цепи присоединен такой источник, то, во-первых, напряжение будет присутствовать между клеммами источника, то есть на концах цепи, а во-вторых, на концах всех участков данной цепи, если ее условно поделить на части.
В каждый момент времени электрическое напряжение, действующее на том или ином участке цепи, может иметь другую величину, нежели в предыдущий момент, если цепь питается от источника переменной ЭДС, либо ту же величину, если это — источник постоянной ЭДС, а цепь, соответственно, является цепью постоянного тока.
Напряжение на концах цепи постоянного тока подобно разности высот на склоне горы, а заряд в данных условиях — словно поднятая на высоту вода, только применительно к электрическому полю эта разность называется разностью (электрических) потенциалов, поскольку здесь не идет речи о гравитационном поле.
Разность потенциалов между двумя точками равна 1 вольту, если для перемещения заряда величиной 1 кулон из одной точки в другую над ним надо совершить работу величиной 1 джоуль. Вольт также равен электрическому напряжению, вызывающему в электрической цепи постоянный ток величиной в 1 ампер при мощности в 1 ватт, но об этом далее.
Ток
Когда на концах участка цепи (проводника) присутствует электрическое напряжение, то есть когда имеет место разность электрических потенциалов, — это значит, что в проводнике (по длине рассматриваемого участка) действует электрическое поле. Электрическое поле действует силовым образом на заряженные частицы.
В металлах, например, свободные электроны являются носителями отрицательного заряда, и могут приходить в поступательное движение, если вдруг оказываются во внешнем электрическом поле, источником которого служит в данном случае источник ЭДС. Когда электроны приходят в движение под действием электрического поля, они становятся движущимся зарядом, то есть электрическим током I.
Количество заряда измеряется в кулонах, а ток характеризует скорость перемещения заряда через поперечное сечение проводника (за единицу времени). Когда через поперечное сечение проводника за одну секунду проходит электрический заряд в один кулон, ток в проводнике равен 1 амперу. В аналогии с водой — чем больше воды проходит через сечение трубы за секунду — тем больше ток.
Сопротивление
Под действием электрического напряжения, заряд движется через поперечное сечение проводника, образуя ток, но движется он не беспрепятственно. Поскольку мы начали рассматривать металлический проводник, то с ним и продолжим.
Электроны в проводнике, двигаясь под действием электрического поля, натыкаются на препятствия внутри проводника — на атомы кристаллической решетки, а также друг на друга, из-за хаотической составляющей (тепловой) движения электронов и колебаний атомов.
Эти препятствия оказывают своего рода сопротивление, замедляют электроны, уменьшают ток по сравнению с тем, до какой величины он мог бы развиться если бы этих препятствий не было. Но такого рода сопротивление R в реальных проводниках (цепях) всегда есть.
Данная величина называется в электротехнике электрическим сопротивлением. Электрическое сопротивление измеряется в омах. Один Ом равен электрическому сопротивлению участка электрической цепи, между концами которого протекает постоянный электрический ток величиной в 1 ампер при напряжении на концах 1 вольт.
Чем больше сопротивление, характеризующее данный проводник, тем меньшим будет ток при одном и том же напряжении на концах этого проводника. Данная зависимость называется законом Ома для участка электрической цепи: величина тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению данного участка цепи.
Мощность
Говоря об электрической цепи, напряжении, сопротивлении и токе, нельзя не завершить тему основных электрических величин рассказом об электрической мощности P. Когда под действием напряжения в цепи устанавливается и продолжает течь ток, источник ЭДС совершает работу A над цепью.
По сути, работа совершается электрическим полем над электрическим зарядом, который в этом поле перемещается. Количество совершенной работы зависит от разности потенциалов, которую преодолел заряд и от величины этого заряда. Чем быстрее выполнялась работа — тем выше мощность процесса.
В случае с током мы говорим обычно о мощности источника, выполнившего работу, а также о мощности потребителя (цепи). Электрическая мощность, потраченная на совершение полезной работы, измеряется в ваттах. Для любого вида энергии, не только для электрической, 1 ватт определяется как мощность, при которой за 1 секунду времени совершается работа в 1 джоуль.
Ранее ЭлектроВести писали, что количество энергетического угля, сжигаемого в Индии для производства электроэнергии, резко сократилось в сентябре и октябре.
По материалам: electrik.info.
Электроэнергия и энергия | Безграничная физика
Энергопотребление
Используемая энергия — это временной интеграл от электрической мощности.
Цели обучения
Сформулируйте взаимосвязь между использованием энергии и электрической мощностью
Основные выводы
Ключевые моменты
- Напомним, что мощность — это скорость выполнения работы или скорость, с которой энергия потребляется или производится. По току и напряжению P = IV.
- Используемая энергия — это количество заряда q, прошедшего через напряжение V за интервал времени t.Он равен интегралу мощности во времени.
- Распространенной единицей, используемой для описания использования энергии, является киловатт-час, энергия 1000 Вт, действующая в течение одного часа.
Ключевые термины
- киловатт-час : единица электрической энергии, равная мощности одного киловатта, действующего в течение одного часа; равняется 3,6 мегаджоулей. Обозначение: кВтч.
Во многих случаях необходимо рассчитать потребление энергии электрическим устройством или набором устройств, например, в доме.Например, мы (или энергокомпания) можем захотеть рассчитать сумму задолженности за потребленную электроэнергию. В другом случае нам может потребоваться определить энергию, необходимую для питания компонента или устройства в течение заданного периода времени. Последнее различие имеет решающее значение — энергия, используемая схемой или компонентом, равна интегралу по времени от электрической мощности .
Мощность
Напомним, что мощность — это скорость выполнения работы или скорость, с которой энергия потребляется или производится, и измеряется в ваттах (Вт). 2} {\ text {R}} [/ latex], где R — электрическое сопротивление.Власть не обязательно постоянна; он может меняться со временем. Тогда общее выражение для электроэнергии
.[латекс] \ text {P} (\ text {t}) = \ text {I} (\ text {t}) \ text {V} (\ text {t}) [/ latex]
, где ток I и напряжение V могут изменяться во времени.
Энергия
В любом заданном временном интервале потребляемая (или предоставляемая, в зависимости от вашей точки зрения) энергия определяется выражением [latex] \ text {PE} = \ text {qV} [/ latex], где E — электрическая энергия, V — напряжение, а q — количество заряда, перемещенного за рассматриваемый интервал времени.Мы можем связать общую потребляемую энергию с мощностью, интегрируя по времени: Положительная энергия соответствует потребляемой энергии, а отрицательная энергия соответствует производству энергии. Обратите внимание, что элемент схемы, имеющий как положительный, так и отрицательный профиль мощности в течение некоторого промежутка времени, может потреблять или производить энергию в соответствии со знаком интеграла мощности. Если мощность постоянна в течение временного интервала, то энергию можно просто выразить как:
[латекс] \ text {E} = \ text {Pt} [/ latex].
Единицы потребления энергии
Мы, конечно, хорошо знакомы с единицей измерения энергии в системе СИ — джоуль. Однако, как правило, в счетах за электроэнергию домохозяйства указывается потребление энергии в киловатт-часах (кВтч). Кроме того, это устройство часто встречается в других местах, когда рассматривается использование энергии энергопотребляющими устройствами, структурами или юрисдикциями. Мы можем проанализировать преобразование киловатт-часов в джоули следующим образом: 1 Вт = 1 Дж / с, киловатт равен 1000 Вт, а один час равен 3600 секундам, поэтому 1 кВт-ч равен (1000 Дж / с) (3600 с). = 3 600 000 джоулей.Это масштаб домашнего использования энергии в США, который составляет порядка сотен киловатт-часов в месяц.
Снижение потребления энергии
Потребляемая электрическая энергия (E) может быть уменьшена либо за счет сокращения времени использования, либо за счет снижения энергопотребления этого прибора или приспособления. Это не только снизит стоимость, но и снизит воздействие на окружающую среду. Улучшение освещения — один из самых быстрых способов снизить потребление электроэнергии в доме или на работе.Около 20% энергии в доме расходуется на освещение, в то время как для коммерческих предприятий эта цифра приближается к 40%. Флуоресцентные лампы примерно в четыре раза эффективнее ламп накаливания — это верно как для длинных ламп, так и для компактных люминесцентных ламп (КЛЛ). Таким образом, лампу накаливания мощностью 60 Вт можно заменить КЛЛ мощностью 15 Вт, которая имеет такую же яркость и цвет. КЛЛ имеют изогнутую трубку внутри шара или спиралевидную трубку, все они подключены к стандартному привинчиваемому основанию, которое подходит для стандартных патронов лампы накаливания.(Первоначальные проблемы с цветом, мерцанием, формой и высокими начальными затратами на КЛЛ были решены в последние годы.) Теплопередача от этих КЛЛ меньше, и они служат до 10 раз дольше.
Компактный люминесцентный светильник (КЛЛ) : КЛЛ намного более эффективны, чем лампы накаливания, и поэтому потребляют гораздо меньше энергии для получения яркого света.
Что такое напряжение? | Fluke
Напряжение — это давление от источника питания электрической цепи, которое проталкивает заряженные электроны (ток) через проводящую петлю, позволяя им выполнять такую работу, как включение света.
Короче говоря, напряжение = давление , и оно измеряется в вольт (В). Этим термином признан итальянский физик Алессандро Вольта (1745-1827), изобретатель гальванической батареи — предшественника современной бытовой батареи.
В первые дни развития электричества напряжение было известно как электродвижущая сила (ЭДС) . Вот почему в уравнениях, таких как закон Ома, напряжение обозначается символом E .
Пример напряжения в простой цепи постоянного тока:
- В этой цепи постоянного тока переключатель замкнут (включен).
- Напряжение в источнике питания — «разность потенциалов» между двумя полюсами батареи — активируется, создавая давление, которое заставляет электроны течь в виде тока через отрицательную клемму батареи.
- Ток достигает света, заставляя его светиться.
- Ток возвращается к источнику питания.
Напряжение — это либо напряжение переменного тока (ac) , либо напряжение постоянного тока (dc) . Способы, которыми они различаются:
Напряжение переменного тока (представленное на цифровом мультиметре цифрой):
- Течение равномерно волнообразными волнами, как показано ниже:
- Меняет направление через равные промежутки времени.
- Обычно производятся коммунальными предприятиями через генераторы , в которых механическая энергия — вращательное движение, приводимое в движение проточной водой, паром, ветром или теплом — преобразуется в электрическую энергию.
- Чаще, чем напряжение постоянного тока. Коммунальные предприятия поставляют переменное напряжение в дома и на предприятия, где большинство устройств используют переменное напряжение.
- Источники первичного напряжения зависят от страны. В США, например, 120 вольт.
- Некоторые бытовые устройства, такие как телевизоры и компьютеры, используют питание постоянного тока.Они используют выпрямители (например, этот толстый блок в шнуре портативного компьютера) для преобразования переменного напряжения и тока в постоянный.
Напряжение постоянного тока (обозначено на цифровом мультиметре значком и):
- Перемещается по прямой линии и только в одном направлении.
- Обычно производится из источников накопленной энергии, таких как батареи .
- Источники постоянного напряжения имеют положительную и отрицательную клеммы. Клеммы устанавливают полярность в цепи, и полярность может использоваться, чтобы определить, является ли цепь постоянным или переменным током.
- Обычно используется в портативном оборудовании с батарейным питанием (автомобили, фонарики, фотоаппараты).
Какая разница потенциалов?
Термин «напряжение» и термин «разность потенциалов» часто используются как синонимы. Разницу потенциалов можно было бы лучше определить как разность потенциальной энергии между двумя точками в цепи.Величина разницы (выраженная в вольтах) определяет, сколько существует потенциальной энергии для перемещения электронов из одной конкретной точки в другую. Количество определяет, сколько работы потенциально может быть выполнено через схему.
Бытовая щелочная батарея AA, например, имеет напряжение 1,5 В. Обычные бытовые электрические розетки имеют напряжение 120 В. Чем больше напряжение в цепи, тем выше ее способность «выталкивать» больше электронов и выполнять работу.
Напряжение / разность потенциалов можно сравнить с водой, хранящейся в резервуаре.Чем больше резервуар и чем больше его высота (и, следовательно, его потенциальная скорость), тем больше способность воды создавать удар, когда клапан открывается и вода (как электроны) может течь.
Почему полезно измерение напряжения
Техники подходят к большинству ситуаций устранения неисправностей, зная, как обычно должна работать схема.
Цепи используются для передачи энергии нагрузке — от небольшого устройства до бытовой техники и промышленного двигателя. Нагрузки часто имеют паспортную табличку, на которой указаны их стандартные электрические эталонные значения, включая напряжение и ток.Вместо паспортной таблички некоторые производители предоставляют подробную схему (техническую схему) схемы нагрузки. Руководства могут включать стандартные значения.
Эти числа говорят технику, какие показания следует ожидать при нормальной работе нагрузки. Показания цифрового мультиметра позволяют объективно определить отклонения от нормы. Даже в этом случае технический специалист должен использовать знания и опыт, чтобы определить факторы, вызывающие такие отклонения.
Ссылка: Принципы цифрового мультиметра, автор Glen A.Мазур, американское техническое издательство.
Электроэнергия — Электроэнергия — National 5 Physics Revision
Электроэнергия легко переносится с места на место с помощью проводов или кабелей. Однако электрическая энергия должна быть преобразована в другие формы энергии, прежде чем мы сможем ее использовать.
Скорость передачи (или изменения) энергии называется мощностью — сколько энергии используется в секунду.
\ [Power = \ frac {{Energy}} {{time}} \]
\ [P = \ frac {E} {t} \]
Символ для мощности — \ (P \) , измеряется в Вт (\ (Вт \)).
Обозначение для энергии — \ (E \), оно измеряется в Джоулях (\ (Дж \)).
Символ для времени — \ (t \), он измеряется в секундах (\ (s \)).
Электрическая энергия, передаваемая каждую секунду, определяется умножением напряжения на ток.
\ [Мощность = напряжение \ умножить на ток \]
\ [P = V \ умножить на I \]
Обозначение мощности — \ (P \), оно измеряется в Вт (\ (Вт \)).
Обозначение для напряжения — \ (В \), оно измеряется в Вольт (\ (В \)).
Символ для тока — \ (I \), он измеряется в Ампер (\ (A \)).
Иногда мы не знаем ток или напряжение, поэтому \ (P = IV \) нельзя использовать для расчета мощности. В этих ситуациях мы используем закон Ома, чтобы найти альтернативное уравнение мощности, в котором доступно больше информации.
Когда ток неизвестен:
Обозначение мощности — \ (P \), оно измеряется в Вт. (\ (W \)).2} R \]
Обозначение для мощности — \ (P \), оно измеряется в Вт (\ (Вт \)).
Обозначение для тока — \ (I \), он измеряется в Амперах (\ (A \)).
Обозначение для сопротивления — \ (R \), оно измеряется в Ом (\ (Ом \)).
Понимание основ электричества, представляя его как воду
«Мы считаем, что электричество существует, потому что электрическая компания постоянно присылает нам счета за него.Но мы не можем понять, как он перемещается по проводам ». — Дэйв Барри
Основные законы электричества математически сложны. Но использование воды в качестве аналогии предлагает простой способ получить базовое понимание.
Электричество 101 — Напряжение, ток и сопротивление
Три основных компонента электричества — это напряжение, ток и сопротивление.
- НАПРЯЖЕНИЕ похоже на давление, которое проталкивает воду по шлангу. Он измеряется в вольтах (В).
- ТОК как диаметр шланга. Чем он шире, тем больше воды будет проходить через него. Он измеряется в амперах (I или A).
- СОПРОТИВЛЕНИЕ — это как песок в шланге, который замедляет поток воды. Он измеряется в омах (R или Ω).
Напряжение, ток и сопротивление взаимосвязаны. Если вы измените один из них в цепи, другие тоже изменятся. В частности, напряжение равно току, умноженному на сопротивление (V = I x R). Думая о воде, если вы добавите песок в шланг и сохраните давление на том же уровне, это будет похоже на уменьшение диаметра шланга … меньше воды будет течь.
Электричество 201 — постоянный ток, переменный ток, батареи и трансформаторы
Как электричество работает в электронике и электросети?
ПРЯМОЙ ТОК или постоянный ток аналогичен нормальному потоку воды в шланге — он течет в одном направлении, от источника до конца. Исторически сложилось так, что DC был первоначально защищен Томасом Эдисоном в знаменитых Текущих войнах конца 1800-х годов. DC проиграл войну за энергосистему, но нашел еще более захватывающую роль в современной электронике, такой как компьютеры, телефоны и телевизоры.
ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК или переменный ток подобен воде, которая течет взад и вперед по шлангу много раз в секунду. Аналогия с водой здесь немного нарушается, но переменный ток легко создается электрическими генераторами (также называемыми генераторами переменного тока). Никола Тесла и Джордж Вестингауз отстаивали AC над DC, и в конце концов они победили. В настоящее время кондиционер является мировым стандартом для подачи электричества в дома и здания через сеть.
БАТАРЕИ можно рассматривать как водяные насосы, которые перекачивают воду через шланг, который возвращается по замкнутому контуру обратно к батарее.Существует множество показателей емкости батарей, и не все сразу логичны. Они включают ампер-часы и киловатт-часы. Батареи могут генерировать только постоянный ток.
ТРАНСФОРМАТОРЫ — это как если бы вы частично держали большой палец за конец шланга, чтобы вода распылялась дальше. Объем воды (мощность) остается прежним, но давление (напряжение) увеличивается с уменьшением диаметра (силы тока). Именно это делают трансформаторы для воздушных линий электропередачи. Электричество может перемещаться дальше с меньшими потерями, потому что сопротивление (песок) не препятствует подаче электричества (воды), когда сила тока ниже (шланг меньшего диаметра).Трансформаторы работают только с переменным током. Способность передавать электричество на большие расстояния — основная причина, по которой переменный ток превзошел постоянный ток столетие назад.
Электричество 301 — Мощность и энергия
Теперь давайте продолжим использовать аналогию со шлангом, чтобы погрузиться в мутные воды цепей (каламбур, извините).
МОЩНОСТЬ похожа на объем воды, который — это , вытекающая из шланга, при заданном давлении и диаметре. Электрическая мощность измеряется в ваттах (Вт). А более крупные системы измеряются в киловаттах (1 кВт = 1000 Вт) или мегаваттах (1 МВт = 1 000 000 Вт).
ENERGY — это как измерение объема воды, которую протекла через шланг за период времени , как наполнение 5-галлонного ведра за минуту. Электрическую энергию часто путают с электроэнергией, но это две разные вещи: мощность измерения мощности и доставка меры энергии. Электроэнергия измеряется в ватт-часах (Втч), но большинство людей более знакомы с измерением в своих счетах за электроэнергию, киловатт-часами (1 кВтч = 1000 ватт-часов). Электроэнергетические компании работают в более крупном масштабе и обычно используют мегаватт-часы (1 МВтч = 1000 кВтч).
Надеюсь, это полезное введение в основы электричества. Мы будем рады услышать ваши отзывы и предложения, поэтому оставляйте предложения и комментарии ниже.
Как это:
Нравится Загрузка …
СвязанныеРабота, напряжение и мощность
Люблю работать на ламповых усилителях . Требуется работы, , чтобы заставить их работать, но как только они работают , вся эта тяжелая работа действительно окупается.Это лишь некоторые из определений работы , которые не имеют значения для физика, такого как Георг Симон Ом. Ему требуется работа, чтобы переместить объект против силы, противодействующей его движению. Так что подъем Hiwatt DR103 с пола на рабочий стол требует работы, потому что вы перемещаете усилитель вверх против силы тяжести, которая ему противостоит. С другой стороны, носить Twin Reverb вокруг блока — это совсем не работа, потому что усилитель движется горизонтально — гравитация не препятствует движению в этом направлении.(Так что, когда дорожная бригада жалуется, просто вернитесь к этому руководству и объясните им, почему здесь нет никакой работы.)
Перемещение усилителя с испытательного стенда на пол требует работы, в данном случае отрицательной работы, потому что направление движения поддерживается силой тяжести. Если все это уже звучит странно, просто добавьте к этому концепцию: работа не зависит от времени. Чтобы поднять DR103 на верстак, требуется определенная работа. Неважно, дерните ли вы его вверх за доли секунды или потратите 20 минут, чтобы поднять его по тому же пути.Это такой же объем работы.
Когда противодействующая сила измеряется в ньютонах, а расстояние, пройденное против противодействующей силы, измеряется в метрах, тогда работа, измеряемая в джоулях, представляет собой силу, умноженную на расстояние:
W = Fd
Вопрос: 30-килограммовый ламповый усилитель — сколько килограммов на Луне? Ответ: 30 килограмм. Получается, что килограмм — это единица массы. Сила, о которой мы думаем, когда пытаемся поднять этот параллельный двухтактный якорь, равна массе, умноженной на ускорение свободного падения, которое составляет 9.8 метров на секунду в квадрате. Когда мы умножаем количество килограммов на 9,8, мы получаем силу земного притяжения, измеряемую в ньютонах.
Проблема
Выходной трансформатор для вашего Traynor YGA-1 установлен в перевернутом виде и весит 6,6 фунтов. Какая сила тяжести тянет его вниз?
Amp Books®Раствор
6,6 фунтов — это 6,6 / 2,2 = 3 кг. Тогда сила тяжести в ньютонах равна
(3 кг) (9,8 м / с 2 ) = 29N
Проблема
Ваш винтаж 6.6-фунтовый выходной трансформатор лежит на полу, когда вы внезапно решаете, что он идеально подойдет для переиздания вашего JTM45. Верх вашей скамейки находится на высоте 1,2 метра от пола. Сколько работы потребуется, чтобы подобрать трансформатор и поставить его на скамейку? Что делать, если трансформатор стоит на полу в соседней комнате, которая находится в 20 метрах?
Решение
В предыдущей задаче мы определили, что сила тяжести на объекте весом 6,6 фунта составляет 29 ньютонов. Тогда объем работы в джоулях равен
(29N) (1.2 м) = 35 Дж
Боковому движению не препятствует сила тяжести, и трансформатор в соседней комнате проходит такое же расстояние по вертикали. Следовательно, требуется такой же объем работы — 35 джоулей.
Напряжение
Противоположные обвинения привлекают. Вроде обвинения отталкивают. Если мы перемещаем отрицательный электрон к другому электрону, мы совершаем работу, потому что движемся против противоположной силы. Перемещение двух электронов к двум другим электронам требует больше работы, потому что существует большая противодействующая сила.Нам часто нужен удобный способ описать, сколько работы требуется для перемещения заряда из одной точки в другую. Это понятие напряжения.
Если перемещение положительного заряда из точки B в точку A требует положительной работы, то говорят, что точка A имеет положительное напряжение по отношению к B. Напряжение в вольтах равно требуемой работе в джоулях, деленной на количество заряда в кулонах:
V = W / Q
Поскольку W и Q могут быть положительными или отрицательными, понятно, что V также может быть положительным или отрицательным.
Проблема
Требуется 1,6 кДж (1600 джоулей) энергии, чтобы переместить 1×10 20 электронов из источника питания пластины (точка A) через нагрузочный резистор пластины к пластине (точка B) вашего предусилителя JTM45. (Обратите внимание, что это противоположно реальному потоку электронов. показано здесь.) Какое напряжение V на резисторе?
— V + BA300VDCРешение
1×10 20 электронов представляют
(1×10 20 ) (- 1.6×10 -19 C) = -16C
заряда. Таким образом, требуется + 1,6 кДж работы, чтобы разогнать -16C из точки A в точку B. Это означает, что потребуется + 1,6 кДж работы, чтобы передать положительный заряд 16C из точки B в точку A. Следовательно, мы заключаем, что напряжение в точке A положительна по отношению к B на величину, равную
V = 1,6 кДж / 16C = 100 В
Таким образом, между питанием пластины и пластиной на резисторе возникает падение на 100 вольт.
Мощность
Мощность — это мера количества работы или энергии, затрачиваемой с течением времени.При измерении в течение одной секунды количество джоулей звуковой энергии, создаваемой Ampeg SVT с шестью двухтактными силовыми трубками, работающими на полную мощность, будет намного больше, чем у Champ 5E1. По той же концепции для быстрого физического подъема Hiwatt не требуется дополнительной работы, но требуется больше энергии, поскольку работа выполняется в течение более короткого периода времени. Когда работа измеряется в джоулях, а время измеряется в секундах, тогда мощность в ваттах равна общей работе, деленной на общее время:
P = Вт / т
Проблема
Вам потребуется 2 секунды, чтобы стабильно поднять свой 6.6-фунтовый выходной трансформатор от пола до верха скамьи, общее расстояние по вертикали 1,2 метра. Какое среднее количество энергии вы тратите, когда поднимаете его?
Решение
Ранее мы определили, что для подъема трансформатора требуется 35 джоулей работы. Вы расходуете эту энергию за 2 секунды, поэтому средняя мощность в ваттах, передаваемая на трансформатор руками и квадрицепсами, равна
P = 35Дж / 2с = 17Вт
Связь между напряжением, током и мощностью
Мы видели, что напряжение между двумя точками является показателем количества работы, необходимой для перемещения заряда между двумя точками.В противоположность этой концепции, работу можно определить как напряжение между двумя точками, умноженное на величину заряда, который был перемещен между ними:
W = VQ
Мы можем использовать эти концепции, чтобы вывести очень важную формулу для гитарных усилителей. Соотношение между напряжением, током и мощностью
P = W / t = (VQ) / t = V (Q / t) = VI
где переменная «I» используется для обозначения силы тока. Когда I в амперах, а V в вольтах, тогда P в ваттах.
Проблема
При отсутствии сигнала гитары через дроссель Fender Bassman 5F6-A протекает постоянный ток 11 мА.Дроссель не является идеальным индуктором, потому что его внутренние обмотки имеют сопротивление постоянному току, которое вызывает падение на нем 1,2 В. Какую мощность дает дроссель в виде тепла?
Решение
Поскольку напряжение на дросселе и ток через него стабильны (ну, может быть, небольшая пульсация переменного тока), выделяемая мощность в виде тепла, измеряемая в милливаттах, равна
(1,2 В) (11 мА) = 13 мВт
Проблема
Катодный резистор на 47 Ом в усилителе мощности вашего Vox AC30 рассчитан на максимальную мощность 10 Вт.На холостом ходу напряжение на нем обычно составляет 10 вольт. Каким должен быть средний ток через резистор, чтобы произвести 10 ватт тепла?
СЛЕДУЮЩАЯ СТРАНИЦА
Заряд, ток, напряжение | Прядильные числа
Заряд, ток и напряжение являются краеугольными камнями электричества. Мы создаем наши первые мысленные модели для этих основных электрических величин.
Содержание
Куда мы направляемся
Ток — это поток заряда.Это похоже на поток воды в реке или садовом шланге. Ключевое различие в том, что вода бывает одного типа, но есть два типа зарядов, движущихся в противоположных направлениях.
Напряжение — это почетное название разности электрических потенциалов . Напряжение похоже на изменение потенциальной энергии, которое происходит с массой, когда она поднимается или опускается.
Электрическая мощность — это произведение напряжения и тока, $ p = i \, v $, в ваттах.
Заряд
Мы осознаем, что такое электрический заряд, благодаря внимательному наблюдению за природой.Мы наблюдаем силу между объектами, которая, как и сила тяжести, действует на расстоянии. Хотя сила невидима, мы знаем, что она есть. Мы придумали название того, что вызывает эту силу. Мы называем это обвинением .
Если вы возитесь со статическим электричеством, вы в конечном итоге придете к выводу, что существует два типа электрического заряда. Противоположные заряды притягиваются, а подобные заряды отталкиваются. Это самое основное правило электричества. Сравните это с гравитацией. Есть только один тип гравитации: она только притягивает.Гравитация никогда не отталкивает. По сравнению с нашим повседневным опытом работы с гравитацией, электричество может показаться странным.
Проводники, изоляторы, полупроводники
Проводники — это атомы, внешние электроны которых (валентные электроны) имеют относительно слабые связи со своими ядрами, как показано на этом причудливом изображении атома меди. Когда группа атомов металла находится вместе, они с радостью делятся своими внешними электронами друг с другом. У металлов есть облако или «рой» электронов, не связанных с конкретным ядром.Очень небольшая электрическая сила может заставить электронный рой двигаться в токе. Хорошими проводниками являются медь, золото, серебро и алюминий.
Есть также относительно плохие проводники. Вольфрам — металл, используемый для нити накаливания лампы накаливания, — относительно плохой проводник по сравнению с медью. Когда вы прикладываете напряжение к вольфрамовой нити накала, она сопротивляется прохождению тока и сильно нагревается. Углерод в форме графита, используемый в карандашах, является относительно плохим проводником.Электроны в этих материалах с меньшей вероятностью покинут атом. (Экзотическая форма углерода, называемая графеном, оказывается превосходным проводником).
Изоляторы — это материалы, внешние электроны которых прочно связаны со своими ядрами. Скромное напряжение не может высвободить электроны. Когда на изолятор подается напряжение, электронные облака вокруг атомов растягиваются и деформируются, но электроны не уходят. Стекло, пластик, камень и воздух — изоляторы. Однако даже для изоляторов электрическая сила всегда может быть достаточно высокой, чтобы оторвать электроны — мы называем это пробоем.Вот что происходит с молекулами воздуха, когда вы видите искру.
Полупроводниковые материалы обладают проводящими свойствами между изоляторами и проводниками. Чистые полупроводники действуют как изоляторы. Мы можем заставить их действовать как проводники, добавив небольшое количество примесных атомов и приложив напряжение. Самый известный полупроводниковый материал — это кремний (атомный номер $ 14 $, прямо под углеродом). Мы знаем, как точно контролировать изолирующие и проводящие свойства кремния, что позволяет изобрести такие современные чудеса, как компьютеры и мобильные телефоны.Детали атомарного уровня того, как работают полупроводниковые устройства, регулируются теориями квантовой механики.
Текущий
Ток — это поток заряда.
Заряд течет в токе.
Почему ты сказал это дважды?Обратите внимание на тщательную грамматику. Текущий — это поток. Технически правильнее сказать «потоки заряда», чем «токи». Однако общая привычка инженеров — говорить «ток течет». Это настолько укоренившаяся привычка, что это вполне приемлемая инженерная болтовня, если вы помните, что на самом деле движется заряд.
Когда мы даем число для тока, это указывается как количество зарядов за единицу времени, проходящих через границу. Чтобы визуализировать ток, представьте, что вы размещаете границу по всей длине провода. Станьте возле границы и посчитайте количество проходящих зарядов. Подсчитайте, сколько заряда прошло через границу за одну секунду, и укажите это как ток. Мы говорим, что направление тока — это направление, в котором будет двигаться положительный заряд .
Текущее направление и NEETSНаправляем стрелку тока в направлении, противоположном движению электронов.Это может показаться неприятным, но мы заставим это работать. Это определение часто вызывает путаницу у новичков и людей, изучавших электричество в военных или некоторых технических школах.
Например, в программе NEETS ВМС США в 1960-х годах использовалось противоположное соглашение, когда ток определялся в направлении движения электронов. Мы не используем это ни здесь, ни в Spinning Numbers, ни в большей части мира электротехники. Подробнее об этом позже, когда мы поговорим об обычном направлении тока.
Поскольку ток — это количество заряда, проходящего через границу за некоторый период времени, его можно выразить в общих чертах с помощью этого обозначения из расчетов:
$ i = \ dfrac {dq} {dt}
$Термин «электрический ток» впервые использовал Андре-Мари Ампер. Обозначение тока — «$ i $». Оно происходит от первой буквы французской фразы интенсив дю куранта électrique .
Что означает $ d $?$ d $ в $ {dq} / {dt} $ — это обозначение из исчисления, это означает дифференциал .Вы можете думать, что $ d $ означает «крошечное изменение …»
Например, выражение $ dt $ означает крошечное изменение во времени . Когда вы видите $ d $ в соотношении, например $ dq / dt $, это означает «крошечное изменение в $ q $ (плата) за каждое крошечное изменение в $ t $ (время)». Выражение типа $ dq / dt $ называется производной, и это то, что вы изучаете в дифференциальном исчислении.
В расчетах $ d $ представляет небольшое изменение, настолько маленькое, что оно приближается к $ 0 $. Чуть ниже в этой статье вы увидите изменение, обозначенное символом $ \ Delta $, поскольку в $ \ Delta h $ это изменение высоты.Мы используем $ \ Delta $, чтобы указать большое конечное изменение, например, $ 1 $ метр или $ 1 $ секунду. И мы используем $ d $ для обозначения крошечных изменений почти нулевого размера.
$ q $ модели заряжаются как сплошное веществоВам не нужно это читать. Для новичков это слишком сложно.
При моделировании заряда с непрерывной переменной $ q $ мы должны принять небольшое противоречие. В исчислении $ dq $ — бесконечно малая сумма заряда. Но вы знаете, что самая маленькая заряженная частица — это электрон или протон.Они маленькие, но не бесконечно маленькие. А ток на атомном уровне — это эти маленькие кусочки заряда, а не непрерывное вещество, которое может иметь какую-либо ценность.
Когда мы моделируем заряд с помощью математики $ (q) $, нет никакого смысла в том, что заряд существует в виде электронов. Так люди думали о заряде до открытия электрона и протона. Считалось, что это непрерывная переменная, не квантованная по электронам или протонам. Когда мы определяем ток с помощью исчисления как $ dq / dt $, эта модель заряжается как непрерывное число.
Это похоже на то, как мы думаем о воде двумя способами. Если у вас есть ведро с водой, вы думаете о нем как о непрерывном веществе, а не о совокупности молекул. В ведрах воду не «считаешь», а меряешь ее в стаканах или литрах. Но если вы спуститесь до атомарного уровня, вода — это молекулы, которые вы можете сосчитать. Если ваше ведро заполнено песком, частицы больше, но вы все равно относитесь к нему как к сплошной жидкости. Если это ведро с камнями, вы можете относиться к нему как угодно.
В статье Википедии об электрическом токе вы видите определение $ I = Q / t $, а не $ i = dq / dt $ (на изображении справа).Автор изо всех сил старается избегать использования математического анализа в простом эссе. Таким же образом вы можете говорить о наклоне прямой, не прибегая к исчислению, подъем / бег.
Но вы знаете, что когда дело доходит до кривых функций, исчисление лучше описывает «мгновенный наклон». EE много работает с кривыми синусоидальными волнами и экспоненциальными сигналами, поэтому нам нужна нотация исчисления, когда дело доходит до схем $ \ text {RC} $ и реальных сигналов.
Но давайте признаем, что ток (в проводах) переносится электронами.Предположим, вы выбрали очень короткий интервал времени и измеряете ток. Если в течение этого времени через границу не проходит заряд, то технически ток в течение этого интервала составляет 0 долларов.
Это технически правильно, но не очень полезно. Вы можете проделать тот же мысленный эксперимент с водяным шлангом. Поместите воображаемую границу через конец шланга. Вы можете выбрать такой короткий интервал времени, чтобы за это время молекулы воды пересекали границу. Верно, но не очень полезно. Более полезно начать с большего временного интервала, подсчитать количество молекул воды, чтобы получить реальный ток, а затем сжимать временной интервал, пока он не станет настолько малым, насколько вам нужно для вашего исследования.В расчетах это с пределом .
Путаница возникает, когда вы моделируете заряд как непрерывное значение и берете предел $ (\ Delta Q $, уменьшающийся до $ dq $ и $ \ Delta T $, снижающийся до $ dt) $, который игнорирует тот факт, что при чрезвычайно малых scale $ q $ фактически квантовано (электроны).
В повседневном ЭЭ мы рассматриваем заряд и ток как непрерывные величины, как ведро с водой. Мы очень редко считаем отдельные электроны. В большинстве наших цепей есть миллионы электронов, так что это хорошая модель.
Кратко об этом.
Что проводит ток в металле? Поскольку электроны в металлах могут свободно перемещаться, а атомы металлов — нет, ток в металлах создается движущимися электронами. Несмотря на то, что электроны выполняют работу в большинстве электронных схем, мы указываем стрелкой тока в направлении, в котором двигался бы положительный заряд . Это очень старая историческая конвенция. К этому нужно привыкнуть, но вы справитесь. Это просто означает, что стрелка тока указывает туда, куда идут электроны из .- $ ионы. Оба иона реагируют на электрическую силу и движутся через соленую воду в противоположных направлениях. В соленой воде ток состоит из движущихся атомов, как положительных, так и отрицательных ионов, а не свободных электронов. Электрические токи внутри нашего тела перемещают ионы. То же определение текущих работ: подсчитайте количество зарядов, проходящих мимо за фиксированный промежуток времени.
Какая скорость тока? Мы не очень часто говорим о скорости тока. Отвечая на вопрос: «Как быстро течет ток?» действительно сложно и редко актуально.Сила тока не в метрах в секунду, а в количестве заряда в секунду. Мы хотим знать: «Как протекает, сколько тока?», А не как быстро . Когда мы говорим о том, как быстро что-то движется в электричестве, мы думаем о том, как быстро возмущение перемещается по проводу или по воздуху, а не о том, как быстро физически движутся электроны. Электрические возмущения распространяются со скоростью, близкой к скорости света. Если вы бросите камешек в пруд, вы увидите, как по его поверхности движется рябь.Рябь (возмущение) движется быстро, но молекулы воды почти не двигаются.
Как следует говорить о токе? При обсуждении тока термины вроде – и в имеют смысл. Ток протекает с через резистор ; ток течет в провод. Если вы слышите «ток поперек…», это должно звучать забавно (например, смешно / странно). Слова «сквозной» и «поперечный» используются для обозначения напряжения, а не тока. Если вы слышите «скорость течения», это тоже должно звучать забавно.
Напряжение
Чтобы получить представление о концепции напряжения, мы проводим аналогию:
Напряжение напоминает силу тяжести.
Вот как работает гравитационная потенциальная энергия:
Для массы $ m $ изменение высоты $ h $ соответствует изменению потенциальной энергии $ \ Delta U = mg \ Delta h $.
Вот как работает напряжение:
Для заряженной частицы $ q $ напряжение $ V $ соответствует изменению потенциальной энергии $ \ Delta U = qV $.
Напряжение в электрической цепи аналогично произведению $ g \ cdot \ Delta h $.Где $ g $ — ускорение свободного падения, а $ \ Delta h $ — изменение высоты.
Мяч на вершине холма скатывается. Когда он наполовину опустился, он потерял половину своей потенциальной энергии.
Электрон на вершине «холма» напряжения движется «вниз» по проводам и элементам цепи. Он теряет свою потенциальную энергию, попутно выполняя работу. Когда электрон находится на полпути вниз по склону, он потерял или «сбросил» половину своей потенциальной энергии.
И мяч, и электрон спускаются с холма спонтанно.Шар и электрон сами по себе переходят в состояние с более низкой энергией. Во время спуска мяча могут быть препятствия, например, деревья или медведи, от которых нужно отскочить. Мы направляем электроны с помощью проводов и позволяем им проходить через электронные компоненты, делая при этом интересные вещи. Мы называем это схемотехникой.
Зачем использовать аналогию?Почему бы вам просто не описать напряжение в научных терминах?
Voltage — это сложная концепция. Очень сложно дать простое описание напряжения в терминах фундаментальных электрических сил.Я не встречал простого описания , которое предлагало бы такое счастливое «Ага!» момент. Электричество — это в некоторой степени загадочная сила, так что наберитесь терпения, позвольте чуду поваляться некоторое время.
Самый распространенный способ почувствовать напряжение — провести аналогию. Аналогия сильна, если она имитирует лежащий в основе принцип и помогает вам предсказывать новые вещи. Приведенная в этой статье аналогия «напряжение как сила тяжести» не идеальна, но является одной из лучших. Это хорошее место для начала.
Пределы этой аналогииАналогии могут быть натянутыми. Аналогия с гравитацией становится напряженной, потому что заряженные частицы — это не то же самое, что катящиеся шары в одном очень важном отношении. Катящиеся шары не отталкиваются друг от друга, но электроны сильно отталкиваются. Шары, катящиеся с холма, ведут себя не так, как толпа электронов.
По мере того, как вы углубитесь в электронику, вы начнете думать о напряжении в терминах законов электричества, а не по аналогии с гравитацией.Полное определение напряжения довольно сложно. Об этом мы поговорим в конце раздела [Электростатика] (/ t / topic-electrostatics.html).
Если вы встретите аналогию, которая улучшает ваше понимание, во что бы то ни стало, примите ее. Но не любите это слишком сильно и слишком долго.
Я все еще не уверен в концепции напряжения.Понятие тока проще для понимания по сравнению с напряжением. Если напряжение вызывает недоумение, не расстраивайтесь. Каждый знакомый мне инженер начинал с туманного представления о напряжении, в том числе и я.Напряжение — это понятие, с которым нужно время, чтобы подружиться.
Мне нравится, как профессор Ричард Фейнман, великий физик и педагог из Калифорнийского технологического института, описывает электричество в этом 9-минутном ролике из интервью 1983 года Британской радиовещательной корпорации (BBC). Наслаждайтесь этим, когда у вас есть свободное время.
Напряжение между двумя точками математически выражается как изменение потенциальной энергии заряда,
$ V = \ dfrac {\ Delta U} {q}
$Символ $ \ Delta $ означает «изменение» некоторой величины.
Вкратце, это интуитивно понятное описание напряжения.
Мощность
Мощность определяется как скорость преобразования или передачи энергии с течением времени. Мощность измеряется в джоулях в секунду. Джоуль в секунду также известен как Вт .
$ 1 \, \ text {watt} = 1 \, \ text {joule} / \ text {second}
$В системе исчисления мощность записывается так: <
$ \ text {power} = \ dfrac {dU} {dt}
$, где $ U $ — энергия, а $ t $ — время.
Электрическая цепь может передавать энергию из одного места в другое. Мощность — это тепло, которое вы чувствуете, когда кладете руку рядом с лампочкой или когда ваш мобильный телефон нагревается.
Voltage измеряет энергию, передаваемую на единицу заряда, $ dU / dq $. Current — это скорость движения заряда, $ dq / dt $. Если мы вставим эти определения в уравнение для мощности, мы получим
$ p = \ dfrac {dU} {dt} = \ dfrac {dU} {dq} \ cdot \ dfrac {dq} {dt} = v \, i $
Электрическая мощность — это произведение напряжения на ток в ваттах.
$ p = v \, i
$Сводка
Эти мысленные образы тока и напряжения достаточно хороши, чтобы начать изучение электричества. Со временем эти идеи будут созревать и развиваться.
Если вы хотите выйти за рамки интуитивного описания напряжения, вы можете прочитать более формальное математическое описание электрического потенциала и напряжения в последовательности «Электростатика».
| |
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||