Мы установили на опытах, что сила тока зависит от двух величин: напряжения (U) и сопротивления (R).
Чем выше напряжение, тем больше ток. Чем больше сопротивление, тем меньше ток.
Когда одновременно увеличиваются в 2 раза и напряжение, и сопротивление, сила тока не меняется. Если напряжение увеличивается вдвое, а сопротивление — вчетверо, ток в итоге уменьшается в 2 раза. В конечном счете можно сделать вывод, что сила тока равна отношению (дроби) напряжения и сопротивления:
Этот закон был открыт в XIX в. учителем физики Георгом Омом
(1787 – 1854), за что и назван
законом Ома
. Способ вычисления сопротивления из закона Ома:
Теперь понятна причина опасности короткого замыкания
— при ничтожно малом сопротивлении сила тока резко возрастает, что легко может вызвать пожар.
Саб Ом — значение ниже 1 Ом. Чем меньше сопротивление -> тем больше мощность -> быстрее нагрев спирали -> нагрев спирали до больших температур -> больше пара -> пар теплее -> из-за повышения температур у всего, ведет к повышенной нагреваемости устройства парения.
Мощность рассчитываем по формуле: P = V*V / R (Напряжение в квадрате деленное на сопротивление) Итого, например: R = 0.8 Ом, V = 4.2В -> P = 22.05 Вт (W) R = 0.5 Ом, V = 4.2В -> P = 35.28 Вт (W) R = 0.2 Ом, V = 4.2В -> P = 88.2 Вт (W)
Как мы говорили ранее, Ом единица измерения выражающая сопротивления цепи протеканию тока. Один Ом сопротивления позволит протекать току в 1Ампер через цепь (через потребителя) когда к ней приложено напряжение в 1 Вольт. Давайте попробуем разобрать это на более понятном примере.
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.
Объяснение простыми словами
Электрическое напряжение U является той самой причиной, которая «заставляет» протекать электрический ток I. Электрическое напряжение всегда возникает, когда заряды разделены друг от друга, то есть все отрицательные заряды на одной стороне, а все положительные — на другой. Если соединить эти две стороны электропроводящим материалом, потечет электрический ток.
Общепринятое определение термина «электрическое напряжение».
Электрическое напряжение (или просто напряжение) — это разность потенциалов между двумя точками в электрическом поле. Это движущая сила для электрического заряда.
Потенциал в электрическом поле — это энергия заряженного тела, не зависящая от его электрического заряда. Для пояснения вы можете посмотреть на сравнение с водяным контуром чуть ниже в статье.
Есть другое определение (из учебника по физике 8 класса):
Напряжение — это физическая велuчuна, характеризующая электрическое поле. Электрическое напряжение между двумя точками электрического поля численно равно работе, совершенной при переносе между ними заряда 1 Кл силами электрического поля.
Сравнение с использованием модели протекания воды.
Хорошей аналогией, которая поможет вам представить себе электрическое напряжение и потенциал, является водяной контур. В этой схеме у вас есть два бассейна на разной высоте, которые соединены трубой. В этой трубе вода может перетекать из верхнего бассейна в нижний. Затем вода перекачивается обратно в верхний бассейн с помощью насоса, как показано на рисунке ниже.
Электрическое напряжение — сравнение с использованием модели протекания воды
В своих размышлениях вы теперь легко можете сравнить насос с источником электрического напряжения. Кроме того, поток воды можно сравнить с электрическим током. Насос транспортирует воду из нижнего бассейна в верхний. Оттуда она самостоятельно течет обратно в нижний бассейн. В данном примере насос является приводом для потока. Чем больше разница в высоте, тем сильнее поток. Решающим фактором является потенциальная энергия верхнего бассейна. Вы можете сравнить разность энергий двух бассейнов с разностью электрических потенциалов. Проще говоря, большая разница в высоте соответствует большему электрическому напряжению.
Причины
На практике как низкое, так и высокое напряжение в сети имеет ряд негативных последствий для бытовых электроприборов. Не зависимо от уровня номинального напряжения в сети, повышение может произойти по следующим причинам:
- Искусственная подстройка выходного уровня при помощи РПН или ПБВ на подстанции или КТП. В связи с частыми жалобами на низкое напряжение электроснабжающая организация повышает выходной параметр. В результате чего в последнем доме, подключенном к линии, входное напряжение будет соответствовать норме, а в первом значительно превышать.
- Помимо этого высокое напряжение возникает при сезонных перепадах, переходе с дня на ночь, смене циклов работы мощного оборудования и т.д. Когда объем потребляемой электрической энергии существенно отличается на пике циклов. К примеру, в зимний период или перед началом запуска централизованного отопления бытовые электросети страдают от многочисленных обогревательных аппаратов, которые обуславливают пониженное напряжение. Если при этом производится регулировка в большую сторону, то с потеплением на обмотках трансформатора возникнет достаточно большой потенциал.
- Перекос фаз — обуславливается как повреждением в сети (к примеру, обрывом нулевого провода), так и значительной разницей в подключенной мощности на каждую линию. При этом в какой-то из фаз возрастает переменный ток и снижается напряжение, а в соседних наоборот, появляется высокое напряжение.
Рис. 1. перекос фаз - Аварийная ситуация – из-за повреждения в сетях, к примеру, попадании фазы на ноль произойдет увеличение разности потенциалов до уровня линейной. То есть вместо 220 В на бытовую технику будет приходить 380 В. Идентично высокое напряжение может возникнуть при пробое изоляции между высокой и низкой стороной, при обрыве одной из фаз и возникновении токов нулевой последовательности.
Формула
Формула для электрического напряжения U, согласно закона Ома для участка цепи, имеет вид
U = R * I .
Как видно из этой формулы, если электрическое напряжение остается неизменным, то чем больше электрическое сопротивление (R), тем меньше сила тока (I).
Другая формула для расчета электрического напряжения такова:
U = P / I .
То есть электрическое напряжение U равно мощности деленной на силу тока I.
Единица измерения электрического напряжения
Единицей измерения электрического напряжения в СИ является Вольт, сокращенно В (в честь итальянского учёного А. Вольта).
1 вольт (1 В) — это напряжение между двумя точками электрического поля, при переносе между которыми заряда 1 Кл совершается работа 1 Дж.
[U] = 1 В
Теперь вы можете объяснить смысл надписи 4,5 В или 9 В на круглой или плоской батарейке. Смысл в том, что при переносе с одного полюса источника на другой (через спираль лампочки или другой проводник) заряда 1 Кл силами электрического поля может быть совершена работа соответственно 4,5 Дж или 9 Дж.
В электротехнике напряжение может варьироваться от микровольт (1 мкВ = 1 * 10-6 В) и миливольт (1 мВ = 10-3 В), до киловольт (1 кВ = 1 * 103 В) и мегавольт (1 МВ = 106 В)
Вы можете преобразовать отдельные единицы измерения следующим образом:
1 В = 1000 мВ, 1 мВ = 1000 мкВ, 1 МВ = 1000 кВ, 1 кВ = 1000 В.
Потеря напряжения
| Рисунок 3. Потеря напряжения вдоль электрической цепи |
На рисунке 3 приведена электрическая цепь, состоящая из аккумулятора, сопротивления r и длинных соединительных проводов, имеющих свое определенное сопротивление.
Как видно из рисунка 3, вольтметр, присоединенный к зажимам аккумулятора, показывает 2 В. Уже в середине линии вольтметр показывает только 1,9 В, а около сопротивления r напряжение равно всего 1,8 В. Такое уменьшение напряжения вдоль цепи между отдельными точками этой цепи называется потерей (падением) напряжения.
Потеря напряжения вдоль электрической цепи происходит потому, что часть приложенного напряжения расходуется на преодоление сопротивления цепи. При этом потеря напряжения на участке цепи будет тем больше, чем больше ток и чем больше сопротивление этого участка цепи. Из закона Ома для участка цепи следует, что потеря напряжения в вольтах на участке цепи равно току в амперах, протекающему по этому участку, умноженному на сопротивление в омах того же участка:
U = I × r .
Пример 4. От генератора, напряжение на зажимах которого 115 В, электроэнергия передается электродвигателю по проводам, сопротивление которых 0,1 Ом. Определить напряжение на зажимах двигателя, если он потребляет ток в 50 А.
Очевидно, что на зажимах двигателя напряжение будет меньше, чем на зажимах генератора, так как в линии будет потеря напряжения. По формуле определяем, что потеря напряжения равна:
U = I × r = 50 × 0,1 = 5 В.
Если в линии потеря напряжения равна 5 В, то напряжение у электродвигателя будет 115 – 5 = 110 В.
Пример 5. Генератор дает напряжение 240 В. Электроэнергия по линии из двух медных проводов длиной по 350 м, сечением 10 мм² передается к электродвигателю, потребляющему ток в 15 А. Требуется узнать напряжение на зажимах двигателя.
Напряжение на зажимах двигателя будет меньше напряжения генератора на величину потери напряжения в линии. Потеря напряжения в линии U = I × r.
Так как сопротивление r проводов неизвестно, определяем его по формуле:
где ρ – удельное сопротивление меди (таблица 1, в статье «Электрическое сопротивление и проводимость»); длина l равна 700 м, так как току приходится идти от генератора к двигателю и оттуда обратно к генератору.
Подставляя r в формулу, получим:
U = I × r = 15 × 1,22 = 18,3 В
Следовательно, напряжение на зажимах двигателя будет 240 – 18,3 = 221,7 В
Пример 6. Определить поперечное сечение алюминиевых проводов, которое необходимо применить, чтобы подвести электрическую энергию к двигателю, работающему при напряжении в 120 В и токе в 20 А. Энергия к двигателю будет подаваться от генератора напряжением 127 В по линии длиной 150 м.
Находим допустимую потерю напряжения:
127 – 120 = 7 В .
Сопротивление проводов линии должно быть равно:
Из формулы
определим сечение провода:
где ρ – удельное сопротивление алюминия (таблица 1, в статье «Электрическое сопротивление и проводимость»).
По справочнику выбираем имеющееся сечение 25 мм². Если ту же линию выполнить медным проводом, то сечение его будет равно:
где ρ – удельное сопротивление меди (таблица 1, в статье «Электрическое сопротивление и проводимость»).
Выбираем сечение 16 мм².
Отметим еще, что иногда приходится умышленно добиваться потери напряжения, чтобы уменьшить величину приложенного напряжения.
Пример 7. Для устойчивого горения электрической дуги требуется ток 10 А при напряжении 40 В. Определить величину добавочного сопротивления, которое нужно включить последовательно с дуговой установкой, чтобы питать ее от сети с напряжением 120 В.
Потеря напряжения в добавочном сопротивлении составит:
120 – 40 = 80 В .
Зная потерю напряжения в добавочном сопротивлении и ток, протекающий через него, можно по закону Ома для участка цепи определить величину этого сопротивления:
Электрическое напряжение в цепи
Для источников напряжения в схемах обычно используется один из следующих символов.
Источники напряжения и электрическая цепь
Источник напряжения всегда имеет два соединения/полюса. Полюс «плюс» и полюс «минус». Само напряжение обозначено стрелкой напряжения (UQ). Для источников оно всегда отображается от плюса к минусу.
Электрическое напряжение, падающее на резисторе, также можно обозначить стрелкой напряжения (на схеме обозначена как красная стрелка UR ). Это указывает на техническое направление электрического тока.
Также часто можно услышать термин «напряжение холостого хода» или «напряжение источника». Это выходное напряжение ненагруженного источника, т.е. источника, к которому ничего не подключено. Если цепь замкнута с нагрузкой, то можно измерить только напряжение на полюсах источника.
Электрические напряжения при последовательном и параллельном соединении
У нас уже есть статья о последовательном и параллельном соединении проводников, в котором мы обсуждаем эту тему более подробно. Поэтому здесь мы рассмотрим лишь некоторые основы.
При последовательном соединении компоненты подключаются в ряд.
Электрическое напряжение при последовательном соединении
Здесь электрическое напряжение источника делится на резисторы. Этот момент также описывается вторым правилом Кирхгофа. Здесь применимо следующее:
UQ = U1 + U2 + U3
то есть напряжение источника равно сумме электрических напряжений на отдельных резисторах. Напряжение источника по-разному распределяется по разным резисторам.
В электрической цепи с параллельным соединением компоненты расположены, соответственно, параллельно друг относительно друга. Это можно увидеть на следующей схеме.
Электрическое напряжение в параллельной цепи
Здесь гораздо проще определить электрические напряжения на резисторах, так как при параллельном соединении:
UQ = U1 = U2 = U3
Поэтому электрическое напряжение на резисторах такое же высокое, как и электрическое напряжение источника.
Типовые часто задаваемые вопросы от читателей
Я подключила холодильник LIEBHERR {CUN3033} через реле напряжения PH-122. Примерно неделю все было хорошо, напряжение в сети было в границах верхнего предела, заводская настройка 250 вольт, и холодильник работал. Но с 31декабря и по сей день реле показывает 250-253 вольта и холодильник бывает отключен в течении приблизительно 5 часов в день. А ночью я вообще не знаю как он работает. Скажите, пожалуйста, можно ли установить верхний предел на реле 255 вольт или это недопустимо для холодильника? Может быть реле неисправно? И почему в квартире в Москве такое высокое напряжение в сети, или это норма? Посоветуйте как быть? И еще, реле греется, немного но корпус теплый, это нормально или нет?
Я так понимаю, вы установили реле контроля напряжения RN-122 в штепсельную розетку для подключения холодильника. Вопросов много, но рассмотрим все по порядку. Если рассмотреть допустимые пределы срабатывания, то в соответствии с паспортными данными, диапазон регулирования по Umах составляет от 230 до 290 В. Поэтому, да вы можете выставить максимальный предел напряжения более 250 В.
То, что у вас установлен максимальный предел Umах 250 В, свидетельствует о использовании заводских настроек (для реле контроля напряжения RN-122 порог срабатывания по минимальному напряжению 185 В, а по максимальному 250 В). Чтобы изменить величину максимального порога срабатывания, вам необходимо выполнить следующие действия (см. рисунок по ссылке):
По поводу номинального напряжения, то в соответствии с ГОСТ 32144-2013 максимальный предел составляет 253 В (то есть +10% к 230 В). Но для многих бытовых приборов это слишком много. Рекомендую вам перепроверить его мультиметром или вольтметром, если это действительно так, обратитесь с официальным заявлением в управляющую компанию. В противном случае, возможно, реле действительно неисправно и его просто необходимо заменить.
Измерение электрического напряжения
Приборы для измерения напряжения, также называемые вольтметрами, всегда подключаются параллельно потребителю, на котором необходимо измерить электрическое напряжение.
Одним из наиболее часто используемых вольтметров является цифровой мультиметр (DMM), поэтому мы покажем вам процедуру измерения напряжения с помощью DMM. Сначала необходимо установить тип электрического напряжения (DC — постоянный ток или AC — переменный ток).
Для постоянного тока необходимо обратить внимание на правильную полярность, т.е. подключить плюс к положительному полюсу. На следующем этапе необходимо выбрать правильный диапазон измерения. Если вы не можете оценить, насколько велика измеряемая величина, установите наибольший возможный диапазон и двигайтесь от него вниз, пока не найдете нужный. Наконец, вам нужно только «считать» электрическое напряжение прибором.
