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
Сопротивление
Cила тока: формула
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
Понятие потенциала
Для того чтобы электроны прошли по цепи, необходима энергия, способная привести их в движение по электрическому контуру. Например, в случае со статическим электричеством — это сила, производимая дисбалансом электрического заряда в предметах.
Школьный опыт с натиранием эбонитовой палочки об шерсть иллюстрирует создание избытка электронов в эбоните (отрицательный заряд) и дефицит электронов в шерсти (положительный заряд) при затратах механической энергии на натирание.
Это и есть электрический ток в цепи, а степень электризации тел есть величина, называемая потенциалом. Упрощённо для понимания того, что называется напряжением, можно рассматривать эту величину как разницу потенциалов между предметами.
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.
Физическая работа пробного заряда в электрическом поле
Итак, вы превратились в пробный электрический заряд
q
во много раз меньший чем заряд
Q
на обкладках конденсатора и начали свое путешествие между обкладок конденсатора. При этом вы будете испытывать действие кулоновых сил. Допустим, что вы являетесь отрицательно заряженной частицей подобно электрону, тогда вас будет притягивать в сторону обкладки
+Q
, и вас будет отталкивать от обкладки с зарядом
-Q
. Чем ближе вы будете к одной из обкладок, тем сильнее вы будете испытывать ее силовое действие.
Предположим, что вы вошли в конденсатор со стороны обкладки -Q
и вас тут же начало отталкивать от нее в сторону обкладки
+Q
. Вы не стали сопротивляться такому воздействию и решили не противится природе и двигаться в полном согласии с влечением. Для этих целей как раз удобно расположены балки и лестницы, по которым вы можете свободно добраться до обкладки
+Q
любым маршрутом. Так как на вас действуют электрическая кулоновская сила, то вы начинаете свободно набирать скорость, словно вас несет ветром. В итоге вы преодолели расстояние по балке от одной лестницы до другой в направлении от точки
A
к точке
B
(
смотрите рисунок выше
). Лестницы — это эквипотенциальные линии, и соответственно, вы преодолели расстояние от одного значения потенциала к другому. В нашем случае вы двигались от того потенциала, который для вас больший по величине, к тому, что меньше. Если же вы были бы зарядом другого знака, то есть
+q
, тогда потенциалы поменяли бы свои знаки и больший стал бы меньшим, а меньший большим. Математически это означает умножение потенциалов на
-1
.
На вас действовала сила и вы переместились из точки A
в точку
B
, другими словами вы двигались от
потенциалаφa
(большего) к
потенциалуφb
(меньшему). Это подобно тому, как если бы вы плыли по течению реки на плоту, когда вам не нужно грести веслами и не требуется мотора для движения. Можно сказать, что вами совершена механическая работа, которая является вычисляется как произведение силы на расстояние. Совершив такое перемещение, вы потеряли часть потенциальной энергии, которая перешла в кинетическую (скорость вашего движения), а затем выделилась вероятно в виде тепла при торможении. Проделав обратный путь из точки
B
в точку
A
, вы будете двигаться как бы против течения, вам придется затратить энергию, грести веслами, использовать мотор и т. п. Переместившись обратно вы увеличите свою потенциальную энергию, потому как переместитесь в точку с большим потенциалом и ваше энергетическое состояние увеличится.
Разность этих двух потенциалов φa
и
φb
и будет являться электрическим напряжением. Это равнозначные понятия, но в практической электротехнике чаще всего употребляют выражение не разность потенциалов, а напряжение. При рассмотрении электрических цепей употребляют такое выражение как падение напряжения на участке цепи, а для источников электричество та же самая разность потенциалов определяется как электродвижущая сила (ЭДС).
Разность потенциалов Δφ=φ1-φ2
всегда показывает какую работу
A
может совершить носитель заряда
q
при перемещении этого заряда из точки с одним потенциалом
φ1
в точку с другим потенциалом
φ2
. При вычислении надо иметь в виду, что потенциалы могут быть как со знаком
плюс
, так и со знаком
минус
.
Если заряду для такого перемещения требуется затратить энергию, а значит увеличить свой потенциал, то тогда работа А
будет со знаком (-), а если носитель заряда перемещается из области высокого потенциала в область с низким потенциалом, тогда происходит выделение энергии и работа
А
будет со знаком (+). Таким образом электрическое напряжение — это
энергетическая характеристика
электрического поля и представляет собой разность потенциалов
Δφ
. Это значит, что принципиально неверно утверждать, что напряжение — это потенциал. Электрическое напряжение — это всегда разность потенциалов и она возможна только между двумя точками электрического поля. Если имеется одна точка в пространстве электрического поля, тогда уместно говорить только о потенциале этой точки, но никак ни о ее напряжении.
Необходимо совершенно ясно представлять в чем заключаются различия между такими понятиями как: напряженность электрического поля E
, потенциал
φ
, и, конечно, разность потенциалов — электрическое напряжение. Поняв эти различия, будет совершенно легко разобраться с тем, что такое электрический ток.
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.
Характерные значения и стандарты
| Объект | Тип напряжения | Значение (на вводе потребителя) | Значение (на выходе источника) |
| Электрокардиограмма | Импульсное | 1—2 мВ | — |
| Телевизионная антенна | Переменное высокочастотное | 1—100 мВ | — |
| Гальванический цинковый элемент типа АА («пальчиковый») | Постоянное | 1,5 В | — |
| Литиевый гальванический элемент | Постоянное | 3—3,5 В (в исполнении пальчикового элемента, на примере Varta Professional Lithium, AA) | — |
| Логические сигналы компьютерных компонентов | Импульсное | 3,5 В; 5 В | — |
| Батарейка типа 6F22 («Крона») | Постоянное | 9 В | — |
| Силовое питание компьютерных компонентов | Постоянное | 5 В, 12 В | — |
| Электрооборудование автомобилей | Постоянное | 12/24 В | — |
| Блок питания ноутбука и жидкокристаллических мониторов | Постоянное | 19 В | — |
| Сеть «безопасного» пониженного напряжения для работы в опасных условиях | Переменное | 36—42 В | — |
| Напряжение наиболее стабильного горения свечи Яблочкова | Постоянное | 55 В | — |
| Напряжение в телефонной линии (при опущенной трубке) | Постоянное | 60 В | — |
| Напряжение в электросети Японии | Переменное трёхфазное | 100/172 В | — |
| Напряжение в домашних электросетях США | Переменное трёхфазное | 120 В / 240 В (сплит-фаза) | — |
| Напряжение в бытовых электросетях России | Переменное трёхфазное | 220/380 В | 230/400 В |
| Разряд электрического ската | Постоянное | до 200—250 В | — |
| Контактная сеть трамвая и троллейбуса | Постоянное | 550 В | 600 В |
| Разряд электрического угря | Постоянное | до 650 В | — |
| Контактная сеть метрополитена | Постоянное | 750 В | 825 В |
| Контактная сеть электрифицированной железной дороги (Россия, постоянный ток) | Постоянное | 3 кВ | 3,3 кВ |
| Распределительная воздушная линия электропередачи небольшой мощности | Переменное трёхфазное | 6—20 кВ | 6,6—22 кВ |
| Генераторы электростанций, мощные электродвигатели | Переменное трёхфазное | 10—35 кВ | — |
| На аноде кинескопа | Постоянное | 7—30 кВ | — |
| Статическое электричество | Постоянное | 1—100 кВ | — |
| На свече зажигания автомобиля | Импульсное | 10—25 кВ | — |
| Контактная сеть электрифицированной железной дороги (Россия, переменный ток) | Переменное | 25 кВ | 27,5 кВ |
| Пробой воздуха на расстоянии 1 см | 10—20 кВ | — | |
| Катушка Румкорфа | Импульсное | до 50 кВ | — |
| Пробой слоя трансформаторного масла толщиной 1 см | 100—200 кВ | — | |
| Воздушная линия электропередачи большой мощности | Переменное трёхфазное | 35 кВ, 110 кВ, 220 кВ, 330 кВ | 38 кВ, 120 кВ, 240 кВ, 360 кВ |
| Электрофорная машина | Постоянное | 50—500 кВ | — |
| Воздушная линия электропередачи сверхвысокого напряжения (межсистемные) | Переменное трёхфазное | 500 кВ, 750 кВ, 1150 кВ | 545 кВ, 800 кВ, 1250 кВ |
| Трансформатор Тесла | Импульсное высокочастотное | до нескольких МВ | — |
| Генератор Ван де Граафа | Постоянное | до 7 МВ | — |
| Грозовое облако | Постоянное | От 2 до 10 ГВ | — |
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.
Что такое ЭДС
Что такое ЭДС, думаете Вы? Сейчас расскажу!
Электродвижущая сила (ЭДС) тоже измеряется в Вольтах, как и напряжение.
Давайте возьмём прибор, который измеряет вольты (вольтметр), батарейку и произведём замер.
Прибор показывает 1,5 Вольта и это не напряжение, а электродвижущая сила (ЭДС).
А теперь подключим к батарейке лампочки.
Измерение напряжения на различных участках электрической цепи.
Заметили, что на одной лампочке напряжение (не ЭДС) составляет 1 Вольт, а на другой 0,3 вольта
Напряжение на лампочках зависит от их мощности.Мощность измеряется в Ваттах.
Мощность= Напряжение * ток (P=U*I)
Чем больше мощность лампочки, тем больше будет на ней напряжение.
Если батарейка у нас 1,5 вольта= 1 Вольт +0,3 Вольта= 1,3 Вольта, куда делись 0,2 Вольта? У батарейки есть тоже своё внутреннее сопротивление, вот туда они и ушли.
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.
Потенциал Гальвани
Внутри проводящего материала на энергию электрона влияют не только средние возможности, но и конкретная тепловая и атомная среда, в которой он находится. Когда вольтметр подключен между двумя различными типами металла, он не измеряет разность электростатического потенциала.
Величина, измеренная с помощью вольтметра, является отрицательной и обычно называется разностью напряжений. В то время как чистая нескорректированная электростатическая возможность (неизмеряемая с помощью вольтметра) иногда называется Гальванической. Термины «напряжение» и «электрический потенциал» неоднозначны в том смысле, что на практике они могут относиться к любому из них в различных контекстах.
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
Суть явления
Напряжением называется электрическая движущая сила, которая призвана толкать свободные виды электронов от одного атома к другому в определенном направлении. Обязательное требование для протекания зарядов это наличие цепи с замкнутым контуром, который создает условия, для того чтобы их передвигать. Если имеется обрыв электроцепи, то процесс направленного перемещения частиц прекращается.
Обратите внимание! Стоит отметить, что единица напряжения электрической цепи зависит от того, какой проводник имеет материал, как подключена нагрузка, какая есть температура. Что это такое
Что это такое
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
