Мощность переменного тока. Мощность тока через катушку, резистор, конденсатор
Оглавление:
- Темы кодификатора ЕГЭ: переменный ток, вынужденные электромагнитные колебания.
- Мощность тока через резистор
- Мощность тока через конденсатор
- Мощность тока через катушку
- Мощность тока на произвольном участке
Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев
Темы кодификатора ЕГЭ: переменный ток, вынужденные электромагнитные колебания.Переменный ток несёт энергию. Поэтому крайне важным является вопрос о мощности в цепи переменного тока.
Пусть и — мгновенные значение напряжения и силы тока на данном участке цепи. Возьмём малый интервал времени — настолько малый, что напряжение и ток не успеют за это время сколько-нибудь измениться; иными словами, величины и можно считать постоянными в течение интервала .
Пусть за время через наш участок прошёл заряд (в соответствии с правилом выбора знака для силы тока заряд считается положительным, если он переносится в положительном направлении, и отрицательным в противном случае). Электрическое поле движущихся зарядов совершило при этом работу
Мощность тока — это отношение работы электрического поля ко времени, за которое эта работа совершена:
(1)
Точно такую же формулу мы получили в своё время для постоянного тока. Но в данном случае мощность зависит от времени, совершая колебания вместе током и напряжением; поэтому величина (1) называется ещё мгновенной мощностью.
Из-за наличия сдвига фаз сила тока и напряжение на участке не обязаны совпадать по знаку (например, может случиться так, что напряжение положительно, а сила тока отрицательна, или наоборот). Соответственно, мощность может быть как положительной, так и отрицательной. Рассмотрим чуть подробнее оба этих случая.
1. Мощность положительна: . Напряжение и сила тока имеют одинаковые знаки. Это означает, что направление тока совпадает с направлением электрического поля зарядов, образующих ток. В таком случае энергия участка возрастает: она поступает на данный участок из внешней цепи (например, конденсатор заряжается).
2. Мощность отрицательна: . Напряжение и сила тока имеют разные знаки. Стало быть, ток течёт против поля движущихся зарядов, образующих этот самый ток.
Как такое может случиться? Очень просто: электрическое поле, возникающее на участке, как бы «перевешивает» поле движущихся зарядов и «продавливает» ток против этого поля. В таком случае энергия участка убывает: участок отдаёт энергию во внешнюю цепь (например, конденсатор разряжается).
Если вы не вполне поняли, о чём только что шла речь, не переживайте — дальше будут конкретные примеры, на которых вы всё и увидите.
к оглавлению ▴
Мощность тока через резистор
Пусть переменный ток протекает через резистор сопротивлением . Напряжение на резисторе, как нам известно, колеблется в фазе с током:
Поэтому для мгновенной мощности получаем:
(2)
График зависимости мощности (2) от времени представлен на рис. 1. Мы видим, что мощность всё время неотрицательна — резистор забирает энергию из цепи, но не возвращает её обратно в цепь.
Рис. 1. Мощность переменного тока через резистор
Максимальное значение нашей мощности связано с амплитудами тока и напряжения привычными формулами:
На практике, однако, интерес представляет не максимальная, а средняя мощность тока. Это и понятно.
Возьмите, например, обычную лампочку, которая горит у вас дома. По ней течёт ток частотой Гц, т. е. за секунду совершается колебаний силы тока и напряжения. Ясно, что за достаточно продолжительное время на лампочке выделяется некоторая средняя мощность, значение которой находится где-то между и . Где же именно?
Посмотрите ещё раз внимательно на рис. 1. Не возникает ли у вас интуитивное ощущение, что средняя мощность соответствует «середине» нашей синусоиды и принимает поэтому значение ?
Это ощущение совершенно верное! Так оно и есть. Разумеется, можно дать математически строгое определение среднего значения функции (в виде некоторого интеграла) и подтвердить нашу догадку прямым вычислением, но нам это не нужно. Достаточно интуитивного понимания простого и важного факта:
среднее значение квадрата синуса (или косинуса) за период равно .
Этот факт иллюстрируется рисунком 2.
Рис. 2. Среднее значение квадрата синуса равно
Итак, для среднего значения мощности тока на резисторе имеем:
(3)
В связи с этими формулами вводятся так называемые действующие (или эффективные) значения напряжения и силы тока (на самом деле это есть не что иное, как средние квадратические значения напряжения и тока.
Такое у нас уже встречалось: средняя квадратическая скорость молекул идеального газа (листок «Уравнение состояния идеального газа»):
(4)
Формулы (3), записанные через действующие значения, полностью аналогичны соответствующим формулам для постоянного тока:
Поэтому если вы возьмёте лампочку, подключите её сначала к источнику постоянного напряжения , а затем к источнику переменного напряжения с таким же действующим значением , то в обоих случаях лампочка будет гореть одинаково ярко.
Действующие значения (4) чрезвычайно важны для практики. Оказывается, вольтметры и амперметры переменного тока показывают именно действующие значения (так уж они устроены). Знайте также, что пресловутые вольт из розетки — это действующее значение напряжения бытовой электросети.
к оглавлению ▴
Мощность тока через конденсатор
Пусть на конденсатор подано переменное напряжение .
Как мы знаем, ток через конденсатор опережает по фазе напряжение на :
Для мгновенной мощности получаем:
График зависимости мгновенной мощности от времени представлен на рис. 3.
Рис. 3. Мощность переменного тока через конденсатор
Чему равно среднее значение мощности? Оно соответствует «середине» синусоиды и в данном случае равно нулю! Мы видим это сейчас как математический факт. Но интересно было бы с физической точки зрения понять, почему мощность тока через конденсатор оказывается нулевой.
Для этого давайте нарисуем графики напряжения и силы тока в конденсаторе на протяжении одного периода колебаний (рис. 4).
Рис. 4. Напряжение на конденсаторе и сила тока через него
Рассмотрим последовательно все четыре четверти периода.
1. Первая четверть, . Напряжение положительно и возрастает. Ток положителен (течёт в положительном направлении), конденсатор заряжается.
По мере увеличения заряда на конденсаторе сила тока убывает.
Мгновенная мощность положительна: конденсатор накапливает энергию, поступающую из внешней цепи. Эта энергия возникает за счёт работы внешнего электрического поля, продвигающего заряды на конденсатор.
2. Вторая четверть, . Напряжение продолжает оставаться положительным, но идёт на убыль. Ток меняет направление и становится отрицательным: конденсатор разряжается против направления внешнего электрического поля.В конце второй четверти конденсатор полностью разряжен.
Мгновенная мощность отрицательна: конденсатор отдаёт энергию. Эта энергия возвращается в цепь: она идёт на совершение работы против электрического поля внешней цепи (конденсатор как бы «продавливает» заряды в направлении, противоположном тому, в котором внешнее поле «хочет» их двигать).
3. Третья четверть, . Внешнее электрическое поле меняет направление: напряжение отрицательно и возрастает по модулю. Сила тока отрицательна: идёт зарядка конденсатора в отрицательном направлении.
Ситуация полностью аналогична первой четверти, только знаки напряжения и тока — противоположные. Мощность положительна: конденсатор вновь накапливает энергию.
4. Четвёртая четверть, . Напряжение отрицательно и убывает по модулю. Конденсатор разряжается против внешнего поля: сила тока положительна.
Мощность отрицательна: конденсатор возвращает энергию в цепь. Ситуация аналогична второй четверти — опять-таки с заменой заменой знаков тока и напряжения на противоположные.
Мы видим, что энергия, забранная конденсатором из внешней цепи в ходе первой четверти периода колебаний, полностью возвращается в цепь в ходе второй четверти. Затем этот процесс повторяется вновь и вновь. Вот почему средняя мощность, потребляемая конденсатором, оказывается нулевой.
к оглавлению ▴
Мощность тока через катушку
Пусть на катушку подано переменное напряжение . Ток через катушку отстаёт по фазе от напряжения на :
Для мгновенной мощности получаем:
Снова средняя мощность оказывается равной нулю.
Причины этого, в общем-то, те же, что и в случае с конденсатором. Рассмотрим графики напряжения и силы тока через катушку за период (рис. 5).
Рис. 5. Напряжение на катушке и сила тока через неё
Мы видим, что в течение второй и четвёртой четвертей периода энергия поступает в катушку из внешней цепи. В самом деле, напряжение и сила тока имеют одинаковые знаки, сила тока возрастает по модулю; для создания тока внешнее электрическое поле совершает работу против вихревого электрического поля, и эта работа идёт на увеличение энергии магнитного поля катушки.
В первой и третьей четвертях периода напряжение и сила тока имеют разные знаки: катушка возвращает энергию в цепь. Вихревое электрическое поле, поддерживающее убывающий ток, двигает заряды против внешнего электрического поля и совершает тем самым положительную работу. А за счёт чего совершается эта работа? За счёт энергии, накопленной ранее в катушке.
Таким образом, энергия, запасаемая в катушке за одну четверть периода, полностью возвращается в цепь в ходе следующей четверти.
Поэтому средняя мощность, потребляемая катушкой, оказывается равной нулю.
к оглавлению ▴
Мощность тока на произвольном участке
Теперь рассмотрим самый общий случай. Пусть имеется произвольный участок цепи — он может содержать резисторы, конденсаторы, катушки…На этот участок подано переменное напряжение .
Как мы знаем из предыдущего листка «Переменный ток. 2», между напряжением и силой тока на данном участке имеется некоторый сдвиг фаз . Мы записывали это так:
Тогда для мгновенной мощности имеем:
(5)
Теперь нам хотелось бы определить, чему равна средняя мощность. Для этого мы преобразуем выражение (5), используя формулу:
В результате получим:
(6)
Но среднее значение величины равно нулю! Поэтому средняя мощность оказывается равной:
(7)
Данную формулу можно записать с помощью действующих значений (4) напряжения и силы тока:
Формула (7) охватывает все три рассмотренные выше ситуации.
В случае резистора имеем , и мы приходим к формуле (3). Для конденсатора и катушки , и средняя мощность равна нулю.
Кроме того, формула (7) даёт представление о весьма общей проблеме, связанной с передачей электроэнергии. Чрезвычайно важно, чтобы у потребителя был как можно ближе к единице. Иначе потребитель начнёт возвращать значительную часть энергии назад в сеть (что ему совсем невыгодно), и к тому же возвращаемая энергия будет безвозвратно расходоваться на нагревание проводов и других элементов цепи.
С этой проблемой приходится сталкиваться разработчикам электрических схем, содержащих электродвигатели. Обмотки электродвигателей обладают большими индуктивностями, и возникает ситуация, близкая к «чистой» катушке. Чтобы избежать бесполезного циркулирования энергии по сети, в цепь включают дополнительные элементы, сдвигающие фазу — например, так называемые компенсирующие конденсаторы.
Спасибо за то, что пользуйтесь нашими статьями.
Информация на странице «Мощность переменного тока» подготовлена нашими авторами специально, чтобы помочь вам в освоении предмета и подготовке к ЕГЭ и ОГЭ.
Публикация обновлена: 07.04.2023
Сила тока в резисторе. Определить силу тока в резисторе.
Один из способов определения силы тока в резисторе – это ее прямое измерение мультиметром. Измерения следует проводить в разрыве цепи после резистора следующим образом:
– присоединить щупы прибора к месту разрыва цепи.
Применив закон Ома, искомую величину можно также определить расчетным путем:
где I – сила тока, U – напряжение, R – сопротивление (единицы измерения ампер (А), вольт (В), ом (Ом) соответственно).
В приборостроении и электротехнике применяются различные типы соединения и подключения резисторов, что обеспечивает разнообразие электротехнических свойств электрических схем.
Соединение элементов в одну цепь осуществляется следующими способами:
-
последовательно;
-
параллельно;
-
смешанно.
Общие схемы типов соединений представлены на рисунке 1.
Рисунок 1. Типы соединений резисторов
Параллельным соединением принято считать соединение, при котором элементы цепи соединены так, что их начала могут соединиться в одной точке, а концы – в другой (см.рис.2)
Рисунок 2. Параллельное соединение резисторов
Потоку заряженных частиц при прохождении участка АВ предоставлено несколько вариантов пути, поэтому на каждом участке с резистором будет протекать ток, величиной, обратно пропорциональной сопротивлению резистора.
При увеличении нагрузки параллельного соединения, в случае подключения большого числа резисторов способом параллельного соединения в электрическую цепь, общее сопротивление цепи значительно уменьшится, за счет увеличения числа путей, предоставленных потоку заряженных частиц.
Увеличение количества возможных вариантов движения влечет за собой уменьшение противодействия движению тока.
Как найти сопротивление параллельно соединенных резисторов?
и рассчитывается по формуле:
Для примера произведем расчет общего сопротивления для цепи из двух резисторов, обладающих сопротивлением R1= R2=7Ом (см. рис.3а)
R12= 7*7/ (7+7) = 3,5Ом
Сопротивление на участке АВ (1– 2) в 2 раза меньше Rкаждого из резисторов.
При параллельном подсоединении к рассматриваемой цепи еще одного резистора, также обладающего аналогичным сопротивлением R
Rобщ= 3,5*7/ (3,5+7) = 2,33 Ом
R123< R3
Рисунок 3.
Увеличение цепи параллельного соединения резисторов
Из расчетов следует, что общее сопротивление (см. рис.3в) всегда будет меньше сопротивления любого параллельно включенного резистора. Такое условие обеспечивается равенством токов на входе и выходе узлов или групп параллельных резисторов и постоянством напряжения в сети.
Что такое последовательное соединение резисторов?
При последовательном соединении резисторы подсоединяются друг за другом, при этом конец предыдущего резистора соединен с началом последующего резистора (рисунок 4).
Рисунок 3. Последовательное соединение резисторов.
Потоку заряженных частиц при прохождении участка АВ предоставлен один путь, поэтому, чем больше резисторов подсоединено, тем большее сопротивление движущимся заряженным частицам они оказывают, то есть общее сопротивление участка цепи Rобщ возрастает.
Формула для расчета общего сопротивления при последовательном соединении имеет вид:
Как рассчитать напряжения на последовательно соединенных резисторах?
Последовательное соединение резисторов увеличивает общее сопротивление.
Ток во всех частях схемы будет одинаковым, при этом будет определяться падение напряжения на каждом резисторе.
Общее напряжение питания на резисторах, соединенных последовательно, равно сумме разностей потенциалов на каждом резисторе:
URобщ =UR1+ UR2 + UR3+ UR4
Применив закон Ома, можно вычислить напряжение на каждом резисторе:
Напряжение на участке АВ рассчитывается по формуле:
UАВ=I* (R1 + R2+R3+R4)
А ток в цепи:
Резисторы, соединенные последовательно, применяются в электротехнике в качестве делителя напряжения.
Рисунок 5. Схема простейшего делителя напряжения
Регулируя сопротивление обоих резисторов можно выделить требуемую часть входящего напряжения. При необходимости деления напряжения на несколько частей к источнику напряжения подключается несколько последовательно соединенных резисторов.
Смешанное соединение резисторов
В электротехнике наиболее распространено использование различных комбинаций параллельного и последовательного подключения. Силу тока при смешанном соединении резисторов определяют путем разделения цепи на последовательно соединенные части. Однако для определения общего сопротивления в случае параллельного сопротивления различных частей следует применять соответствующую формулу.
Алгоритм расчета смешанного подключения аналогичен правилу расчета базовой схемы последовательного и параллельного подключения резисторов. В этом нет ничего нового: нужно правильно разложить предложенное решение на пригодные для расчета части.
Участки с элементами подключаются поочередно или параллельно. Гибридное резистивное соединение представляет собой комбинацию последовательного и параллельного. Эту комбинацию иногда называют последовательно-параллельным соединением.
На рисунке 6 представлена схема смешанного соединения резисторов.
Рисунок 6. Смешанное соединение резисторов.
На рисунке показано, что резисторы R2 и R3 соединены параллельно, а R1, R23 и R4 последовательно.
Чтобы рассчитать сопротивление этого соединения, вся схема делится на простейшие части, начиная с параллельного или последовательного сопротивления. Тогда следующий алгоритм выглядит следующим образом:
1. Определите эквивалентное сопротивление части резистора, подключенной параллельно.
2. Если эти части содержат резисторы, включенные последовательно, сначала рассчитайте их сопротивление.
3. Вычислив эквивалентное сопротивление резистора, перерисовываем схему. Обычно схема получается из последовательного эквивалентного сопротивления.
4. Рассчитайте сопротивление цепи.
Другие способы подключения хорошо видны на примере, показанном на рисунке. Без специальных расчетов очевидно, что параллельное соединение резисторов создает несколько путей для тока. Следовательно, в одиночном контуре его сила будет меньше по сравнению с контрольными точками на входе и выходе. При этом напряжение на отметке остается неизменным.
Пример участка цепи для расчета сопротивления смешанного соединения показан на рисунке 5.
Рисунок 7. Общее сопротивление участка цепи со смешанным соединением резисторов.
Калькулятор формул уравнений закона Ома
Калькулятор формул уравнений закона Ома — сопротивление при заданной мощности тока Электрические соотношения между сопротивлением (R), током (I), мощностью (P) и напряжением (E) определяются законом Ома.
Один Ом определяется как сопротивление, которое позволяет
ток в один ампер при разности потенциалов в 1 вольт.
Нахождение сопротивления при заданной мощности и токе
Ввод:
Преобразование:
Мощность (P)
= 0
Вт
Ток (I)
= 0
Ампер
Решение:
Сопротивление (R)
= НЕ РАСЧЕТНО
Другие единицы:
Изменить уравнение
Выберите, чтобы решить для другого неизвестного
| Решить для мощности с учетом напряжения и тока | |
| Решить для мощности с учетом сопротивления и тока | |
| Рассчитать мощность, зная сопротивление и ток | |
| Рассчитать мощность, зная сопротивление и напряжение 9004 4 | |
| Решите для тока при данных мощности и напряжении | |
| Решение для тока при заданной мощности и сопротивлении | |
| Решение для сопротивления при заданной мощности и токе | |
| Найти сопротивление при заданном напряжении и мощности | |
| Найти сопротивление при заданном напряжении и токе | 9004 9 |
| Определите напряжение, зная ток и сопротивление | |
| Решение для напряжения по току и мощности | |
| Решение для напряжения по данным мощности и сопротивления |
Где
| P | = | мощность |
| E | = | 90 043 напряжение|
| I | = | ток |
| R | = | сопротивление |
Справочник — Книги:
Неизвестный автор.
«Закон Ома.» the12volt.com техническая информация для установщиков мобильной электроники. 2005. Изд. 12volt.com. 2 февраля. 2005 г. http://www.the12volt.com/ohm/ohmslaw.asp.
Графики роста младенцев — Процентили для младенцев Калькулятор оплаты сверхурочной работы Конвертер зарплаты в почасовую оплату — Вакансии Скидка в процентах — Калькулятор скидок при продаже Калькулятор повышения заработной платы Калькулятор линейной интерполяции Калькулятор возраста собаки Калькулятор уравнений процентной ошибки Калькулятор закона Ома Калькулятор уравнений закона Дарси Калькулятор геометрических фигур Калькулятор максимального пульса Кредитный калькулятор — Финансовый калькулятор Калькулятор коробки сабвуфера Калькулятор возраста кошки в человеческий возраст Калькулятор наличных денег
Онлайн-веб-приложения, Богатые интернет-приложения, Технические инструменты, Спецификации, Практические руководства, Обучение, Приложения, Примеры, Учебники, Обзоры, Ответы, Ресурсы для просмотра тестов, Анализ, Решения для домашних заданий, Рабочие листы, Справка, Данные и информация для инженеров, Техники, преподаватели, репетиторы, исследователи, образование K-12, учащиеся колледжей и старших классов, проекты научной ярмарки и ученые
Джимми Рэймонд
Контакт: aj@ajdesigner.
com
Политика конфиденциальности, отказ от ответственности и условия
Copyright 2002-2015
| ||||||||||||||||||||
Чтобы проверить цветовые коды резисторов, используйте нашу таблицу цветовых кодов резисторов и калькулятор . Этот преобразователь требует использования браузеров с поддержкой Javascript и поддержкой.
