Формула напряжения тока. Найти электрическое напряжение, разность потенциалов. « ЭлектроХобби

Как известно у электрического напряжения должна быть своя мера, которая изначально соответствует той величине, что рассчитана для питания того или иного электротехнического устройства. Превышение или снижение величины этого напряжения питания негативно влияет на электрическую технику, вплоть до полного выхода ее из строя. А что такое напряжение? Это разность электрических потенциалов. То есть, если для простоты понимания его сравнить с водой, то это примерно будет соответствовать давлению. По научному электрическое напряжение — это физическая величина, показывающая, какую работу совершает на данном участке ток при перемещении по этому участку единичного заряда.

Наиболее распространенной формулой напряжения тока является та, в которой имеются три основные электрические величины, а именно это само напряжение, ток и сопротивление. Ну, а формула эта известна под названием закона Ома (нахождение электрического напряжения, разности потенциалов).

Звучит эта формула следующим образом — электрическое напряжение равно произведению силы тока на сопротивление. Напомню, в электротехнике для различных физических величин существуют свои единицы измерения. Единицей измерения напряжения является «Вольт» (в честь ученого Алессандро Вольта, который открыл это явление). Единица измерения силы тока — «Ампер», и сопротивления — «Ом». В итоге мы имеем — электрическое напряжение в 1 вольт будет равно 1 ампер умноженный на 1 ом.

Помимо этого второй наиболее используемой формулой напряжения тока является та, в которой это самое напряжение можно найти зная электрическую мощность и силу тока.

Звучит эта формула следующим образом — электрическое напряжение равно отношению мощности к силе тока (чтобы найти напряжение нужно мощность разделить на ток). Сама же мощность находится путем перемножения тока на напряжение. Ну, и чтобы найти силу тока нужно мощность разделить на напряжение. Все предельно просто. Единицей измерения электрической мощности является «Ватт». Следовательно 1 вольт будет равен 1 ватт деленный на 1 ампер.

Ну, а теперь приведу более научную формулу электрического напряжения, которая содержит в себе «работу» и «заряды».

В этой формуле показывается отношение совершаемой работы по перемещению электрического заряда. На практике же данная формула вам вряд ли понадобится. Наиболее встречаемой будет та, которая содержит в себе ток, сопротивление и мощность (то есть первые две формулы). Но, хочу предупредить, что она будет верна лишь для случая применения активных сопротивлений. То есть, когда расчеты производятся для электрической цепи, у которой имеется сопротивления в виде обычных резисторов, нагревателей (со спиралью нихрома), лампочек накаливания и так далее, то приведенная формула будет работать. В случае использования реактивного сопротивления (наличии в цепи индуктивности или емкости) нужна будет другая формула напряжения тока, которая учитывает также частоту напряжения, индуктивность, емкость.

P.S. Формула закона Ома является фундаментальной, и именно по ней всегда можно найти одну неизвестную величину из двух известных (ток, напряжение, сопротивление). На практике закон ома будет применяться очень часто, так что его просто необходимо знать наизусть каждому электрику и электронику.

основные понятия, нахождение через силу тока и сопротивление

При проектировании схем различных устройств радиолюбителю необходимо производить точные расчеты c помощью измерительных приборов и формул. В электротехнике используются формулы для вычислений величин электричества (формулы напряжения, сопротивления, силы тока и так далее).

• Общие сведения об электрическом токе
  • Физический смысл
  • Пагубное влияние на человека
  • Единицы измерения
• Цепи переменного и постоянного тока
• Переменное однофазное напряжение
• Рекомендации по выбору прибора

Общие сведения об электрическом токе

Электрическим током является процесс движения заряженных частиц (свободных электронов), имеющий вектор направленности. Частицы перемещаются под действием напряженности электрического поля, имеющей векторное направление. Это поле совершает работу по перемещению этих частиц. Влияют на работу электрического поля сила тока, напряжение и сопротивление.

Физический смысл

Под физическим смыслом понимается работа тока на участке, соотносящаяся с величиной заряда. Положительный заряд перемещается из одной точки, обладающей одним потенциалом, в другую, причем потенциал в этой точке отличается от предыдущего. В результате этого и возникает разность потенциалов, именуемая напряжением или ЭДС (электродвижущей силой).

Для полного понимания этого физического процесса и выяснения физического смысла напряжения необходимо провести аналогию с трубой. Допустим, труба наполнена водой и к ней прикручен кран для слива воды. Эта труба также оборудована краном для заливания воды с помощью мощного насоса.

Для демонстрации аналогии нужно открыть кран полностью, вода начнет выливаться и можно сделать вывод о незначительном давлении. Во втором случае спускной кран открыт не полностью и происходит набор воды при помощи насоса. В трубе создается давление и напор усиливается. Насос, создающий давление, и является в этом примере напряженностью электрического поля.

Электричество, если его не контролировать и не знать о пагубном влиянии на организм человека, способно создать множество проблем начиная от сгорания приборов и пожаров, и заканчивая угрозой жизни и здоровью человека. Техника безопасности очень важна в любой сфере.

Пагубное влияние на человека

Электричество очень опасно и является причиной несчастных случаев. Радиолюбители подвержены риску поражения электрическим током довольно часто. Некоторые радиолюбители пробуют наличие напряжения пальцами и пренебрегают техникой безопасности. Большинство из них считает опасным для жизни напряжение от 500 В, а 110 и 220 — не наносящими вреда здоровью. Удары от маломощных источников тока (маломощный силовой трансформатор, конденсатор), по их мнению, являются неопасными.

Согласно технике безопасности при работах с электричеством, они ошибаются, но есть и другая сторона этого вопроса: организм каждого человека индивидуален, обладает разными параметрами. Из этого утверждения следует, что смертельные характеристики электричества (напряжение и ток) индивидуальны для каждого человека. Одних может ударить 36 В, а других не пробивает и 220 В.

Действие электричества на организм человека зависит от нескольких факторов: силы и частоты, времени и пути прохождения через организм, сопротивления организма или участка тела, по которому протекает ток.

Исследованиями ученых установлено, что величина смертельного тока, поражающего сердце, составляет более 100 мА. Токи от 50 мА до 100 мА вызывают потерю сознания при кратковременном касании к поверхности, которая проводит ток. Токи до 50 мА могут стать причиной травм, например, падения с лестницы, выпускания из рук токоведущего проводника и т. д.

Влияние на фактор поражения еще оказывает и сопротивление тела человека. Сопротивление для каждого индивида определить сложно и диапазон его составляет от 30 кОм до 200 кОм. Эта величина зависит от множества факторов: толщины кожи, влажности тела и окружающей среды, усталости, нервно-эмоционального состояния, болезни и других факторов. Сопротивление резко уменьшается при повышенной влажности воздуха и работе на влажных участках.

Формула расчета напряжения, опасного для жизни, предполагая, что Rч = 2кОм и I = 60 мА, выглядит так: U = I * R = 0,06 * 2000 = 120 В. В этой ситуации опасным напряжением можно считать 120 В и выше.

Частота тока является еще одной опасной характеристикой, обладающей поражающим действием. При увеличении частоты опасность уменьшается прямо пропорционально. Ток оказывает и тепловое действие, поэтому считать высокочастотные токи безопасными нельзя.

Травмы, происходящие из-за электричества, называются электротравмами. Каждая из них несет в себе меньшую или большую опасность. Наиболее опасными являются травмы, полученные от электрической дуги, которая обладает высокой температурой от 5 тыс. до 12 тыс. градусов по Цельсию. Виды электрических травм:

1. Электрические ожоги происходят при тепловом воздействии на ткани организма человека, по которым течет ток.
2. Обожженные участки на коже возникают при прямом контакте ее с токоведущей частью проводника. Пораженный участок приобретает серый или бледно-серый цвет.
3. Металлизация кожи — пропитывание кожи частицами металла при коротком замыкании или сварке.
4. Механические повреждения — самопроизвольная судорога мышц, приводящая к падению. При падении происходят переломы, ушибы вывихи суставов и т. д.
5. Электроофтальмия — воспаление слизистой оболочки глаз при воздействии излучения электрической дуги.

Существует еще один вид поражения — электрический удар. Этот вид поражения можно условно разделить на 5 групп: без потери сознания; с потерей сознания, связанной с нарушением сердечной деятельности или без нее; клиническая смерть и электрический шок.

Единицы измерения

Работа электрического поля по перемещению заряда измеряется в Дж (Джоуль), заряд в Кл (кулон). Вот, как обозначается напряжение или его единица измерения: отношение этих величин (работа по перемещению в Дж к электрическому заряду в Кл) и является разностью потенциалов, измеряется в вольтах (В) и обозначается U. Разность потенциалов бывает:

1. Переменной (амплитуда и полярность изменяются с течением времени, в зависимости от характерной частоты).
2. Постоянной (имеет постоянное значение амплитуды и полярность есть величина постоянная).

А также у единиц измерения есть приставки, например, кВ (Киловольт = 1000В) и МВ (мегавольт = 1000000В). Существуют о совсем низкие значения, например, мВ (милливольт = 0,001В).

Цепи переменного и постоянного тока

В цепях постоянного и переменного тока U обладает различными свойствами и производит иные влияния на проводники. Для постоянного напряжения существуют законы по вычислению его характеристик, но для переменного способы вычисления показателей заметно отличаются. Разберем более подробно все различия и сходства.

Расчет и анализ цепей выполняется при помощи закона Ома: сила тока полной цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сумме сопротивлений цепи и источника питания.

Следствие из закона при условии пренебрежения внутренним сопротивлением источника электричества: сила тока участка цепи прямо пропорциональна ЭДС и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка.

Запись закона Ома, из которого следует формула напряжения, тока и сопротивления: I = U / (Rц + Rвн), где I — сила тока, U — ЭДС, Rц — сопротивление цепи, Rвн — внутреннее сопротивление источника питания.

Формула силы тока через сопротивление и напряжение: I = U / Rц.

Формула напряжения электрического тока: U = I * Rц.

Для расчета мощности необходимо U умножить на I: P = U * I = U * U / R, где P — мощность.

Переменное однофазное напряжение

В цепях для переменного тока происходят совершенно другие явления и процессы, для них справедливы другие законы. Различают такие основные виды:

1. Мгновенное (разность потенциалов в конкретный промежуток времени: u = u (t)).
2. Амплитудное значение (максимальное значение мгновенного U в момент времени: u (t) = Uм * sin (wt + f), где w — угловая частота, t — конкретный момент времени и f — угол начальной фазы напряжения).
3. Среднее значение (для синусоиды равно нулю).
4. Среднеквадратичное — Uq (U за весь период колебаний и для синусоиды имеет вид: Uq = 0,707 * Uм).
5. Средневыпрямленное — Uv (среднее значение модуля U: Um примерно равно 0,9 * Uq).

В цепях 3-фазного тока различают 2 вида напряжений: линейное (фаза-фаза) и фазное (фаза-ноль). При соединении в цепь «треугольником» фазное и линейное U равны. В случае соединения «звездой» — фазное в 1,732050808 раз меньше линейного.

Рекомендации по выбору прибора

Для расчетов необходимо измерять значения величин электричества. Существуют специальные приборы, которые помогают произвести точные расчеты. Для измерения разности потенциалов применяют вольтметр.

Вольтметр (вольт — единица измерения ЭДС, метр — измеряю) — прибор для измерения ЭДС в цепи, подключаемый параллельно участку, на котором необходимо провести замер.

Для конкретного случая необходимо применять тот или иной прибор. Для более точных расчетов приобретаются приборы с высоким классом точности. Классификация вольтметров:

1. Принцип действия: электромеханические (стрелочные) и электронные.
2. Назначение: постоянного и переменного тока, импульсные, селективные и универсальные.
3. Конструктивное исполнение: щитовые, переносные и стационарные.

Аналоговый электромеханический вольтметр имеет большие погрешности измерений в высокоомных цепях, но отлично зарекомендовал себя в низкоомных цепях и возможностью модернизации (увеличение значений измерения U за счет добавочного резистора).

Выпрямительный вольтметр обладает более высоким классом точности. Состоит из самого измерительного прибора (обладает чувствительностью к постоянному току) и выпрямительного устройства. Они получили не очень широкое распространение из-за высоких погрешностей, и применяются в качестве сигнальных приборов (примерное значение U).

Цифровые вольтметры применяются в комбинированных приборах-мультиметрах. Поступающее напряжение на клеммы (измерительные щупы) прибора преобразовывается в сигнал при помощи аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Происходит отображение на цифровом табло. Этот вид приборов получил широкое применение благодаря высокой точности и универсальности.

Импульсный вольтметр необходимо применять при измерении амплитуд импульсных сигналов и одиночных импульсов.

Основным применением фазочувствительных вольтметров является измерение квадратурных составляющих комплексного напряжения (наличие мнимой и действительной частей) первичной гармоники. Они, как правило, снабжены 2-мя индикаторами для выявления мнимой и действительной частей. Они получили широкое применение в измерении АФХ (амплитудно-фазовая характеристика) для подбора деталей и настройки усилителей.

Для измерения номинала постоянного напряжения используются вольтметры подгруппы В2 (вольтметры для постоянного напряжения), а также В7 (универсальные).

Для определения переменного напряжения необходимо использовать устройства из подгруппы В3 или универсального типа (В7). Однако часто в этих вольтметрах применяются специальные преобразователи из переменного напряжения в постоянное.

В3 и В7 рассчитаны только для определения среднеквадратического гармонического напряжения. В этих электроизмерительных приборах возможно применение детекторов (преобразователей): пикового, выпрямительного и квадратичного. Оптимальным вариантом является вольтметр на квадратичном детекторе, при этом измеряемое значение выдается напрямую без всяких преобразований. Измерительные приборы на пиковых и выпрямительных детекторах пересчитывают значения, тем самым уменьшая точность измерений. Для измерения периодического негармонического напряжения выбирают вольтметр на квадратичном детекторе.

Таким образом, расчет напряжения играет важную роль в электротехнике. Расчеты для переменных и постоянных цепей электрического тока существенно отличаются, в результате чего необходимо определить сначала тип тока, а затем производить расчеты. Но также необходимо соблюдать технику безопасности при работах с электричеством. Ведь ее основные положения основаны на горьком опыте человечества.

Как рассчитать напряжение на компоненте

Чтобы выяснить, сколько напряжения падает на каждом резисторе, вы используете закон Ома для каждого отдельного резистора. Вы знаете значение каждого резистора, и вы знаете ток, протекающий через каждый резистор. Помните, что ток ( I ) представляет собой напряжение батареи (9 В), деленное на общее сопротивление ( R1 + R2 ), или примерно 7,4 мА.

Теперь вы можете применить закон Ома к каждому резистору, чтобы рассчитать его падение напряжения:

Обратите внимание, что если сложить падение напряжения на двух резисторах, вы получите 9 вольт, то есть общее напряжение, выдаваемое батареей. Это не совпадение; батарея подает напряжение на два резистора в цепи, и напряжение питания делится между резисторами пропорционально в соответствии со значениями резисторов. Этот тип схемы известен как делитель напряжения .

Используйте это изображение для расчета разделенных напряжений.

Существует более быстрый способ расчета любого из «разделенных напряжений» ( В ₁ или В ₂ ) на этом рисунке. Вы знаете, что ток, проходящий через цепь, можно выразить как

Вы также знаете, что:

и

Чтобы вычислить В ₁ , например, вы можете заменить выражение I , показанное выше, и вы получите

Вы можете переставить члены, не меняя уравнения, чтобы получить

Аналогично уравнение для В ₂ это

Подставив значения R1 , R2 и V _{аккумулятор} , вы получите В ₁ = 1,604 В и В 2 = 7,4 В, точно так же, как рассчитано .

Следующее общее уравнение обычно используется для определения напряжения на резисторе ( R1 ) в цепи делителя напряжения:

Многие электронные системы используют делители напряжения для снижения напряжения питания до более низкого уровня, после чего они подают это пониженное напряжение на вход другой части общей системы, для которой требуется это более низкое напряжение.

Вы можете использовать уравнение делителя напряжения для расчета выходного напряжения В _out схемы делителя напряжения, показанной на следующем рисунке, следующим образом:

Схема на следующем рисунке делит источник питания 9 В на 5 В.

Эта схема делителя напряжения снижает 9-вольтовое питание до 5 вольт при В _out .

Эта статья из книги:

• Электроника для чайников,

Об авторе книги:

Кэтлин Шами — инженер-электрик и писатель с обширным инженерным и консультационным опытом в области медицинской электроники, обработки речи и телекоммуникаций.

Эту статью можно найти в категории:

• General Electronics ,

Калькулятор падения напряжения

Это калькулятор для оценки падения напряжения в электрической цепи. Вкладка «Данные NEC» рассчитывается на основе данных о сопротивлении и реактивном сопротивлении из Национального электротехнического кодекса (NEC). Вкладка «Расчетное сопротивление» рассчитывается на основе данных сопротивления, оцененных по размеру провода. Щелкните вкладку «Другое», чтобы использовать настраиваемые данные сопротивления или импеданса, например данные других стандартов или производителей проводов.

Когда электрический ток проходит по проводу, он толкается электрическим потенциалом (напряжением), и ему необходимо преодолеть определенный уровень противодействия, создаваемого проводом. Падение напряжения — это величина потери электрического потенциала (напряжения), вызванная встречным давлением провода. Если ток переменный, такое противоположное давление называется импедансом. Импеданс — это векторная, или двумерная величина, состоящая из сопротивления и реактивного сопротивления (реакция нарастающего электрического поля на изменение тока). Если ток прямой, противоположное давление называется сопротивлением.

Чрезмерное падение напряжения в цепи может привести к мерцанию или тусклому горению ламп, плохому нагреву нагревателей, перегреву двигателей и их перегоранию. Рекомендуется, чтобы падение напряжения не превышало 5 % при полной нагрузке. Этого можно добиться, выбрав правильный провод и осторожно используя удлинители и подобные устройства.

Существует четыре основные причины падения напряжения:

Первая — это выбор материала провода. Серебро, медь, золото и алюминий относятся к металлам с наилучшей электропроводностью. Медь и алюминий являются наиболее распространенными материалами, используемыми для изготовления проводов, из-за их относительно низкой цены по сравнению с серебром и золотом. Медь является лучшим проводником, чем алюминий, и имеет меньшее падение напряжения, чем алюминий, для данной длины и размера провода.

Размер провода — еще один важный фактор, влияющий на падение напряжения. Провод большего размера (с большим диаметром) будет иметь меньшее падение напряжения, чем провод меньшего сечения той же длины. В американском калибре проволоки каждое уменьшение калибра на 6 удваивает диаметр проволоки, а каждое уменьшение на 3 калибра удваивает площадь поперечного сечения проволоки. В метрической шкале калибра калибр в 10 раз превышает диаметр в миллиметрах, поэтому метрическая проволока 50 калибра будет иметь диаметр 5 мм.

Еще одним критическим фактором падения напряжения является длина провода. Более короткие провода будут иметь меньшее падение напряжения, чем более длинные провода при том же размере провода. Падение напряжения становится важным, когда длина отрезка провода или кабеля становится очень большой. Обычно это не проблема в цепях внутри дома, но может стать проблемой при прокладке провода к пристройке, скважинному насосу и т. д.

Наконец, величина передаваемого тока может влиять на уровень падения напряжения; увеличение тока через провод приводит к увеличению падения напряжения. Пропускная способность по току часто называется амперной емкостью, которая представляет собой максимальное количество электронов, которые могут быть вытолкнуты за один раз — слово амперная емкость является сокращением от амперной емкости.

Сила тока провода зависит от ряда факторов. Основной материал, из которого изготовлена ​​проволока, является, конечно, важным ограничивающим фактором. Если по проводу проходит переменный ток, скорость чередования может повлиять на мощность. Температура, при которой используется провод, также может влиять на допустимую нагрузку.

Кабели часто используются в жгутах, и когда они собираются вместе, общее тепло, которое они выделяют, влияет на допустимую нагрузку и падение напряжения. По этой причине существуют строгие правила связывания кабелей, которым необходимо следовать.

При выборе кабеля руководствуются двумя основными принципами. Во-первых, кабель должен выдерживать возложенную на него нагрузку по току без перегрева. Он должен иметь возможность делать это в самых экстремальных температурных условиях, с которыми он может столкнуться в течение срока службы. Во-вторых, он должен обеспечивать достаточно надежное заземление, чтобы (i) ограничить напряжение, которому подвергаются люди, до безопасного уровня и (ii) позволить току короткого замыкания сработать предохранитель за короткое время.

Расчет падения напряжения

Закон Ома является основным законом для расчета падения напряжения:

В _{падение напряжения} = I·R

где:

I: сила тока в проводе, измеренная в амперах

R: сопротивление проводов, измеренное в омах

Сопротивление проводов часто измеряется и указывается как сопротивление по длине, обычно в омах на километр или Ом на 1000 футов. Кроме того, провод имеет обратную связь. Следовательно, формула для однофазной цепи или цепи постоянного тока принимает вид:

В _{падение} = 2·I·R·L

Формула для трехфазной цепи принимает вид:

В _{падение} = √3·I·R·L

где:

I: сила тока в проводе

R: сопротивление проводов по длине

L: длина в одном направлении

Типовые размеры проводов AWG

преимущественно в Северной Америке для диаметров круглых, сплошных, цветных, электропроводящих проводов.