Зависимость напряжения от мощности: Как зависит мощность от напряжения

Содержание

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:

Закон Ома.

Закон Ома.

Программа КИП и А

В программу «КИП и А», в разделе «Электрика» включен блок расчета закона Ома для постоянного и переменного тока. Сначала немного теории..

Для постоянного тока

Закон Ома определяет зависимость между током (I), напряжением (U) и сопротивлением (R) в участке электрической цепи. Наиболее популярна формулировка:

Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению данного участка цепи, т.е.

I = U / RгдеI — сила тока, измеряемая в Амперах, (A)   
U — напряжение, измеряемое в Вольтах, (V)
R — сопротивление, измеряется в Омах, (Ω)

Закон Ома, является основополагающим в электротехнике и электронике.

Без его понимания также не представляется работа подготовленного специалиста в области КИП и А. Когда-то была даже распространена такая поговорка, — «Не знаешь закон Ома, — сиди дома..».

Помимо закона Ома, важнейшим является понятие электрической мощности, P:

Мощность постоянного тока (P) равна произведению силы тока (I) на напряжение (U), т.е.

P = I × UгдеP — эл. мощность, измеряемая в Ваттах, (W)
I — сила тока, измеряемая в Амперах, (A)   
U — напряжение, измеряемое в Вольтах, (V)

Комбинируя эти две формулы, выведем зависимость между силой тока, напряжением, сопротивлением и мощностью, и создадим таблицу:

Сила тока,I=U/RP/U√(P/R)
Напряжение,U=I×RP/I√(P×R)
Сопротивление,R=U/IP/I²U²/P
Мощность,P=I×UI²×RU²/R

Практический пример использования таблицы: Покупая в магазине утюг, мощностью 1 кВт (1 кВт = 1000 Вт), высчитываем на какой минимальный ток должна быть рассчитана розетка в которую предполагается включать данную покупку:
Несмотря на то, что утюг включается в сеть переменного тока, пренебрегаем его реактивным сопротивлением (см. ниже), и используем упрощенную формулу для постоянного тока. Находим в таблице I = P / U. Получаем: 1000 кВт / 220 В (напряжение сети) = 4,5 Ампера. Это и есть минимальный ток, который должна выдерживать розетка, при подключении к ней нагрузки мощностью 1 кВт.

Наиболее распространенные множительные приставки:

  • Сила тока, Амперы (A): 1 килоампер (1 kА) = 1000 А. 1 миллиампер (1 mA) = 0,001 A. 1 микроампер (1 µA) = 0,000001 A.
  • Напряжение, Вольты (V): 1 киловольт (1kV) = 1000 V. 1 милливольт (1 mV) = 0,001 V. 1 микровольт (1 µV) = 0,000001 V.
  • Сопротивление, Омы (Om): 1 мегаом (1 MOm) = 1000000 Om. 1 килоом (1 kOm) = 1000 Om.
  • Мощность, Ватты (W): 1 мегаватт (1 MW) = 1000000 W. 1 киловатт (1 kW) = 1000 W. 1 милливатт (1 mW) = 0,001 W.

Для переменного тока

В цепи переменного тока закон Ома может иметь некоторые особенности, описанные ниже.

Импеданс, Z

В цепи переменного тока, сопротивление кроме активной (R), может иметь как емкостную (C), так и индуктивную (L) составляющие. В этом случае вводится понятие

электрического импеданса, Z (полного или комплексного сопротивления для синусоидального сигнала). Упрощенные схемы комплексного сопротивления приведены на рисунках ниже, слева для последовательного, справа для параллельного соединения индуктивной и емкостной составляющих.


Последовательное включение R, L, C
Параллельное включение R, L, C

Также, полное сопротивление, Z зависит не только от емкостной (C), индуктивной (L) и активной (R) составляющих, но и от частоты переменного тока.

Импеданс, Полное сопротивление, Z
При последовательном включении R, L, CПри параллельном включении R, L, C
Z=√(R2+(ωL-1/ωC)2)Z=1/ √(1/R2+(1/ωL-ωC)2)
где,
ω = 2πγ — циклическая, угловая частота; γ — частота переменного тока.

Коэффициент мощности, Cos(φ)

Коэффициент мощности, в самом простом понимании, это отношение активной мощности (P) потребителя электрической энергии к полной (S) потребляемой мощности, т. е.

Cos(φ) = P / S

Он также показывает насколько сдвигается по фазе переменный ток, протекающий через нагрузку, относительно приложенного к ней напряжения.
Изменяется от 0 до 1. Если нагрузка не содержит реактивных составляющих (емкостной и индуктивной), то коэффициент мощности равен единице.
Чем ближе Cos(φ) к единице, тем меньше потерь энергии в электрической цепи.

Исходя из вышеперечисленных понятий импеданса Z и коэффициента мощности Cos(φ), характерных для переменного тока, выведем формулу закона Ома, коэффициента мощности и их производные для цепей переменного тока:

I = U / ZгдеI — сила переменного тока, измеряемая в Амперах, (A)   
U — напряжение переменного тока, измеряемое в Вольтах, (V)
Z — полное сопротивление (импеданс), измеряется в Омах, (Ω)

Производные формулы:

Сила тока,I=U/ZP/(U×Cos(φ))√(P/Z)
Напряжение,U=I×ZP/(I×Cos(φ))√(P×Z)
Полное сопротивление, импедансZ=U/IP/I²U²/P
Мощность,P=I²×ZI×U×Cos(φ)U²/Z

Программа «КИП и А» имеет в своем составе блок расчета закона Ома как для постоянного и переменного тока, так и для расчета импеданса и коэффициента мощности Cos(φ). Скриншоты представлены на рисунках внизу:


Закон Ома для постоянного тока
Закон Ома для переменного тока
Расчет полного сопротивления
Расчет коэффициента мощности Cos(φ)

 

Основные электротехнические формулы. Мощность. Сопротивление. Ток. Напряжение. Закон Ома.

Электрическое напряжение:

  • U = R* I — Закон Ома для участка цепи
  • U = P / I
  • U = (P*R)1/2

Электрическая мощность:

  • P= U* I
  • P= R* I2
  • P = U 2/ R

Электрический ток:

  • I = U / R
  • I = P/ E
  • I = (P / R)1/2

Электрическое сопротивление:

  • R = U / I
  • R = U 2/ P
  • R = P / I2

НЕ ЗАБЫВАЕМ: Законы Кирхгофа они же Правила Кирхгофа для тока и напряжения.

Цепь переменного синусоидального тока c частотой ω.

Применимость формул: пренебрегаем зависимостью сопротивлений от силы тока и частоты.

Напомним, что любой сигнал, может быть с любой точностью разложен в ряд Фурье, т.е. в предположении, что параметры сети
частотнонезависимы — данная формулировка применима ко всем гармоникам любого сигнала.

Закон Ома для цепей переменного тока:

  • U = U0eiωt  напряжение или разность потенциалов,
  • I  сила тока,
  • Z = Reiφ  комплексное сопротивление (импеданс)
  • R = (Ra2+Rr2)1/2  полное сопротивление,
  • Rr = ωL — 1/ωC  реактивное сопротивление (разность индуктивного и емкостного),
  • Rа  активное (омическое) сопротивление, не зависящее от частоты,
  • φ = arctg Rr/Ra — сдвиг фаз между напряжением и током.

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.

Распространённые ошибки при термоэлектрических расчётах

При моделировании различных электротехнических приборов важную роль играет правильный расчёт электромагнитного нагрева материалов, электропроводность и теплопроводность которых нелинейно зависят от температуры. При моделировании таких нелинейностей даже у опытных инженеров могут возникать некоторые трудности и неожиданные результаты расчетов при комплексных сочетаниях нелинейных свойств материалов, граничных условий и геометрии. Давайте на простом примере разберём, почему это происходит.

Закон Ома и резистивный нагрев

Одним из первых физических законов, с которым сталкиваемся и который используем мы как инженеры, является закон Ома: Ток, протекающий через устройство равен приложенному напряжению (разности потенциалов), делённому на электрическое сопротивление или I = V/Re, где Re — электрическое сопротивление, которое является функцией от геометрии и электропроводности материала.

Далее мы узнаём о рассеиваемой мощности, которая равна произведению приложенного напряжения и тока, или Q = IV, что можно также записать, как Q = I2Re или Q = V2/Re. 2 R_e R_t.

Температуру окружающей среды примем равной 300 K или 27°C, что является примерной комнатной температурой. Теперь давайте рассчитаем температуру нашего устройства, как функцию от напряжения (от 0 до 10 В) и тока (от 0 до 10 А), как показано на рисунке ниже. Неудивительно, что мы видим квадратичную зависимость.


Зависимость температуры устройства от приложенного напряжения (слева) и протекающего тока (справа) при постоянных свойствах материала.

Можно предположить, что возможно использовать кривую для расчёта более широкого диапазона рабочих параметров. Поставим задачу нагреть устройство до критической температуры, при которой материал начнёт плавиться и испаряться. Предположим, что он начнёт испаряться при температуре 700 K (427°C). Основываясь на графиках выше и проведя простые математические вычисления можно рассчитать, что максимальное напряжение будет равно 20 В, а ток — 20 А, однако это совершенно неправильно!

Учет нелинейных свойств материала для сосредоточенной модели

На данном этапе вы можете заметить, что допущена ошибка: Электрическое сопротивление непостоянно и зависит от температуры. e_0)) R_t

Эти уравнения уже немного сложнее (первое — квадратичное уравнение относительно T), но их ещё можно решить вручную. Графики зависимости температуры от приложенного напряжения и тока показаны ниже.


Зависимости температуры устройства от приложенного напряжения (слева) и протекающего тока (справа) для случая зависимости электрического сопротивления от температуры.

Для варианта с напряжением мы видим, что при увеличении температуры, сопротивление также возрастает. Так как в этом случае сопротивление в уравнении для температуры находится в знаменателе, с его увеличением прирост температуры будет уменьшаться: мы видим, что график температуры лежит ниже, чем для случая с постоянным удельным сопротивлением. Если рассматривать вариант с постоянным током, то зависящее от температуры сопротивление будет в числителе.

По мере увеличения тока резистивный нагрев будет, наоборот, больше, чем в первом случае. На данном этапе мы опять-таки можем вычислить максимальное рабочее напряжение и ток, однако, вы, вероятно, уже видите вторую ошибку, которую мы допустили: необходимо также учитывать температурную зависимость теплового сопротивления. t_0 = 300 K), можно построить зависимости температуры устройства, как показано ниже.


Зависимости температуры устройства от приложенного напряжения (слева) и протекающего тока (справа) для случая зависимости электрического и термического сопротивлений от температуры.

Заметим, что для варианта с током температура возрастает асимптотически. Поскольку электрическое и тепловое сопротивление увеличиваются с повышением температуры, температура устройства возрастает очень резко по мере увеличения тока. При повышении температуры до бесконечности, задача становится нерешаемой. На самом деле, это полностью ожидаемо. Так работает предохранитель в вашем автомобиле. Если решать данную задачу в COMSOL Multiphysics, то можно использовать исследование во временной области (введя термальную массу как функцию от от плотности материала и теплоемкости), с помощью которого можно рассчитать время, в течение которого произойдет отказ устройства.

Для варианта с напряжением всё намного проще. Здесь мы также видим вполне предсказуемое поведение системы. С увеличением сопротивления температура растёт быстрее, чем в предыдущем случае. Однако заметьте, что относительно самого первого случая с постоянным сопротивлением, температура всё же ниже. Иногда это может запутать, но просто отметьте для себя, что одна из нелинейностей приводит к уменьшению температуры, а другая — к увеличению. В целом, если составлять более комплексную модель (например, которую можно сделать и рассчитать в COMSOL Multiphysics), то сложно предугадать, какая из нелинейностей будет преобладать.

Какую ещё ошибку можно допустить на этом этапе? В данном случае мы использовали положительный температурный коэффициент теплового сопротивления. Это справедливо для большинства металлов, однако для изоляторов, к примеру для стекла, этот коэффициент будет противоположным. Обычно термическое сопротивление всего устройства в основном зависит как раз от изоляторов, а не от электропроводящих доменов. Кроме того, при расчёте термического сопротивления устройства необходимо учитывать естественное охлаждение. То есть термического сопротивление также будет зависеть от эффектов свободной конвекции (которая возрастает с разницей температур) и излучения (которое пропорционально четвёртой степени разницы температур). Теперь давайте закончим рассмотрение нашей относительно простой задачи и изменим знак температурного коэффициента, αt = 1/400 K, а затем также сравним два варианта — с питающим напряжением (от 0 до 100 В) и протекающим током (от 0 до 100 А).


Зависимости температуры устройства от приложенного напряжения (розовым) и протекающего тока (голубым) при отрицательном температурном коэффициенте термического сопротивления.

Мы видим, что результаты теперь совершенно другие. Обратите внимание, что в обоих случаях при низких значениях сопротивления кривые возрастают квадратично, а при увеличении сопротивления они уже имеют менее резкий характер, так как термическое сопротивление уменьшается. Тангенс угла наклона всегда положителен, но его величина постепенно уменьшается. В случае с током, кривая начинает асимптотически приближаться к значению T = 700 K, а в варианте с напряжением это значение меньше.

Это достаточно важный результат, и он позволяет обратить внимание на ещё одну распространённую ошибку. Нелинейные модели материалов, которые мы здесь используем для электрического и термического сопротивлений, являются приближёнными. Они становятся неэффективными при значениях температур около 700 К. Если мы знаем, что устройство будет работать как раз в этом режиме, то нужно найти более сложную материальную модель. Несмотря на то, что существующие модели позволяли получить какой-то результат, всегда стоит проверять адекватность расчёта на действующей рабочей температуре. Конечно, если наши условия эксплуатации далеки от таких температур, можно воспользоваться линеаризованной моделью резистивности (одной из встроенных материальных моделей в COMSOL Multiphysics). Тогда наша модель будет корректной.

Подводя некоторые итоги, мы видим, что температура имеет очень сложную зависимость от питающего напряжения и тока. При рассмотрении нелинейных материалов температура может быть выше или ниже, чем при постоянных свойствах, угол наклона температурной кривой может быть как довольно резким, так и плавным, в зависимости от условий работы.

Запутали ли вас результаты в последнем варианте ещё больше? Что, если мы вернёмся к выражению для сопротивления и изменим один из коэффициентов? У некоторых материалов отрицательный знак температурных коэффициентов для электрического и термического сопротивлений. Что, если бы мы использовали более комплексные нелинейности? Вы все также будете пытаться предсказать ожидаемую температуру на основании сосредоточенной модели, или вы бы скорее положились на полноценный детальный расчёт?

Выводы о распространённых ошибках при электротермических расчётах

Как насчёт случая реального устройства? В нём будет несколько материалов, различные зависимости электро- и теплопроводностей как функции температуры, а также и сложная геометрия. Какой решатель при моделировании вы бы выбрали: стационарный или временной, чтобы узнать, сколько времени потребуется для повышения температуры? Скорее всего, в модели также будут нелинейные граничные условия такие, как условие излучения и свободная конвекция, которые неправильно будет аппроксимировать только одним приближённым тепловым сопротивлением. Что же в таком случае можно ожидать? Да практически всё! И как же рассчитывать такие сложные задачи? Конечно же с помощью COMSOL Multiphysics!

Следующий шаг

Узнайте, как COMSOL Multiphysics может помочь вам в мультифизическом моделировании при решении поставленных задач. Не стесняйтесь написать нам и задать все интересующие вопросы!

Закон Ома. Онлайн расчёт для постоянного и переменного тока.

Онлайн расчёт электрических величин напряжения, тока и мощности для участка цепи,
полной цепи, цепи с резистивными, ёмкостными и индуктивными элементами.
Теория и практика для начинающих.

Начнём с терминологии.
Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц, при котором происходит перенос заряда из одной области электрической цепи в другую.
Силой электрического тока (I) является величина, которая численно равна количеству заряда Δq, протекающего через заданное поперечное сечение проводника S за единицу времени Δt: I = Δq/Δt.
Напряжение электрического тока между точками A и B электрической цепи — физическая величина, значение которой равно работе эффективного электрического поля, совершаемой при переносе единичного пробного заряда из точки A в точку B.
Омическое (активное) сопротивление — это сопротивление цепи постоянному току, вызывающее безвозвратные потери энергии постоянного тока.
Теперь можно переходить к закону Ома.

Закон Ома был установлен экспериментальным путём в 1826 году немецким физиком Георгом Омом и назван в его честь. По большому счёту, Закон Ома не является фундаментальным законом природы и может быть применим в ограниченных случаях, определяющих зависимость между электрическими величинами, такими как: напряжение, сопротивление и сила тока исключительно для проводников, обладающих постоянным сопротивлением. При расчёте напряжений и токов в нелинейных цепях, к примеру, таких, которые содержат полупроводниковые или электровакуумные приборы, этот закон в простейшем виде уже использоваться не может.

Тем не менее, закон Ома был и остаётся основным законом электротехники, устанавливающим связь силы электрического тока с сопротивлением и напряжением.
Формулировка закона Ома для участка цепи может быть представлена так: сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению (разности потенциалов) на его концах и обратно пропорциональна сопротивлению этого проводника и записана в следующем виде:
I=U/R,

где
I – сила тока в проводнике, измеряемая в амперах [А];
U – электрическое напряжение (разность потенциалов), измеря- емая в вольтах [В];
R – электрическое сопротивление проводника, измеряемое в омах [Ом]
.

Производные от этой формулы приобретают такой же незамысловатый вид: R=U/I и U=R×I.

Зная любые два из трёх приведённых параметров можно произвести и расчёт величины мощности, рассеиваемой на резисторе.
Мощность является функцией протекающего тока I(А) и приложенного напряжения U(В) и вычисляется по следующим формулам, также являющимся производными от основной формулы закона Ома:
P(Вт) = U(В)×I(А) = I2(А)×R(Ом) = U2(В)/R(Ом)

Формулы, описывающие закон Ома, настолько просты, что не стоят выеденного яйца и, возможно, вообще не заслуживают отдельной крупной статьи на страницах уважающего себя сайта.

Не заслуживают, так не заслуживают. Деревянные счёты Вам в помощь, уважаемые дамы и рыцари!
Считайте, учитывайте размерность, не стирайте из памяти, что:

Единицы измерения напряжения: 1В=1000мВ=1000000мкВ;
Единицы измерения силы тока:1А=1000мА=1000000мкА;
Единицы измерения сопротивления:1Ом=0. 001кОм=0.000001МОм;
Единицы измерения мощности:1Вт=1000мВт=100000мкВт
.

Ну и так, на всякий случай, чисто для проверки полученных результатов, приведём незамысловатую таблицу, позволяющую в онлайн режиме проверить расчёты, связанные со знанием формул закона Ома.

ТАБЛИЦА ДЛЯ ПРОВЕРКИ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЁТОВ ЗАКОНА ОМА.

Вводить в таблицу нужно только два имеющихся у Вас параметра, остальные посчитает таблица.


Все наши расчёты проводились при условии, что значение внешнего сопротивления R значительно превышает внутреннее сопротивление источника напряжения rвнутр.
Если это условие не соблюдается, то под величиной R следует принять сумму внешнего и внутреннего сопротивлений: R = Rвнешн + rвнутр , после чего закон приобретает солидное название — закон Ома для полной цепи:
I=U/(R+r) .

Для многозвенных цепей возникает необходимость преобразования её к эквивалентному виду:

Значения последовательно соединённых резисторов просто суммируются, в то время как значения параллельно соединённых резисторов определяются исходя из формулы: 1/Rll = 1/R4+1/R5.
А онлайн калькулятор для расчёта величин сопротивлений при параллельном соединении нескольких проводников можно найти на странице ссылка на страницу.

Теперь, что касается закона Ома для переменного тока.
Если внешнее сопротивление у нас чисто активное (не содержит ёмкостей и индуктивностей), то формула, приведённая выше, остаётся в силе.
Единственное, что надо иметь в виду для правильной интерпретации закона Ома для переменного тока — под значением U следует понимать действующее (эффективное) значение амплитуды переменного сигнала.

А что такое действующее значение и как оно связано с амплитудой сигнала переменного тока?
Приведём диаграммы для нескольких различных форм сигнала.

Слева направо нарисованы диаграммы синусоидального сигнала, меандра (прямоугольный сигнал со скважностью, равной 2), сигнала треугольной формы, сигнала пилообразной формы.
Глядя на рисунок можно осмыслить, что амплитудное значение приведённых сигналов — это максимальное значение, которого достигает амплитуда в пределах положительной, или отрицательной (в наших случаях они равны) полуволны.

Рассчитываем действующее значение напряжение интересующей нас формы:

Для синуса U = Uд = Uа/√2;
для треугольника и пилы U = Uд = Uа/√3;
для меандра U = Uд = Uа.

С этим разобрались!

Теперь посмотрим, как будет выглядеть формула закона Ома при наличии индуктивности или ёмкости в цепи переменного тока.
В общем случае смотреться это будет так:

А формула остаётся прежней, просто в качестве сопротивления R выступает полное сопротивление цепи Z, состоящее из активного, ёмкостного и индуктивного сопротивлений.
Поскольку фазы протекающего через эти элементы тока не одинаковы, то простым арифметическим сложением сопротивлений этих трёх элементов обойтись не удаётся, и формула приобретает вид:
Реактивные сопротивления конденсаторов и индуктивностей мы с Вами уже рассчитывали на странице ссылка на страницу и знаем, что величины эти зависят от частоты, протекающего через них тока и описываются формулами: XC = 1/(2πƒС) ,   XL = 2πƒL .

Нарисуем таблицу для расчёта полного сопротивления цепи для переменного тока.
Количество вводимых элементов должно быть не менее одного, при наличии индуктивного или емкостного элемента — необходимо указать значение частоты f !

КАЛЬКУЛЯТОР ДЛЯ ОНЛАЙН РАСЧЁТА ПОЛНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ЦЕПИ.

Теперь давайте рассмотрим практический пример применения закона Ома в цепях переменного тока и рассчитаем простенький бестрансформаторный источник питания.

Токозадающими цепями в данной схеме являются элементы R1 и С1.

Допустим, нас интересует выходное напряжение Uвых = 12 вольт при токе нагрузки 100 мА.
Выбираем стабилитрон Д815Д с напряжением стабилизации 12В и максимально допустимым током стабилизации 1,4А.
Зададимся током через стабилитрон с некоторым запасом — 200мА.
С учётом падения напряжения на стабилитроне, напряжение на токозадающей цепи равно 220в — 12в = 208в.
Теперь рассчитаем сопротивление этой цепи Z для получения тока, равного 200мА: Z = 208в/200мА = 1,04кОм.
Резистор R1 является токоограничивающим и выбирается в пределах 10-100 Ом в зависимости от максимального тока нагрузки.
Зададимся номиналами R1 — 30 Ом, С1 — 1 Мкф, частотой сети f — 50 Гц и подставим всё это хозяйство в таблицу.
Получили полное сопротивление цепи, равное 3,183кОм. Многовато будет — надо увеличивать ёмкость С1.
Поигрались туда-сюда, нашли нужное значение ёмкости — 3,18 Мкф, при котором Z = 1,04кОм.

Всё — закон Ома выполнил свою функцию, расчёт закончен, всем спать полчаса!

 

Как строятся графики уровня напряжения, тока и мощности от величины сопротивления нагрузки



Как строятся графики уровня напряжения, тока и мощности от величины сопротивления нагрузки в Reference Audio Analyzer

Порядок действий проведения тестирования

Тестовый сигнал при записи

При тестировании в Reference Audio Analyzer производится запись тестовых участков с разной амплитудой по убыванию.


Записанный сигнал на анализ

Тестовый участок файла состоит из череды синусов с убыванием по амплитуде (0, -1, -2, -3, -4, -5, -6, -9, -12, -15, -18, -21, -25, -30, -40, -50, -60, -70, -80 и -90 dBFS).


В отчетах усилителей уже все амплитуды пересчитаны в напряжение (dBV) и мощность (dBm). По значениям в dBV видно те же интервалы шага в дБ.

Спектры записанного тестового сигнала

Мощностные параметры усилителя строятся на основании характеров спектров.


В отчетах для ЦАП шаг амплитуд указан напрямую. Сперва амплитуда уменьшается с шагом в 1 дБ, потом с шагом 3 дБ и далее по нарастающей до шага в 10 дБ.

Нормальзация спектров

Наиболее привычно уменьшение амплитуды выглядит так:

Основной сигнал уменьшается, а уровень шумовой полки остается на месте.

В таком представлении тяжелее увидеть соотношение гармоник с основным тоном. Порой может возникать иллюзия, что искажений нет, но на деле амплитуда сигнала уже настолько мала, что все искажения просто потонули в шумовой полке.

Соответственно вместо понижения основной гармоники, нужен альтернативный вид, где было бы видно соотношение амплитуд основной гармоники к кратным гармоникам.

Для этого каждый уровень нормируется к 0 дБ и сдвигается вверх (вместе с шумовой полкой) – т.е. спектр с уменьшением основной амплитуды приподнимается вверх.

Цветом обозначены амплитуды для разных режимов, условно с клиппированием — красные, вариантом с убывающими искажениями (варианты с эквивалентными классами АБ и Б) и чистым спектром (эквивалентный класс А).

Значение допустимого напряжения выбирается в желтой зоне, которая дает разброс амплитуды в 6 дБ (в данном примере). В некоторых случаях строится несколько графиков, разделяя на «чистый – начало зеленого», «оптимальный – середина оранжевого» и «уровень перегрузки – верхняя граница оранжевого». Но так или иначе, выбор уровня является субъективным и погрешность может быть более 6~12 дБ.

При составлении графика нет цели перувеличить или преуменьшить параметры усилителя, как и нет 100% гарантии, что критерий оптимального уровня остается неизменным. Может быть так, что спустя год визуальное восприятие «неблагоприятного» спектра станет строже или наоборот с большим допуском. Отчасти это компнесируется разделением на чистый/оптимальный/перегруженный, но если у кого-то есть свои критерии, то нет никаких проблем для себя вывести альтернативный график. И например на форуме представить свой вариант. Подробные спектры дают такую возможность и в этом уникальность отчетов RAA, т.к. другие комплексы такой возможности не дают.

Альтернативный вид, применяющийся в отчетах:

Красный спектр

Если искажения не убывают и образуют визуально горизонтальную полку – то это жесткий неблагоприятный спектр – зона перегрузки усилителя. На интерактивных картинках это выделено красным (от 8,3 до 2,3 dBV). С уменьшением амплитуды гармоники высших порядков начинают убывать и касательная перестает быть горизонтальной.

Оранжевый спектр

Оранжевым показана зона, в которой неоднозначный вариант, считать это благоприятным спектром или наоборот жестким (от -0,7 до -6,7 dBV). Здесь касательная находится под углом, но нельзя сказать, что в спектре нет гармоник высоких порядков.

Зеленый спектр

Спектр представляет собой быстро убывающие гармоники под касательной с «большим» углом что свидетельствует о благоприятном спектре (от -9.7 до -31,7 dBV).

Голубой спектр

При дальнейшем снижении амплитуд шумовая полка уже слишком высока, что бы что-то разглядеть.

Погрешность амплитуд

При фиксации значения напряжения на спектрах под разными нагрузками получается график зависимости напряжения от нагрузки.

Так как шаг построения с уменьшением амплитуды увеличивается, то подробность сетки не идеальна. Зеленым показана сетка возможных значений от максимального уровня при записи сигнала.

При выборе «оптимального уровня» идет подстройка под каждую нагрузку и шаг для сетки находится в районе 1 дБ. Таким образом погрешность определяемого значения составлет примерно 1 дБ.

В этом случае кривая в низкоомной области будет близкой к наклонной прямой – т.к. шаг амплитуд в 1 дБ плюс небольшая субъективная погрешность на определение «жесткости спектра».

Иная ситуация, когда выбор спектров находится в области амплитуд с большим промежуточным шагом, что характерно для «максимальный уровень». В этом случае погрешность в 1 дБ получается в области высокоомной нагрузки, а низкоомной может достигать до 10 дБ.


Спектр искажений сигнала малой амплитуды -90 dBFS

С уменьшением амплитуды шаг изменения увеличивается и точность данных не идеальна. Зеленым (уровень максимально чистого сигнала) показана неравномерность линии из-за большого шага изменения амплитуды в пределах 10 дБ.
Спектр интермодуляционных искажений SMPTE

Вопрос, почему бы не проводить тест с небольшим шагом изменения для всего диапазона амплитуд? К сожалению это существенно увеличивает время проведения теста и становится нецелесообразным для относительно быстрого тестирования большого количества продуктов.

Анализ графика тока от напряжения

После того, как определены амплитуды максимальных напряжений от разной нагрузки, строятся остальные графики.

График выходного тока – зеленые линии, это сетка, на которой должны оказаться координаты. В низкооомной области шаг больше – больше и неравномерность.

На графике тока необходимо найти тот уровень, выше которого появляются нежелательные искажения. И как раз по неравномерной кривой мы определяем этот уровень. В примере пусть будет 30 мА, как раз среднее значение для амплитуд координат в низкоомной области. Однако, какое раздолье для манипуляций для завышения и занижения данных!

Построение графиков расчетное

Построение графика выходного напряжения и мощности только при ограничении тока

Вернемся к графику выходного напряжения. Если бы усилитель не имел ограничений по напряжению, то при 30 мА, то выходное напряжение приняло бы вид голубой линии.

А так выглядел бы график мощности – в области высокоомной нагрузки мощность бы росла.

Построение графика выходного напряжения, тока и мощности только при ограничении напряжения

Но к сожалению напряжение у нас то же ограничено. Это может быть как ограничение схемотехническое, где при дальнейшем добавлении амплитуды растут искажения, как и просто ограничением, где громкость дальше добавить нет возможности – значение регулятора и так максимально. В случае с Mojo – справедлив первый вариант.

Красная линия показывает выходное напряжение при отсутствии ограничения по току. Какая бы нагрузка ни была – на выходе стабильный уровень в 12 dBV.

При таком напряжении график тока выглядел бы так. Т.е. это не тот максимальный ток, выше которого будут искажения, а уровень тока, который будет потребляться при выставленном напряжении и подключенной нагрузкой. Т.к. когда мы видим подобный график из стабильно наклонной прямой – это значит, что запас тока превышает необходимый.

А так будет выглядеть график мощности. Если напряжение не ограничено – то максимальная мощность будет в высокоомной области, а если не ограничен ток – то в низкоомной.

Построение графиков с учетом ограничения тока и напряжения

Вернемся к графику напряжения. Ограничения по току и напряжению формируют фиолетовый график – он показывает, что в его пределах будут отсутствовать искажения. В низкоомной области при желании можно выкрутить громкость повыше, до пунктирной красной. Но качество будет оставлять лучшего… В высокоомной области чаше выкручивать уже некуда, т.к. это ограничение регулятора громкости.

График мощности более точно показывает, на какой нагрузки будет максимум – это уже не 100 Ом, а 120 Ом. Но если визуально принять, что максимальный уровень тока на 30 мА, а 35 или 40 – то линия сдвинется и максимум придется уже ближе к 100 Ом.

График тока уже более логичен и строг – есть горизонтальная зона максимального значения тока, и наклонная расчетная.

Конечный вид графиков

По сути, в конечном итоге график от эмпирических точек должен приводится к расчетному.

Построение графиков мощности — это довольно субъективный процесс и при точном сравнении мощностных параметров необходимо сравнивать в первую очередь спектры.

Очень часто производители в характеристиках своих продуктов не приводят спектры,а ограничиваются лишь общими данными и выше наглядный пример, насколько сильно будет отличаться результат от подробности проведенных измерений и методики определения максимального уровня.


Последние протестированные продукты



Комментарии

Нет комментариев к этой странице

Личный кабинет


Новости и обзоры

Отчеты измерений


On-line сервисы

Тестирование On-Line


RAA

Выставки в демонстрационном зале



Разница между вольтами и ваттами по сравнительной таблице

Одно из основных различий между вольтами и ваттами заключается в том, что вольт — это единица измерения разности потенциалов и электродвижущей силы в системе СИ, а ватт — это единица измерения мощности в системе СИ. Другие различия между ними описаны ниже в сравнительной таблице.

И вольт, и ватт связаны друг с другом. Вольт измеряет разность потенциалов источников питания или напряжение электрических устройств.Символическое представление вольта — V. Измерение в вольтах проще по сравнению с ваттами, поскольку ватты являются произведением двух величин, то есть напряжения и тока. Ватт обозначается как W. Он измеряет мощность, потребляемую электрическими устройствами.

Содержание: вольт против ватт

  1. Таблица сравнения
  2. Определение
  3. Ключевые отличия

Таблица сравнения

Основа для сравнения Вольт Ватт
Определение Это единица СИ для разности потенциалов и ЭДС. Это единица измерения мощности в системе СИ.
Формула
Единицы измерения Электродвижущая сила и разность потенциалов Мощность
Символ В Вт
Чтение Легко Сложно
Измерение Измерьте небольшое напряжение от источника питания. Измеряет реальную мощность.
Измерительный прибор Вольтметр Измеритель мощности
Базовый блок кгм 2 S -3 кгм 2 A -1 S -3

Определение напряжения

Вольт измеряет энергию, используемую электронами, движущимися от одного конца к другому. Символически он представлен заглавной буквенной буквой V. Измеряется с помощью электрического прибора, называемого вольтметром.Вольт состоит из различных субъединиц, таких как микровольт, милливольт, киловольт и т. Д.

Определение ватта

Ватт — это единица мощности в системе СИ. Он определяется как общая энергия, потребляемая устройствами за одну секунду. Один ватт определяется как энергия, необходимая для протекания тока в один ампер через разность потенциалов в один вольт. Мощность — это произведение напряжения и тока, поэтому для измерения мощности в ваттах требуются как вольты, так и амперы.

Ключевые различия между вольтами и ваттами

  1. Вольт — это единица измерения электродвижущей силы и разности потенциалов в системе СИ, а ватт — это единица измерения мощности в системе СИ.
  2. Символическое представление вольт — V, тогда как ватт представлен символом W.
  3. Измерения в вольтах проще, чем в ваттах, потому что ватт требует и напряжения, и тока.
  4. В вольтах измеряется небольшая мощность, тогда как в ваттах измеряется реальная мощность, используемая электрическими устройствами.
  5. Значение в вольтах измеряется вольтметром, а ватт измеряется измерителем мощности.
  6. Базовая единица ватт — кгм 2 S -3 , а базовая единица вольт — кгм 2 A -1 S -3 .Базовая единица — это основная единица, которая не сочетается с другими примерами единиц — метр, килограмм, секунда, ампер и т. Д.

Международная стандартная единица измерения принята во всем мире.

В чем разница между ваттами и вольт-амперами?

>> Электронные ресурсы для проектирования
.. >> Библиотека: Серия статей
.. >> Серия: В чем разница между ваттами, среднеквадратичным значением и другими показателями

Загрузите эту статью в формате.Формат PDF

Ватты (Вт) и вольт-амперы (ВА) являются единицами измерения электрической мощности. Ватты относятся к «реальной мощности», а вольт-амперы — к «полной мощности». Обычно электронные продукты показывают одно или оба этих значения, чтобы предоставить информацию о том, сколько энергии они будут потреблять или какой ток они будут потреблять. Каждое из этих значений может использоваться для различных целей.

Что такое ватты?

Реальная мощность в ваттах — это мощность, которая выполняет работу или выделяет тепло.Мощность в ваттах — это скорость, с которой энергия потребляется (или генерируется). Один ватт — это один джоуль (энергия) в секунду (1 Вт = 1 Дж / с). Вы платите своей коммунальной компании за ватты, выраженные в энергии, то есть мощность, потребляемую за период времени, обычно показываемый вашей коммунальной компанией в киловатт-часах. Например, лампочка мощностью 100 Вт, оставленная включенной на 10 часов, потребляет 1 кВт-час энергии (100 Вт x 10 часов = 1000 Вт-час = 1 кВт-час).

Как рассчитывается ватт?

Реальная мощность для цепей постоянного тока — это просто напряжение ( В постоянного тока ), умноженное на ток (I постоянного тока ):

W = V dc x I dc (1)

Концепция расчета реальной мощности для цепей переменного тока проста, хотя выполнить расчет намного сложнее.Чтобы получить мощность в ваттах, вам необходимо знать мгновенное напряжение во времени, v (t), и мгновенный ток во времени, i (t). Когда вы умножаете их вместе, вы получаете мгновенную мощность со временем p (t).

Поскольку эта мгновенная мощность изменяется во времени, нам нужно получить среднее значение, поэтому мы интегрируем мощность за период времени и делим на период времени, чтобы получить среднее значение. Это дает нам мощность, рассеиваемую устройством в цепи с напряжением v (t) на нем и током i (t) через него за оцененный период времени.Предполагая, что напряжение и ток являются периодическими сигналами с периодом T, строгий математический способ выразить расчет мощности для периодического сигнала с периодом T:

Итак, хотя это можно легко визуализировать, вычислить нелегко. Даже для измерения реальной мощности в ваттах для цепей переменного тока требуется специальное оборудование (ваттметр), потому что формы сигналов напряжения и тока должны измеряться в течение определенного периода времени, измерения должны выполняться одновременно, а среднее значение должно вычисляться за время измерения. период.Стандартный мультиметр не может измерять мощность такого типа.

Для чего используются ватты?

Эти рейтинги полезны, если вам нужно избавиться от тепла, выделяемого устройством, потребляющим ватт, или если вы хотите знать, сколько вы заплатите своей коммунальной компании за использование вашего устройства, поскольку вы платите за киловатт-часы (мощность, используемая для Период времени). Чтобы объединить реальную мощность нескольких устройств постоянного или переменного тока, вы можете просто сложить индивидуальные номинальные мощности в ваттах каждого устройства, чтобы получить общую мощность (ватты складываются линейно).

Что такое вольт-амперы?

Полная мощность в ВА используется для упрощения расчетов мощности и упрощения расчета потребляемого тока. Поскольку ВА = среднеквадратичное значение вольта x среднеквадратичное значение ампер, вы можете разделить номинальное значение ВА на свое среднеквадратичное напряжение, чтобы получить среднеквадратичный ток, который потребляет устройство. Знание среднеквадратичного значения тока помогает правильно рассчитать размеры проводов и автоматических выключателей или предохранителей, которые подают ток на ваше устройство.

Как рассчитываются вольт-амперы?

Полная мощность для цепей постоянного тока — это просто напряжение ( В постоянного тока ), умноженное на ток (I постоянного тока ):

VA = V dc x I dc (3)

Полная мощность для цепей постоянного тока такая же, как и реальная мощность для цепей постоянного тока (для постоянного тока, ВА = Вт).

Для цепей переменного тока ВА — это произведение среднеквадратичного напряжения ( В, ) на среднеквадратичный ток (I RMS ):

ВА = В СКЗ x I СКЗ (4)

Вы можете рассчитать полную мощность в вольт-амперах для цепей переменного тока, умножив измеренное действующее значение напряжения на измеренный среднеквадратичный ток. Стандартный мультиметр обычно может выполнять оба этих измерения RMS.

Для чего используются вольт-амперы?

Вольт-ампер дают представление о величине тока, потребляемого продуктом или цепью, если вам известно напряжение.Например, стандартное напряжение для жилых помещений в США составляет 120 В RMS . Если продукт рассчитан на 300 ВА (оценка подразумевает, что это максимальная ВА, которую может потреблять продукт) и питается от сетевого напряжения 120 В RMS переменного тока, вы можете рассчитать ожидаемый максимальный ток как 300 ВА / 120 В RMS = 2,5 A RMS максимум (см. Рисунок) . Таким образом, вы должны убедиться, что провода и связанные с ними схемы, питающие этот продукт, вмещают как минимум 2.5 А RMS .

1. В электронных продуктах обычно приводится такая информация, как номинальная мощность переменного тока, напряжение в сети переменного тока, частота и максимальные номинальные значения ВА.

Чтобы объединить полную мощность нескольких устройств постоянного тока, вольт-амперы складываются линейно. Однако для объединения полной мощности (или тока) нескольких устройств переменного тока не существует прямого способа получить точную сумму, поскольку токи для каждого устройства не обязательно совпадают по фазе друг с другом, поэтому они не складываются линейно.Но если вы просто сложите отдельные номинальные значения ВА (или токи) вместе, общая сумма будет консервативной оценкой для использования, поскольку фактическая сумма всегда будет меньше или равна этому значению.

Еще один полезный термин — коэффициент мощности (PF). Коэффициент мощности определяется как отношение Вт к ВА:

Коэффициент мощности = PF = Вт / ВА (5)

Коэффициент мощности — это всегда число от нуля до единицы, потому что потребляемая устройством мощность всегда меньше или равна вольт-амперам.Обратите внимание, что цепь может иметь большое напряжение на ней и потреблять значительный ток, но не потреблять энергию (рассеивать ноль ватт).

Хотя это кажется нелогичным, это правда, если цепь является чисто реактивной (чистый конденсатор или чистый индуктор). Схема не работает и не выделяет тепла, поэтому потребляет (и рассеивает) нулевую мощность. Тем не менее, он может потреблять значительный ток, что приводит к значительной ВА.

В этом случае коэффициент мощности равен нулю. Это возможно, потому что фазовое соотношение между формами сигналов напряжения и тока таково, что схема попеременно поглощает активную мощность и возвращает ее, поэтому чистое потребление реальной мощности равно нулю.

Резюме

Вт и ВА — единицы измерения мощности, но на этом сходство заканчивается. Ватты работают или выделяют тепло, в то время как вольт-амперы просто предоставляют информацию, необходимую для определения размеров проводов, предохранителей или автоматических выключателей. Ватты линейно добавляются, а вольт-амперы — нет. А для измерения W понадобится специальный ваттметр. Вы можете рассчитать ВА, используя стандартный мультиметр для измерения V RMS и I RMS и найдя произведение (см. Таблицу) .


>> Электронные ресурсы для проектирования
.. >> Библиотека: Серия статей
.. >> Серия: В чем разница между ваттами, среднеквадратичным значением и другими показателями

Ток, сопротивление, напряжение и мощность

Текущий
Ток — это мера потока электрического заряда через материал. Материал, который может переносить поток заряда, называется проводником. Ток определяется как количество заряда, которое проходит через проводник за определенное время.Единицей измерения тока является ампер (А), который равен одному кулону в секунду (кулон — единица заряда),

Символ I используется для обозначения тока (хотя J часто используется в инженерные источники). Ток I через проводник зависит от его площади A , концентрации n носителей заряда, величины заряда q каждого носителя и величины их средней (или «дрейфующей») скорости. v d ,

Плотность тока — это величина тока, протекающего через проводник, деленная на его площадь,

Направление потока тока определяется в терминах потока положительных зарядов (даже если фактические носители заряда отрицательны).Единица измерения плотности тока — Амперы на квадратный метр (А / м 2 ).

Удельное сопротивление
Некоторые проводники переносят заряд легче, чем другие. Удельное сопротивление материала описывает, насколько легко может течь заряд. Хорошие проводники имеют небольшое удельное сопротивление, а хорошие изоляторы — большое. Удельное сопротивление ρ (греческая буква «ро») равно величине электрического поля в материале, деленной на плотность тока,

Единицей измерения величины электрического поля является вольт на метр (В / м). ), а единицей измерения плотности тока является ампер на квадратный метр (А / м 2 ), поэтому единицей измерения удельного сопротивления является вольт-метр на ампер,

Многие проводники подчиняются закону Ома.Материалы, которые подчиняются закону Ома, обладают постоянным удельным сопротивлением независимо от значений электрического поля E и плотности тока J. Формулы, относящиеся к цепям, верны для «омических» материалов, а «неомические» материалы в этом курсе не обсуждаются.

Удельное сопротивление омического проводника зависит от температуры материала. Зависимое от температуры удельное сопротивление ρ (T) можно найти по формуле:

Эта формула требует ρ 0 , удельное сопротивление при эталонной температуре T 0 . Температурный коэффициент удельного сопротивления α различен для каждого материала. Для температур в градусах Цельсия (℃) температурный коэффициент удельного сопротивления имеет единицы: 1 / ℃ = (℃) (-1)

Сопротивление
Удельное сопротивление — это свойство типа материала, а сопротивление — это свойство определенного куска этого материала. Сопротивление отрезка проводника зависит от его длины L, площади A и удельного сопротивления ρ,

Единицей измерения сопротивления является Ом, который обозначается греческой буквой Ω («омега»).Один Ом равен одному Вольту на Ампер,

Сопротивление зависит от температуры так же, как и удельное сопротивление,

Для этой формулы требуется R 0 , сопротивление при эталонной температуре T 0 . Температурный коэффициент α отличается для каждого материала, как описано в разделе Сопротивление .

Резистор — это устройство, которое используется в электрических цепях и имеет определенное фиксированное сопротивление. Резисторы изготавливаются путем выбора куска материала с определенным удельным сопротивлением, длиной и площадью и обертывания его изолятором с проводами, выходящими из каждого конца.На принципиальных схемах он представлен символом

Напряжение
Напряжение — это разница в электрическом потенциале между двумя точками. Если электрическое поле однородно через проводник, разность потенциалов будет равна,

Используя уравнения в Ток, удельное сопротивление, и Сопротивление секций, можно найти другое уравнение для разности потенциалов,

Уравнение V = IR означает, что разность потенциалов или напряжение на резисторе можно найти, умножив его сопротивление на ток, протекающий через него.Единицей измерения разности потенциалов является вольт (В), который равен джоуля на кулон (Дж / Кл).

Источник напряжения — это устройство, используемое в электрических цепях, которое имеет фиксированную разность потенциалов между его концами. Источником напряжения может быть батарея или другой источник постоянного тока с фиксированной разностью потенциалов. На принципиальных схемах он представлен символом

Если концы источника напряжения соединены через цепь с любым количеством резисторов или других компонентов, образуется полная цепь, и ток может течь от одного контакта к другому. другой.Если ток течет, он будет одинаковым на обоих выводах источника напряжения.

Источник напряжения, который является частью полной цепи, может создавать электродвижущую силу, которая обозначается символом ε («буква е»). Единицей электродвижущей силы является вольт (В), который равен джоуля на кулон (Дж / Кл). Для идеального источника электродвижущая сила равна разнице напряжений,

Настоящие источники, такие как батареи, не идеальны, поэтому существует некоторое внутреннее сопротивление.Если внутреннее сопротивление аккумулятора равно r, то разница напряжений на аккумуляторе составляет

Это также называется напряжением на клеммах аккумулятора. Если полная цепь сделана с использованием резистора с сопротивлением R, ток, протекающий по цепи, можно найти с помощью уравнения V = IR,

Ток равен электродвижущему. сила источника, деленная на полное сопротивление цепи.

Мощность
Мощность (P) — это мера скорости, с которой энергия передается или используется элементом схемы. Источники напряжения передают мощность, а резисторы используют мощность (рассеивая ее в виде тепла). Мощность равна напряжению на элементе схемы, умноженному на ток, протекающий через него,

Единицей измерения мощности является ватт (Вт), который равен джоулям в секунду,

Это соотношение может быть определяется по формуле для мощности:

Мощность, потребляемая или рассеиваемая резистором, может быть найдена по формуле V = IR.Эта формула может использоваться для замены напряжения или тока в формуле мощности,

,

и

Выходная мощность батареи, имеющей внутреннее сопротивление, может быть найдена по формуле V = ε-Ir и формула для мощности,

Разница между ваттами и вольтами

Знание разницы между ваттами и вольтами, а также амперами (амперами) и омами имеет решающее значение при работе с любым типом электрической системы. Ремонт бытовой электропроводки требует твердого понимания электрических терминов, и это даже полезная база знаний для повседневной жизни. Сколько раз вы видели лампочку с надписью «100W / 120V» и задавались вопросом, как соотносятся две единицы электричества? Могут ли они использоваться как взаимозаменяемые? Прежде чем рассматривать различия, полезно начать с основных определений.

Определение ватт, вольт, ампер и ом

Электрические термины и определения, такие как ватты и вольты, устанавливаются системой, называемой SI (Международная система единиц).Межправительственное международное агентство под названием BIPM (Bureau International des Poids et Mesures) устанавливает термины и определения для весов и мер в рамках этой системы. Более сотни стран являются членами или ассоциированными членами BIPM.

Гидравлическая (водная) аналогия — распространенный метод объяснения электрических терминов. Поток воды внутри трубы или контура замкнутой системы сравнивается с электрическим потоком. Как и в случае с трубами замкнутой системы, для работы электричество должно двигаться по непрерывной цепи (или по кругу).

Что такое вольт?

Вольт, согласно BIPM, представляет собой «разность потенциалов между двумя точками проводящего провода, по которому протекает постоянный ток в 1 ампер, когда мощность, рассеиваемая между этими точками, равна 1 ватту». Символ для вольт — «V».

В упрощенном виде это означает, что напряжение по сравнению с давлением воды в трубах — это скорость электронов, проходящих через точку в цепи.

Полезно знать

Подобно ваттам — слово, полученное от английского изобретателя Джеймса Ватта — вольт названо в честь другого изобретателя, итальянца Алессандро Вольта.Вольта изобрел предшественник электрической батареи.

Что такое усилители?

С усилителями (сокращенно от ампер) официальное определение SI не только громоздко, но и постоянно меняется. Однако его общая тяга никогда не меняется. Амперы — это базовая единица измерения количества электронов в электрической цепи. Буква «A» с большой буквы обозначает амперы или амперы.

При гидравлическом сравнении ампер будет единицей измерения, показывающей объем воды, проходящей мимо определенной точки.Объем — это количество, а не скорость. Удар молнии составляет около 20 000 ампер. Часы могут потреблять одну миллионную долю усилителя. Бытовые электрические кабели обычно рассчитаны на 15 или 20 ампер.

Что такое ватты?

Ватт описывает скорость потока энергии. Когда один ампер проходит через электрическую разность в один вольт, результат выражается в ваттах. «W» — это ватт или ватт.

Ватты рассчитываются по формуле V x A = W.

Подсказка

Думайте о ваттах не с точки зрения силы или мощности, а с точки зрения скорости или скорости.Скорость потока воды через садовый шланг или скорость транспортного средства — хорошие аналогии для ватт.

Что такое ом?

Базовая единица измерения Ом — это термин СИ, обозначающий электрическое сопротивление. Ом — это измерение сопротивления, которое устройство или материал, помещенный в электрическую цепь, сопротивляется или уменьшает электрический поток. Греческий символ омеги, напоминающий подкову, направленную вниз, также является символом ом.

Разница между ваттами и вольтами

Ватты и вольты не независимы друг от друга.Ватты не могут существовать без вольт, поскольку они являются продуктом комбинации вольт и ампер.

В общих чертах, используя гидравлическую аналогию, вольт аналогично давлению, а ватт — скорости.

Аналогия скорости передвижения

Понимание базовой концепции скорости является ключом к пониманию ватт и вольт.

Рассказывая другу о путешествии, можно сказать, что машина преодолела 65 миль. Хотя это полезная информация, она не дает полной картины того, что именно произошло.

Возможно, вы сказали, что проехали 65 миль, но каков больший контекст этого? Вы проехали на нем примерно за час? Это нормально и ожидаемо. Если вы проехали на нем за три месяца, это совсем другое дело. Вот тут-то и играет роль.

Время само по себе тоже неполные данные. Если вы сказали другу, что ехали десять часов, он может ответить, спросив, где вы ехали или как далеко проехали. Обсуждение продолжительности автомобильной поездки — неполный набор данных.

Один набор данных имеет дело с расстоянием в физическом мире; другой набор имеет дело со временем. Вместо того, чтобы жонглировать двумя наборами данных туда и обратно, гораздо полезнее и удобнее придумать одно число, которое объединяет эти два. Это число — ставка.

Итак, формула V x A = W аналогична примеру автомобильной поездки; оба указывают скорость. В автомобиле эта скорость известна как MPH (мили в час): скорость равна расстоянию, разделенному на время.

В электрических системах полезными наборами информации являются сила тока и напряжение.Но мощность является дополнительным обычным массивом данных, потому что она объединяет их для получения показателя, аналогичного скорости или скорости.

Электроэнергетика 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.
  • Обычной единицей, используемой для описания использования энергии, является киловатт-час, энергия 1000 Вт, действующая в течение одного часа.
Ключевые термины
  • киловатт-час : единица электроэнергии, равная мощности одного киловатта, действующего в течение одного часа; равняется 3,6 мегаджоулей. Символ: 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). Электрическая мощность в ваттах, создаваемая электрическим током I, состоящим из заряда Q кулонов каждые t секунд, проходящего через разность электрических потенциалов (напряжений) V, равна [латекс] \ text {P} = \ frac {\ text {QV} } {\ text {t}} = \ text {IV} [/ latex], где Q — электрический заряд в кулонах, t — время в секундах, I — электрический ток в амперах, а V — электрический потенциал или напряжение в вольтах. 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 любой заданный интервал времени 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, интегрировав 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

Потребляемую электрическую энергию (E) можно уменьшить 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 — это 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 к стандартным патронам для ламп 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.

Вт и вольт-ампер — что такое кВА и как она рассчитывается?

Вы когда-нибудь задумывались, почему некоторые номинальные мощности выражаются в Ваттах, некоторые — в АМПЕРАХ или АМПЕР, некоторые — в ВОЛЬТАХ, а некоторые — в КВА? На этой странице простым языком объясняется разница между номинальной мощностью и описывается, когда каждый из них следует использовать в вашем центре обработки данных и при планировании сетевой архитектуры.

КВА — это просто 1000 вольт ампер. вольт — электрическое давление. ампер — электрический ток. Термин, называемый полной мощностью , (абсолютное значение комплексной мощности, S) равен произведению вольт и ампер.

С другой стороны, ватт (Вт) — это мера реальной мощности. Реальная мощность — это фактическая мощность, которая может быть получена из цепи. Когда напряжение и ток в цепи совпадают, реальная мощность равна полной мощности.Однако чем меньше совпадают волны тока и напряжения, тем меньше реальная мощность передается, даже если в цепи по-прежнему течет ток. Различия между реальной и полной мощностью и, следовательно, ваттами и вольтами ампер возникают из-за неэффективности передачи электроэнергии.

Результирующая неэффективность электрической передачи может быть измерена и выражена в виде отношения, называемого коэффициентом мощности . Коэффициент мощности — это отношение (число от 0 до 1) активной и полной мощности.В случае коэффициента мощности 1,0 реальная мощность равна полной мощности. В случае коэффициента мощности 0,5 активная мощность примерно вдвое меньше полной мощности.

Развертывание систем с более высоким коэффициентом мощности приводит к меньшим потерям электроэнергии и может помочь повысить эффективность использования энергии (PUE). Большинство источников бесперебойного питания (ИБП) будут указывать средний коэффициент мощности и нагрузочную способность ИБП в реальном времени в дополнение к кВА.

Пример: У вас есть ИБП на 500 кВА (полная мощность) с 0. Коэффициент мощности 9. Итоговая реальная мощность составляет 450 киловатт.

Некоторые полезные коэффициенты преобразования и формулы

  • ВА = Напряжение x Ампер
  • Вт = Напряжение (среднеквадратичное значение) x Ампер (среднеквадратичное значение) x Коэффициент мощности (PF) ( трехфазная цепь умножила бы напряжение на квадратный корень из 3 или приблизительно 1,732)
  • 1 BTU (британская тепловая единица) = Вт x 3,413
  • 1 BTU = 1055.053 джоулей (Дж)
  • 1 ватт = 3,413 БТЕ / час
  • 1 тонна = 200 БТЕ / мин
  • 1 тонна = 12000 БТЕ / час
  • 1 тонна = 3,517 киловатт

Напряжение и ток: в чем сходство и различие?

Если вы новичок в физике электричества, такие термины, как напряжение и ампер , могут показаться почти взаимозаменяемыми в зависимости от способа их использования. Но на самом деле это очень разные величины, хотя они тесно связаны тем, как они работают вместе в электрической цепи, как это описано в законе Ома.

На самом деле, «амперы» — это мера электрического тока (который измеряется в ампер, ), а напряжение — это термин, означающий электрический потенциал (измеряется в вольт, ), но если вы не усвоили детали, понятно, что вы можете спутать их друг с другом.

Чтобы понять разницу — и никогда больше не путать их — вам просто понадобится базовый учебник о том, что они означают и как они связаны с электрической схемой.

Что такое напряжение?

Напряжение — это еще один термин, обозначающий разность электрических потенциалов между двумя точками, и его можно просто определить как электрическую потенциальную энергию на единицу заряда.

Подобно тому, как гравитационный потенциал — это потенциальная энергия, которую объект имеет в силу своего положения в гравитационном поле, электрический потенциал — это потенциальная энергия, которую заряженный объект имеет в силу своего положения в электрическом поле. Напряжение конкретно описывает это на единицу электрического заряда, поэтому его можно записать:

В = \ frac {E_ {el}} {q}

Где В — напряжение, E el — это электрическая потенциальная энергия, а q — электрический заряд.Поскольку единицей измерения электрической потенциальной энергии является джоуль (Дж), а единицей измерения электрического заряда является кулон (Кл), единицей измерения напряжения является вольт (В), где 1 В = 1 Дж / Кл, или, говоря словами, один вольт равен одному джоулю на кулон.

Это говорит вам, что если вы позволите заряду в 1 кулон пройти через разность потенциалов (т.е. напряжение) в 1 В, он получит 1 Дж энергии, или, наоборот, для перемещения потребуется один джоуль энергии. кулон заряда через разность потенциалов 1 В.Напряжение также иногда называют электродвижущей силой (ЭДС).

Разность напряжений (или разность потенциалов) между двумя точками, например, с любой стороны элемента в электрической цепи, можно измерить, подключив вольтметр параллельно с интересующим вас элементом. Как следует из названия, вольтметр измеряет напряжение между двумя точками в цепи, но когда вы используете одну, он должен быть подключен параллельно , чтобы избежать помех при считывании напряжения или повреждения устройства.

Что сейчас?

Электрический ток, который иногда называют силой тока (поскольку он измеряется в амперах), представляет собой скорость прохождения электрического заряда через точку в цепи. Электрический заряд переносится электронами, отрицательно заряженными частицами, которые окружают ядро ​​атома, поэтому величина тока действительно говорит вам о скорости потока электронов. Простое математическое определение электрического тока:

I = \ frac {q} {t}

Где I — ток (в амперах), q — электрический заряд (в кулонах). и t — прошедшее время (в секундах).Как показывает это уравнение, определение ампера (А): 1 А = 1 Кл / с, или поток электрического заряда 1 кулон в секунду. Что касается электронов, это примерно 6,2 × 10 18 электрон (около шести миллиардов миллиардов), проходящих мимо контрольной точки в секунду для тока, протекающего всего в 1 А.

Ток можно измерить в электрической цепи, подключив Амперметр включен последовательно — то есть на пути основного тока — с участком цепи, через который вы хотите измерить количество тока.

Поток воды: аналогия

Если вы все еще пытаетесь понять, какую роль играют разность напряжений и электрический ток в электрической цепи, широко применяемая аналогия между электричеством и водой должна прояснить ситуацию. Для представления напряжения в электрической цепи можно использовать два различных сценария: либо водопровод, спускающийся с холма, либо резервуар для воды, заполненный выпускным патрубком внизу.

Для водопровода, у которого один конец находится на вершине холма, а другой конец — внизу, ваша интуиция должна подсказывать вам, что вода будет течь по ней быстрее, если холм будет выше, и медленнее, если холм будет ниже. В примере с резервуаром для воды, если было два резервуара для воды, заполненных до разных уровней, можно было бы ожидать, что более заполненный резервуар будет выпускать воду из выпускного отверстия с большей скоростью, чем резервуар, заполненный до более низкого уровня.

Будь то потенциал с высоты холма (из-за гравитационного потенциала) или потенциал, создаваемый давлением воды в резервуаре, оба этих примера передают ключевой факт о разнице напряжений. Чем больше потенциал, тем быстрее будет течь вода (то есть ток).

Сам поток воды аналогичен электрическому току. Если вы измерили поток воды, протекающей через одну точку трубы в секунду, это похоже на протекание тока в цепи, за исключением того, что вода заменяет электрический заряд в форме электронов. Таким образом, если все остальное равно, высокое напряжение приводит к сильному току, и наоборот. Заключительная часть рисунка — сопротивление, которое аналогично трению между стенками трубы и водой, или физическому препятствию, помещенному в трубу, частично блокирующему поток воды.

Сходства и различия

\ def \ arraystretch {1.5} \ begin {array} {c: c} \ text {Сходства} & \ text {Различия} \\ \ hline \ hline \ text {Оба относятся к электрическим цепям} & \ text {В разных единицах измерения, напряжение измеряется в вольтах, где 1 В = 1 Дж / Кл} \\ & \ text {, а ток измеряется в амперах, где 1 А = 1 Кл / с} \\ \ hline \ text {Оба влияют на то, сколько мощности рассеивается на элементе схемы} & \ text {Ток равномерно распределяется по всем компонентам, когда они соединены последовательно} \\ & \ text {в то время как падение напряжения на компонентах может отличаться} \\ \ hline \ text {Может оба должны иметь чередующуюся полярность (например,г. чередующийся} & \ text {Падение напряжения одинаково на всех компонентах} \\ \ text {ток или переменное напряжение) или прямая полярность} & \ text {подключены параллельно, а ток отличается} \\ \ hline \ text {Они напрямую пропорциональны друг другу в соответствии с законом Ома} & \ text {Напряжение создает электрическое поле, а ток создает магнитное поле} \\ \ hline & \ text {Напряжение вызывает ток, а ток — эффект напряжения} \\ \ hline & \ text {Ток течет только тогда, когда цепь замкнута, но разница напряжений остается} \ end {array}

Как видно из таблицы, электрический ток и напряжение имеют больше различий, чем сходства, но есть и некоторые сходства. Самая большая разница между ними заключается в том, что они полностью описывают разные величины, поэтому, как только вы поймете основы того, что собой представляет, вы вряд ли перепутаете их друг с другом.

Связь между напряжением и током

Разность напряжений и электрический ток прямо пропорциональны друг другу в соответствии с законом Ома, одним из важнейших уравнений физики электрических цепей. Уравнение связывает напряжение (то есть разность потенциалов, создаваемую аккумулятором или другим источником питания) с током в цепи и сопротивлением потоку тока, создаваемым компонентами цепи.

В = IR

Где В, — напряжение, I — электрический ток, а R — сопротивление (измеряется в омах, Ом). По этой причине закон Ома иногда называют уравнением напряжения, тока и сопротивления. Если вам известны любые две величины в этом уравнении, вы можете перестроить уравнение, чтобы найти другую величину, что делает его полезным при решении большинства проблем электроники, с которыми вы столкнетесь на уроках физики.

Стоит отметить, что закон Ома не всегда действителен , и как таковой это не «истинный» закон физики, а полезное приближение для так называемых омических материалов .Линейная зависимость, которую он подразумевает между током и напряжением, неприменима для таких вещей, как лампа накаливания, где повышение температуры вызывает увеличение сопротивления и, таким образом, влияет на линейную зависимость. Тем не менее, в большинстве случаев (и, конечно же, в большинстве физических задач, связанных с напряжением и электрическим током) его можно использовать без проблем.

Закон Ома для мощности

Закон Ома в основном используется для связи напряжения с током и сопротивлением; однако существует расширение закона, которое позволяет использовать те же величины для расчета рассеиваемой электрической мощности в цепи, где мощность P — это скорость передачи энергии в ваттах (где 1 Вт = 1 Дж / с).2R

Переставив эти уравнения, вы также можете выразить напряжение, сопротивление или ток через мощность и другую величину.

Законы Кирхгофа по напряжению и току

Законы Кирхгофа — это два других наиболее важных закона для электрических цепей, и они особенно полезны при анализе цепи с несколькими компонентами.

Первый закон Кирхгофа иногда называют законом тока, потому что он гласит, что полный ток, протекающий в переходе, равен току, текущему из него — по сути, этот заряд сохраняется.

Второй закон Кирхгофа называется законом напряжения и гласит, что для любого замкнутого контура в цепи сумма всех напряжений должна равняться нулю. Согласно закону напряжения, вы рассматриваете аккумулятор как положительное напряжение, а падение напряжения на любом компоненте — как отрицательное напряжение.

В сочетании с законом Ома эти два закона можно использовать для решения практически любой проблемы, с которой вы, вероятно, столкнетесь, связанной с электрическими цепями.

Напряжение и ток: пример расчетов

Представьте, что у вас есть цепь, состоящая из 12-вольтовой батареи и двух последовательно соединенных резисторов с сопротивлением 30 Ом и 15 Ом. Полное сопротивление цепи определяется суммой этих двух сопротивлений, поэтому 30 Ом + 15 Ом = 45 Ом. Обратите внимание, что когда резисторы расположены параллельно, взаимосвязь включает в себя обратные, но это не важно для понимания взаимосвязи между разностью напряжений и током, поэтому этого простого примера будет достаточно для настоящих целей.

Какой электрический ток течет по цепи? Прежде чем читать дальше, попробуйте сами применить закон Ома.

Следующая форма закона Ома:

I = \ frac {V} {R}

\ begin {align} I & = \ frac {12 \ text {V}} {45 \ text {Ω}} \\ & = 0.27 \ text {A} \ end {align}

Теперь, зная ток в цепи, каково падение напряжения на резисторе 15 Ом? Для ответа на этот вопрос можно использовать закон Ома в стандартной форме. Вставка значений I = 0,27 A и R = 15 Ом дает:

\ begin {align} V & = IR \\ & = 0,27 \ text {A} × 15 \ text {Ω } \\ & = 4.05 \ text {V} \ end {align}

Для целей использования законов Кирхгофа это будет отрицательное напряжение (т.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *