Электроэнергия давно используется человеком для удовлетворения своих потребностей, но она невидима, не воспринимается органами чувств, потому сложна для понимания. С целью упрощения объяснения электрических процессов их довольно часто сравнивают с гидравлическими характеристиками движущейся жидкости.
Например, к нам в квартиру приходит по проводам электрическая энергия от далеко расположенных генераторов и вода по трубе от создающего давление насоса. Однако, отключенный выключатель не позволяет светиться лампочкам, а закрытый водопроводный кран — литься воде из крана. Чтобы совершалась работа надо включить выключатель и открыть кран.
Направленный поток свободных электронов по проводам устремится к нити накала лампочки (пойдет электрический ток) , которая станет излучать свет. Вода, вытекающая из крана, будет стекать в раковину.
Эта аналогия позволяет также понимать количественные характеристики, ассоциировать силу тока со скоростью перемещения жидкости, оценивать другие параметры.
Напряжение электросети сравнивают с потенциалом энергии источника жидкости. К примеру, возрастание гидравлического давления насосом в трубе создаст большую скорость перемещения жидкости, а увеличение напряжения (или разности между потенциалами фазы — входящего провода и рабочего нуля — отходящего) усилит накал лампочки, силу ее излучения.
Сопротивление электрической схемы сопоставляют с силой торможения гидравлическому потоку. На скорость перемещения потока влияют:
засоренность и изменение сечения каналов. (В случае с водопроводным краном — положение регулирующего вентиля.)
На величину электрического сопротивления влияет несколько факторов:
строение вещества, определяющее наличие свободных электронов в проводнике и влияющее на удельное сопротивление;
площадь поперечного сечения и длина токовода;
Электрическую мощность тоже сравнивают с энергетическими возможностями потока в гидравлике и оценивают по выполненной работе в единицу времени. Мощность электроприбора выражается через потребляемый ток и подведенное напряжение (для цепей переменного и постоянного тока).
Все эти характеристики электроэнергии исследованы известными учеными, которые дали определения току, напряжению, мощности, сопротивлению и описали математическими методами взаимные связи между ними.
В приведенной таблице показаны общие соотношения для цепей постоянного и переменного тока, которые можно применять для анализа работы конкретных схем.
Рассмотрим несколько примеров их использования.
Пример №1. Как рассчитать сопротивление и мощность
Допустим, требуется подобрать токоограничивающий резистор для блока питания схемы освещения. Нам известно напряжение питания бортовой сети «U», равное 24 вольта и ток потребления «I» в 0,5 ампера, который нельзя превышать. По выражению (9) закона Ома вычислим сопротивление «R». R=24/0,5=48 Ом.
На первый взгляд номинал резистора определен. Однако, этого недостаточно. Для надежной работы семы требуется выполнить расчет мощности по току потребления.
Согласно действию закона Джоуля — Ленца активная мощность «Р» прямо пропорционально зависит от тока «I», проходящего через проводник, и приложенного напряжения «U». Эта взаимосвязь описана формулой (11) в приведенной таблице.
Рассчитываем: Р=24х0,5=12 Вт.
Это же значение получим, если воспользуемся формулами (10) или (12).
Проведенный расчет мощности резистора по току его потребления показывает, что в выбираемой схеме надо использовать сопротивление величиной 48 Ом и 12 Вт. Резистор меньшей мощности не выдержит приложенных нагрузок, будет греться и со временем сгорит.
Этим примером показана зависимость того, как на мощность потребителя влияют ток нагрузки и напряжение в сети.
Пример №2. Как рассчитать ток
Для группы розеток, предназначенных для питания бытовых электроприборов на кухне, необходимо подобрать защитный автоматический выключатель. Мощности приборов по паспортным данным составляют 2,0, 1,5 и 0,6 кВт.
Решение. В квартире используется однофазная переменная сеть 220 вольт. Общая мощность всех приборов, подключенных в работу одновременно, составит 2,0+1,5+0,6=4,1 кВт=4100 Вт.
По формуле (2) определим общий ток группы потребителей: 4100/220=18,64 А.
Ближайший по номиналу автоматический выключатель имеет величину срабатывания 20 ампер. Его и выбираем. Автомат меньшего значения на 16 А будет постоянно отключаться от перегрузки.
Отличия параметров электросхем на переменном токе
При анализе параметров электроприборов следует учитывать особенности их работы в цепях переменного тока, когда, благодаря влиянию промышленной частоты у конденсаторов возникают емкостные нагрузки (сдвигают вектор тока на 90 градусов вперед от вектора напряжения), а у обмоток катушек — индуктивные (ток на 90 градусов отстает от напряжения). В электротехнике их называют реактивными нагрузками . Они в комплексе создают реактивные потери мощности «Q», которые не выполняют полезной работы.
На активных нагрузках отсутствует сдвиг фазы между током и напряжением.
Таким образом, к активной величине мощности электроприбора в цепях переменного тока добавляется реактивная составляющая, за счет которой увеличивается общая мощность, которую принято называть полной и обозначать индексом «S».
Переменный синусоидальный ток в однофазной сети
Электрический ток и напряжение промышленной частоты меняются во времени по синусоидальному закону. Соответственно этому происходит изменение мощности. Определять их параметры в различные мгновенные моменты времени не имеет особого смысла. Поэтому выбирают суммарные (интегрирующие) значения за определенный временной промежуток, как правило — период колебания Т.
Знание отличий параметров цепей для переменного и постоянного тока позволяет правильно рассчитывать мощность через ток и напряжение в каждом конкретном случае.
В принципе они состоят из трех одинаковых однофазных цепей, сдвинутых друг относительно друга на комплексной плоскости на 120 градусов. Они немного отличаются нагрузками в каждой фазе, сдвигающими ток от напряжения на угол фи. За счет этой неравномерности создается ток I0 в нулевом проводе.
Напряжение в этой системе состоит из напряжений в фазах (220 В) и линейных (380 В).
Мощность прибора трехфазного тока, подключенного к схеме, складывается из составляющих в каждой фазе. Ее измеряют с помощью специальных приборов: ваттметров (активная составляющая) и варметров (реактивная). Рассчитать полную мощность потребления прибора трехфазного тока можно на основе замеров ваттметра и варметра с использованием формулы треугольника.
Существует еще косвенный метод измерения, основанный на использовании вольтметра и амперметра с последующими вычислениями полученных значений.
Также можно рассчитать общий ток потребления, зная величину полной мощности S. Для этого достаточно ее разделить на величину линейного напряжения.
Закон Ома. Мощность.
Закон Ома связывает три важные физические величины: ток, напряжение и сопротивление.
Ток – это направленное движение заряженных частиц. Чаще всего такими заряженными частицами являются электроны. Именно они движутся в металлах под действием электрического поля. 1 Ампер (1 А) – единица измерения тока. При токе в 1 А через проводник каждую секунду проходит 6 000 000 000 000 000 000 электронов.
В электронике часто используются более мелкие единицы измерения тока: 1 миллиампер (1 мА) и 1 микроампер (1 мкА).
1 А = 1 000 000 мкА
Напряжение – это разность потенциалов между двумя точками. Чем больше напряжение, тем больше заряженных частиц перемещается через проводник за единицу времени, а значит и ток становится больше. Поэтому напряжение можно сравнить с некоторой силой, которая заставляет заряженные частицы перемещаться. Единицей измерения напряжения является 1 Вольт (1 В), но используются и более мелкие и более крупные единицы, например, милливольт (мВ) и киловольт (кВ).
1 кВ = 1 000 000 мВ
Сопротивление – свойство вещества, характеризующее его способность оказывать противодействие прохождению тока. Чем больше сопротивление, тем хуже проходит ток через данное вещество, и наоборот. Единицей измерения сопротивления является 1 Ом. Часто применяются и более крупные единицы измерения сопротивления: килоом (кОм) и Мегаом (МОм).
1 Мом = 1000 кОм = 1 000 000 Ом.
Вот основная формула закона Ома:
I = U R 
Где I – ток, взятый в Амперах, U – напряжение, взятое в Вольтах и R – сопротивление, взятое в Омах.
Пример 1 . Пускай к источнику с напряжением 10 Вольт подключена лампочка, которая имеет сопротивление 5 Ом. Давайте вычислим, какой ток течет через лампочку. Согласно приведенному выше закону Ома, чтобы найти ток нужно напряжение (10 В) поделить на сопротивление (5 Ом). В результате получаем, что ток, текущий через лампочку имеет силу 2 Ампера:
I = U R = 10 В 5 Ом =2 А 
Если известны две из трех, рассмотренных нами величин, то легко найти третью:
U = IR 
R = U I 
Еще одной важной величиной, которую широко применяют в электронике, является мощность. 1 Ватт ( Вт ) – это единица измерения мощности. Более крупная единица – киловатт (кВт).
Мощность легко вычислить по следующей формуле:
P = IU 
где P – мощность, Вт , I – ток, А, U – напряжение, В.
Пример 2. Возьмем параметры из предыдущего примера: лампочка с сопротивлением 5 Ом подключена к источника с напряжением 10 Вольт. Давайте теперь вычислим мощность этой лампочки. Для этого нужно ток умножить на напряжение. Напряжение равно 10 В , а найденный нами ток составил 2 А. Таким образом мощность лампочки составила 20 Ватт.
P = IU =2∙10=20 Вт 
Из формулы для нахождения мощности легко получить две другие формулы:
I = P U 
U = P I 
Пример 3 . Электрический чайник имеет мощность 2200 Вт и рассчитан на напряжение 220 В. Какой ток будет течь через нагревательный элемент этого чайника? Нам известно две величины: мощность и напряжение, значит, мы легко можем найти третью неизвестную величину – в данном случае ток:
I = P U = 2200 Вт 220 В =10 А 
Таким образом, через чайник течет ток 10 Ампер.
Электроника сейчас получила большое распространение, у всех дома много радиоприёмников, телефонов, компьютеров, планшетов, телевизоров фонариков и т.д. Это всё радиоэлектроника, поэтому некоторые люди заинтересовываются этим хобби, но не знают с чего начать. Наша цель рассказать в данном материале всё о Законе Ома.
Обозначения напряжения, тока, сопротивления
Всё же многие радиолюбители начинают с закона Ома. В закон Ома входят три единицы: напряжение, ток, сопротивление.
- Напряжение измеряется в вольтах (В) и обозначается U.
- Сопротивление измеряется в Омах (Ом) и обозначается R.
- Ток в Амперах (А) и обозначается I.
Расчёт напряжения, тока и сопротивления
Закон Ома предназначен для того, чтобы найти неизвестную третью, если известны первая и вторая. С этого по подробней, чтобы облегчить закон Ома, будем пользоваться треугольником Ома. Вот этот треугольник:
Давайте разберёмся с напряжением, чтобы найти напряжение, используя треугольник Ома, надо закрыть рукой напряжение — U, остались только I-ток и R-сопротивление, передними стоит вертикальная черта, вертикальная это черта снизу вверх, это вертикальная линия обозначает умножение, значит, чтобы найти напряжение надо ток умножить на сопротивление.
Вот такая формула получилась: U=I*R, где U-напряжение, I-ток, R-сопротивление.
Теперь давайте попробуем найти ток, прикроем рукой I, теперь перед напряжением и сопротивление стоит горизонтальная черта, горизонтальная, это та черта, которая идёт слева направо. Горизонтальная черта означает деление. Значит, чтобы найти ток, надо напряжение разделить на сопротивление.
Формула получилась следующая: I= UR, где I-ток, U-напряжение, R-сопротивление.
Найдём сопротивление, закроем рукой R, то получим опять горизонтальную черту перед напряжением и током, значит нужно делить.
Формула получилась для расчёта сопротивления: R=UI, где R-сопротивление, U-напряжение, I-ток. Итак, мы научились пользовать треугольником Ома и узнали о Законе Ома. Теперь, пожалуй, поучимся на примерах.
Примеры расчётов закона Ома
Давайте, найдём напряжение, если ток равен 0,9 Ампер, а сопротивление 100 Ом, пользуясь треугольником, прикрываем напряжение рукой, смотрим, вертикальная черта, значит умножить. Опять пользуемся той формулой, только подставляем числа, U = 0,9 А * 100 Ом, считаем, получиться 90, значит U = 90 вольт.
Теперь рассчитываем сопротивление, берём те же единицы, только убираем сопротивление, получиться вот такая формула: R = 90 В 0,9 А, получим 100 Ом.
Чтобы рассчитать ток, опять же убираем ток, получаем эту формулу I = 90 В 100 Ом, получаем 0,9 Ампер. Итак, на этом всё, кстати, закон Ома действует там, где нет катушек индуктивности и конденсаторов, не забивайте голову конденсаторами и катушками индуктивности, просто, запомните, что закон Ома действует, там, где нет катушек индуктивности и конденсаторов. Надеюсь, моя статья была полезной, всем удачи, с вами был Дмитрий Цывцын.