Site Loader

Содержание

как рассчитать силу тока? Как рассчитать силу тока резисторов?

Любая электротехническая система – это комплекс электрических устройств, объединенных в общую цепь для решения различных задач (освещения, отопления, передачи информации, контроля физических параметров и т.д.). Для эффективной и безопасной работы при разработке электрической схемы и подбора оборудования, необходимо учитывать такие параметры как напряжение, сила тока, сопротивление, мощность устройств энергопотребления.

Все они взаимосвязаны и имеют определенную зависимость друг от друга, в соответствии с законом Ома. Зная отдельные параметры, можно без труда рассчитать, как силу тока, так и величину остальных значений.

Как рассчитать силу тока для отдельных элементов электрической цепи

При монтаже электрической проводки как в домашних, так и в промышленных условиях необходимо правильно рассчитать силу тока. Это необходимо в перовую очередь для правильного подбора сечения кабеля или провода. В случае если диаметр проводника будет ниже необходимого, то кабель будет чрезмерно нагреваться. Это может привести к оплавлению изоляции, короткому замыканию и как правило, в большинстве случаев является причиной пожаров.

Как рассчитать силу тока по мощности электроприбора

Мощность электрического устройства является величиной физической и характеризует скорость преобразования или передачи энергии. В системе СИ единицей мощности принят ватт. Для однофазной сети данный показатель можно определить по простой формуле:

Р=U x I, где U- напряжение в электрической сети в вольтах, а I – сила тока в амперах. То есть для того чтобы рассчитать силу тока, зная мощность электрического изделия необходимо преобразовать формулу и получаем ее в таком виде I (сила тока, А) = Р (мощность устройства, Вт) / U (напряжение сети, В).

Практический пример как рассчитать силу тока для выбора провода питания зная мощность прибора и напряжение в сети.

Задача: необходимо подобрать кабель для подключения электрического камина в частном доме.

Исходными данными имеющими значение будут мощность, указанная в документации на электрокамин (условимся что она завалена производителем в 5 кВт) и напряжение сети (как правило, для частного дома эта величина составляет 220 В, при условии, что сеть однофазная).

Подставив эти значения в вышеуказанную формулу (5000/220) мы получаем значение силы тока в 22,7А. Исходя из этого выбираем кабель соответствующего сечения. Необходимо принимать во внимание, что все расчетные параметры кабельной продукции стандартизированы и в любом случае необходимо руководствоваться большей величиной. Так в нашем варианте подойдет медный кабель сечением 2,5 кв. мм. рассчитанный на ток 27 ампер.

Здесь рассмотрен вариант расчета силы тока для локального электроприбора. Если к кабелю будет подключено несколько устройств, то необходимо суммировать всю их мощность.

Как рассчитать силу тока по сопротивлению

Расчет силы тока для отдельного участка, зная сопротивление этого участка и напряжение в сети, не представляет собой особой сложности. Зависимость этих параметров определена законом Ома, формула которого в символьном виде выглядит следующим образом:

I=U/R, где – сила тока в амперах, напряжение сети в вольтах, а сопротивление участка в ом. В каких случаях прибегают к расчету силы тока по сопротивлению? Как правило, это ситуация, когда в помещении уже смонтирована проводка, но нет достоверных данных какой кабель применялся при прокладке и какую нагрузку он может выдержать. Таким образом замерив сопротивление электрического устройства омметром или мультиметром можно рассчитать силу потребляемого тока.

Для чего нужны резисторы в бытовых электрических цепях

Трехфазное электропитание в частном доме используется довольно редко из-за сложностей в организации электропроводки и повышенной опасности при эксплуатации. В обыкновенной электрической сети к которой подключаются все бытовые приборы имеет напряжение 220В. Но для работы отдельных устройств эта величина слишком большая. По закону Джоуля-Ленца, при прохождении электричества по проводнику выделяется тепло. Формула закона выгладит следующим образом:

Q = I²Rt, где Q — количество тепла, Дж; R и I – сопротивление и сила тока, а t – время протекания тока.

Из этого видно, что чем больше сила тока, тем больше тепла будет выделяться при работе устройства, что в итоге может привести к перегреву и выходу изделия из строя. Время тоже имеет значение, но в нашем варианте, для удобства понимания можно принят его равное 1.

Таким образом, чтобы избежать этой неприятности, нам необходимо увеличить сопротивление (см. на формулу закона Ома). Другими словами, необходимо в цепь включить резистор, который обладает дополнительным сопротивлением. Рассчитать силу тока для резистора можно посмотрев маркировку на его поверхности.

На практике данный принцип применяется при работе всей низковольтной аппаратуры, светодиодных источников света, а также в приборах контроля и автоматики. В последнем варианте это широко известные плавкие предохранители принцип работы, которых основан на применении законов Ома и Джоуля-Ленца. Т.е. при скачке напряжения возрастает сила тока и выделяется большое количество тепла, в результате чего из строя выходит только плавкий предохранитель, а остальные детали остаются работоспособными.

Как найти сопротивление тока формула. Электрическое сопротивление. Определение, единицы измерения, удельное, полное, активное, реактивное

Одной из основных характеристик электрической цепи является сила тока. Она измеряется в амперах и определяет нагрузку на токопроводящие провода, шины или дорожки плат. Эта величина отражает количество электричества, которое протекло в проводнике за единицу времени. Определить её можно несколькими способами в зависимости от известных вам данных. Соответственно студенты и начинающие электрики из-за этого часто сталкиваются с проблемами при решении учебных заданий или практических ситуаций. В этой статье мы и расскажем, как найти силу тока через мощность и напряжение или сопротивление.

Если известна мощность и напряжение

Допустим вам нужно найти силу тока в цепи, при этом вам известны только напряжение и потребляемая мощность. Тогда чтобы её определить без сопротивления воспользуйтесь формулой:

После несложных мы получаем формулу для вычислений

Следует отметить, что такое выражение справедливо для цепей постоянного тока. Но при расчётах, например, для электродвигателя учитывают его полную мощность или косинус Фи. Тогда для трёхфазного двигателя его можно рассчитать так:

Находим P с учетом КПД, обычно он лежит в пределах 0,75-0,88:

Р1 = Р2/η

Здесь P2 – активная полезная мощность на валу, η – КПД, оба этих параметра обычно указывают на шильдике.

Находим полную мощность с учетом cosФ (он также указывается на шильдике):

S = P1/cosφ

Определяем потребляемый ток по формуле:

Iном = S/(1,73·U)

Здесь 1,73 – корень из 3 (используется для расчетов трёхфазной цепи), U – напряжение, зависит от включения двигателя (треугольник или звезда) и количества вольт в сети (220, 380, 660 и т.д.). Хотя в нашей стране чаще всего встречается 380В.

Если известно напряжение или мощность и сопротивление

Но встречаются задачи, когда вам известно напряжение на участке цепи и величина нагрузки, тогда чтобы найти силу тока без мощности воспользуйтесь , с его помощью проводим расчёт силы тока через сопротивление и напряжение.

Но иногда случается так, что нужно определить силу тока без напряжения, то есть когда вам известна только мощность цепи и её сопротивление. В этом случае:

При этом согласно тому же закону Ома:

P=I 2 *R

Значит расчёт проводим по формуле:

I 2 =P/R

Или возьмем выражение в правой части выражения под корень:

I=(P/R) 1/2

Если известно ЭДС, внутреннее сопротивление и нагрузка

Ко студенческим задачам с подвохом можно отнести случаи, когда вам дают величину ЭДС и внутреннее сопротивление источника питания. В этом случае вы можете определить силу тока в схеме по закону Ома для полной цепи:

I=E/(R+r)

Здесь E – ЭДС, r – внутреннее сопротивление источника питания, R – нагрузки.

Закон Джоуля-Ленца

Еще одним заданием, которое может ввести в ступор даже более-менее опытного студента – это определить силу тока, если известно время, сопротивление и количество выделенного тепла проводником. Для этого вспомним .

Его формула выглядит так:

Q=I 2 Rt

Тогда расчет проводите так:

I 2 =QRt

Или внесите правую часть уравнения под корень:

I=(Q/Rt) 1/2

Несколько примеров

В качестве заключения предлагаем закрепить полученную информацию на нескольких примерах задач, в которых нужно найти силу тока.

Из условия ясно, что нужно привести два варианта ответа для каждого из вариантов соединений. Тогда чтобы найти ток при последовательном соединении, сначала складывают сопротивления схемы, чтобы получить общее.

I=U/R=12/3=4 Ампера

При параллельном соединении двух элементов Rобщее можно рассчитать так:

Rобщ=(R1*R2)/(R1+R2)=1*2/3=2/3=0,67

Тогда дальнейшие вычисления можно проводить так:

В первую очередь нужно найти R общее параллельно соединенных R2 и R3, по той же формуле, что мы использовали выше.

Причиной написания данной статьи явилась не сложность этих формул, а то, что в ходе проектирования и разработки каких-либо схем часто приходится перебирать ряд значений чтобы выйти на требуемые параметры или сбалансировать схему. Данная статья и калькулятор в ней позволит упростить этот подбор и ускорить процесс реализации задуманного. Также в конце статьи приведу несколько методик для запоминания основной формулы закона Ома. Эта информация будет полезна начинающим. Формула хоть и простая, но иногда есть замешательство, где и какой параметр должен стоять, особенно это бывает поначалу.

В радиоэлектронике и электротехнике закон Ома и формула расчёта мощности используются чаше чем какие-либо из всех остальных формул. Они определяют жесткую взаимосвязь между четырьмя самыми ходовыми электрическими величинами: током, напряжением, сопротивлением и мощностью.

Закон Ома. Эту взаимосвязь выявил и доказал Георг Симон Ом в 1826 году. Для участка цепи она звучит так: сила тока прямо пропорциональна напряжению, и обратно пропорциональна сопротивлению

Так записывается основная формула:

Путем преобразования основной формулы можно найти и другие две величины:

Мощность. Её определение звучит так: мощностью называется произведение мгновенных значений напряжения и силы тока на каком-либо участке электрической цепи.

Формула мгновенной электрической мощности:

Ниже приведён онлайн калькулятор для расчёта закона Ома и Мощности. Данный калькулятор позволяет определить взаимосвязь между четырьмя электрическими величинами: током, напряжением, сопротивлением и мощностью. Для этого достаточно ввести любые две величины. Стрелками «вверх-вниз» можно с шагом в единицу менять введённое значение. Размерность величин тоже можно выбрать. Также для удобства подбора параметров, калькулятор позволяет фиксировать до десяти ранее выполненных расчётов с теми размерностями с которыми выполнялись сами расчёты.

Когда мы учились в радиотехническом техникуме, то приходилось запоминать очень много всякой всячины. И чтобы проще было запомнить, для закона Ома есть три шпаргалки. Вот какими методиками мы пользовались.

Первая — мнемоническое правило. Если из формулы закона Ома выразить сопротивление, то R = рюмка.

Вторая — метод треугольника. Его ещё называют магический треугольник закона Ома.

Если оторвать величину, которую требуется найти, то в оставшейся части мы получим формулу для её нахождения.

Третья. Она больше является шпаргалкой, в которой объединены все основные формулы для четырёх электрических величин.

Пользоваться ею также просто, как и треугольником. Выбираем тот параметр, который хотим рассчитать, он находиться в малом кругу в центре и получаем по три формулы для его расчёта. Далее выбираем нужную.

Этот круг также, как и треугольник можно назвать магическим.

Среди прочих показателей, характеризующих электрическую цепь, проводник, стоит выделить электрическое сопротивление. Оно определяет способность атомов материала препятствовать направленному прохождению электронов. Помощь в определении данной величины может оказать как специализированный прибор – омметр, так и математические расчеты на основании знаний о взаимосвязях между величинами и физическими свойствами материала. Измерение показателя производится в Омах (Ом), обозначением служит символ R.

Закон Ома – математический подход при определении сопротивления

Соотношение, установленное Георгом Омом, определяет взаимосвязь между напряжением, силой тока, сопротивлением, основанную на математическом взаимоотношении понятий. Справедливость линейной взаимосвязи – R = U/I (отношение напряжения к силе тока) – отмечается не во всех случаях.
Единица измерения [R] = B/A = Ом. 1 Ом – сопротивление материала, по которому идет ток в 1 ампер при напряжении в 1 вольт.

Эмпирическая формула расчета сопротивления

Объективные данные о проводимости материала следуют из его физических характеристик, определяющих как его собственно свойства, так и реакции на внешние влияния. Исходя из этого проводимость зависит от:

  • Размера.
  • Геометрии.
  • Температуры.

Атомы проводящего материала сталкиваются с направленными электронами, препятствуя их дальнейшему продвижению. При высокой концентрации последних атомы не способны им противостоять и проводимость оказывается высокой. Большие значения сопротивления характерны для диэлектриков, которые отличаются практически нулевой проводимостью.

Одной из определяющих характеристик каждого проводника является его удельное сопротивление – ρ. Оно определяет зависимость сопротивления от материала проводника и воздействий извне. Это фиксированная (в пределах одного материала) величина, которая представляет данные проводника следующих размеров – длина 1 м (ℓ), площадь сечения 1 кв.м. Поэтому взаимосвязь между данными величинами выражается соотношением: R = ρ* ℓ/S:

  • Проводимость материала падает по мере увеличения его длины.
  • Увеличение площади сечения проводника влечет за собой снижение его сопротивления. Такая закономерность обусловлена уменьшением плотности электронов, а, следовательно, и контакт частиц материала с ними становится более редким.
  • Рост температуры материала стимулирует рост сопротивления, в то время как падение температуры влечет за собой его снижение.

Расчет площади сечения целесообразно производить согласно формуле S = πd 2 / 4. В определении длины поможет рулетка.

Взаимосвязь c мощностью (P)

Исходя из формулы закона Ома, U = I*R и P = I*U. Следовательно, P = I 2 *R и P = U 2 /R.
Зная величину силы тока и мощность, сопротивление можно определить как: R = P/I 2 .
Зная величину напряжения и мощности, сопротивление легко вычислить по формуле: R = U 2 /P.

Сопротивление материала и величины других сопутствующих характеристик могут быть получены с применением специальных измерительных приборов или на основании установленных математических закономерностей.

Одним из физических свойств вещества является способность проводить электрический ток. Электропроводимость (сопротивление проводника) зависит от некоторых факторов: длины электрической цепи, особенностей строения, наличия свободных электронов, температуры, тока, напряжения, материала и площади поперечного сечения.

Протекание электрического тока через проводник приводит к направленному движению свободных электронов. Наличие свободных электронов зависит от самого вещества и берется из таблицы Д. И. Менделеева, а именно из электронной конфигурации элемента. Электроны начинают ударяться о кристаллическую решетку элемента и передают энергию последней. В этом случае возникает тепловой эффект при действии тока на проводник.

При этом взаимодействии они замедляются, но затем под действием электрического поля, которое их ускоряет, начинают двигаться с той же скоростью. Электроны сталкиваются огромное количество раз. Этот процесс и называется сопротивлением проводника.

Следовательно, электрическим сопротивлением проводника считается физическая величина, характеризующая отношение напряжения к силе тока.

Что такое электрическое сопротивление: величина, указывающая на свойство физического тела преобразовывать энергию электрическую в тепловую, благодаря взаимодействию энергии электронов с кристаллической решеткой вещества. По характеру проводимости различаются:

  1. Проводники (способны проводить электрический ток, так как присутствуют свободные электроны).
  2. Полупроводники (могут проводить электрический ток, но при определенных условиях).
  3. Диэлектрики или изоляторы (обладают огромным сопротивлением, отсутствуют свободные электроны, что делает их неспособными проводить ток).

Обозначается эта характеристика буквой R и измеряется в Омах (Ом) . Применение этих групп веществ является очень значимым для разработки электрических принципиальных схем приборов.

Для полного понимания зависимости R от чего-либо нужно обратить особое внимание на расчет этой величины.

Расчет электрической проводимости

Для расчета R проводника применяется закон Ома, который гласит: сила тока (I) прямо пропорциональна напряжению (U) и обратно пропорциональна сопротивлению.

Формула нахождения характеристики проводимости материала R (следствие из закона Ома для участка цепи): R = U / I.

Для полного участка цепи эта формула принимает следующий вид: R = (U / I) — Rвн, где Rвн — внутреннее R источника питания.

Способность проводника к пропусканию электрического тока зависит от многих факторов: напряжения, тока, длины, площади поперечного сечения и материала проводника, а также от температуры окружающей среды.

В электротехнике для произведения расчетов и изготовления резисторов учитывается и геометрическая составляющая проводника.

От чего зависит сопротивление: от длины проводника — l, удельного сопротивления — p и от площади сечения (с радиусом r) — S = Пи * r * r.

Формула R проводника: R = p * l / S.

Из формулы видно, от чего зависит удельное сопротивление проводника: R, l, S. Нет необходимости его таким способом рассчитывать, потому что есть способ намного лучше. Удельное сопротивление можно найти в соответствующих справочниках для каждого типа проводника (p — это физическая величина равная R материала длиною в 1 метр и площадью сечения равной 1 м².

Однако этой формулы мало для точного расчета резистора, поэтому используют зависимость от температуры.

Влияние температуры окружающей среды

Доказано, что каждое вещество обладает удельным сопротивлением, зависящим от температуры.

Для демонстрации это можно произвести следующий опыт. Возьмите спираль из нихрома или любого проводника (обозначена на схеме в виде резистора), источник питания и обычный амперметр (его можно заменить на лампу накаливания). Соберите цепь согласно схеме 1.

Схема 1 — Электрическая цепь для проведения опыта

Необходимо запитать потребитель и внимательно следить за показаниями амперметра. Далее следует нагревать R, не отключая, и показания амперметра начнут падать при росте температуры. Прослеживается зависимость по закону Ома для участка цепи: I = U / R. В данном случае внутренним сопротивлением источника питания можно пренебречь: это не отразится на демонстрации зависимости R от температуры. Отсюда следует, что зависимость R от температуры присутствует.

Физический смысл роста значения R обусловлен влиянием температуры на амплитуду колебаний (увеличение) ионов в кристаллической решетке. В результате этого электроны чаще сталкиваются и это вызывает рост R.

Согласно формуле: R = p * l / S, находим показатель, который зависит от температуры (S и l — не зависят от температуры). Остается p проводника. Исходя из это получается формула зависимости от температуры: (R — Ro) / R = a * t, где Ro при температуре 0 градусов по Цельсию, t — температура окружающей среды и a — коэффициент пропорциональности (температурный коэффициент).

Для металлов «a» всегда больше нуля, а для растворов электролитов температурный коэффициент меньше 0.

Формула нахождения p, применяемая при расчетах: p = (1 + a * t) * po, где ро — удельное значение сопротивления, взятое из справочника для конкретного проводника. В этом случае температурный коэффициент можно считать постоянным. Зависимость мощности (P) от R вытекает из формулы мощности: P = U * I = U * U / R = I * I * R. Удельное значение сопротивления еще зависит и от деформаций материала, при котором нарушается кристаллическая решетка.

При обработке металла в холодной среде при некотором давлении происходит пластическая деформация. При этом кристаллическая решетка искажается и растет R течения электронов. В этом случае удельное сопротивление также увеличивается. Этот процесс является обратимым и называется рекристаллическим отжигом, благодаря которому часть дефектов уменьшается.

При действии на металл сил растяжения и сжатия последний подвергается деформациям, которые называются упругими. Удельное сопротивление уменьшается при сжатии, так как происходит уменьшение амплитуды тепловых колебаний. Направленным заряженным частицам становится легче двигаться . При растяжении удельное сопротивление увеличивается из-за роста амплитуды тепловых колебаний.

Еще одним фактором, влияющим на проводимость, является вид тока, проходящего по проводнику.

Сопротивление в сетях с переменным током ведет себя несколько иначе, ведь закон Ома применим только для схем с постоянным напряжением. Следовательно, расчеты следует производить иначе.

Полное сопротивление обозначается буквой Z и состоит из алгебраической суммы активного, емкостного и индуктивного сопротивлений.

При подключении активного R в цепь переменного тока под воздействием разницы потенциалов начинает течь ток синусоидального вида. В этом случае формула выглядит: Iм = Uм / R, где Iм и Uм — амплитудные значения силы тока и напряжения. Формула сопротивления принимает следующий вид: Iм = Uм / ((1 + a * t) * po * l / 2 * Пи * r * r).

Емкостное сопротивление (Xc) обусловлено наличием в схемах конденсаторов. Необходимо отметить, что через конденсаторы проходит переменный ток и, следовательно, он выступает в роли проводника с емкостью.

Вычисляется Xc следующим образом: Xc = 1 / (w * C), где w — угловая частота и C — емкость конденсатора или группы конденсаторов. Угловая частота определяется следующим образом:

  1. Измеряется частота переменного тока (как правило, 50 Гц).
  2. Умножается на 6,283.

Индуктивное сопротивление (Xl) — подразумевает наличие индуктивности в схеме (дроссель, реле, контур, трансформатор и так далее). Рассчитывается следующим образом: Xl = wL, где L — индуктивность и w — угловая частота. Для расчета индуктивности необходимо воспользоваться специализированными онлайн-калькуляторами или справочником по физике. Итак, все величины рассчитаны по формулам и остается всего лишь записать Z: Z * Z = R * R + (Xc — Xl) * (Xc — Xl).

Для определения окончательного значения необходимо извлечь квадратный корень из выражения: R * R + (Xc — Xl) * (Xc — Xl). Из формул следует, что частота переменного тока играет большую роль, например, в схеме одного и того же исполнения при повышении частоты увеличивается и ее Z. Необходимо добавить, что в цепях с переменным напряжением Z зависит от таких показателей:

  1. Длины проводника.
  2. Площади сечения — S.
  3. Температуры.
  4. Типа материала.
  5. Емкости.
  6. Индуктивности.
  7. Частоты.

Следовательно и закон Ома для участка цепи имеет совершенно другой вид: I = U / Z . Меняется и закон для полной цепи.

Расчеты сопротивлений требуют определенного количества времени, поэтому для измерений их величин применяются специальные электроизмерительные приборы, которые называются омметрами. Измерительный прибор состоит из стрелочного индикатора, к которому последовательно включен источник питания.

Измеряют R все комбинированные приборы , такие как тестеры и мультиметры. Обособленные приборы для измерения только этой характеристики применяются крайне редко (мегаомметр для проверки изоляции силового кабеля).

Прибор применяется для прозвонки электрических цепей на предмет повреждения и исправности радиодеталей, а также для прозвонки изоляции кабелей.

При измерении R необходимо полностью обесточить участок цепи во избежание выхода прибора из строя. Для это необходимо предпринять следующие меры предосторожности:

В дорогих мультиметрах есть функция прозвонки цепи, дублируемая звуковым сигналом, благодаря чему нет необходимости смотреть на табло прибора.

Таким образом, электрическое сопротивление играет важную роль в электротехнике. Оно зависит в постоянных цепях от температуры, силы тока, длины, типа материала и площади поперечного сечения проводника . В цепях переменного тока эта зависимость дополняется такими величинами, как частота, емкость и индуктивность. Благодаря этой зависимости существует возможность изменять характеристики электричества: напряжение и силу тока. Для измерений величины сопротивления применяются омметры, которые используются также и при выявлении неполадок проводки, прозвонки различных цепей и радиодеталей.

Доброго дня уважаемые радиолюбители!
Приветствую вас на сайте “ “

Формулы составляют скелет науки об электронике. Вместо того, чтобы сваливать на стол целую кучу радиоэлементов, а потом переподключать их между собой, пытаясь выяснить, что же появится на свет в результате, опытные специалисты сразу строят новые схемы на основе известных математических и физических законов. Именно формулы помогают определять конкретные значения номиналов электронных компонентов и рабочих параметров схем.

Точно так же эффективно использовать формулы для модернизации уже готовых схем. К примеру, для того, чтобы выбрать правильный резистор в схеме с лампочкой, можно применить базовый закон Ома для постоянного тока (о нем можно будет прочесть в разделе “Соотношения закона Ома” сразу после нашего лирического вступления). Лампочку можно заставить, таким образом, светить более ярко или, наоборот — притушить.

В этой главе будут приведены многие основные формулы физики, с которыми рано или поздно приходится сталкиваться в процессе работы в электронике. Некоторые из них известны уже столетия, но мы до сих пор продолжаем ими успешно пользоваться, как будут пользоваться и наши внуки.

Соотношения закона Ома

Закон Ома представляет собой взаимное соотношение между напряжением, током, сопротивлением и мощностью. Все выводимые формулы для расчета каждой из указанных величин представлены в таблице:

В этой таблице используются следующие общепринятые обозначения физических величин:

U — напряжение (В),

I — ток (А),

Р — мощность (Вт),

R — сопротивление (Ом),

Потренируемся на следующем примере: пусть нужно найти мощность схемы. Известно, что напряжение на ее выводах составляет 100 В, а ток- 10 А. Тогда мощность согласно закону Ома будет равна 100 х 10 = 1000 Вт. Полученное значение можно использовать для расчета, скажем, номинала предохранителя, который нужно ввести в устройство, или, к примеру, для оценки счета за электричество, который вам лично принесет электрик из ЖЭК в конце месяца.

А вот другой пример: пусть нужно узнать номинал резистора в цепи с лампочкой, если известно, какой ток мы хотим пропускать через эту цепь. По закону Ома ток равен:

I = U / R

Схема, состоящая из лампочки, резистора и источника питания (батареи) показана на рисунке. Используя приведенную формулу, вычислить искомое сопротивление сможет даже школьник.

Что же в этой формуле есть что? Рассмотрим переменные подробнее.

> U пит (иногда также обозначается как V или Е): напряжение питания. Вследствие того, что при прохождении тока через лампочку на ней падает какое-то напряжение, величину этого падения (обычно рабочее напряжение лампочки, в нашем случае 3,5 В) нужно вычесть из напряжения источника питания. К примеру, если Uпит = 12 В, то U = 8,5 В при условии, что на лампочке падает 3,5 В.

> I : ток (измеряется в амперах), который планируется пропустить через лампочку. В нашем случае – 50 мА. Так как в формуле ток указывается в амперах, то 50 миллиампер составляет лишь малую его часть: 0,050 А.

> R : искомое сопротивление токоограничивающего резистора, в омах.

В продолжение, можно проставить в формулу расчета сопротивления реальные цифры вместо U, I и R:

R = U/I = 8,5 В / 0,050 А= 170 Ом

Расчёты сопротивления

Рассчитать сопротивление одного резистора в простой цепи достаточно просто. Однако с добавлением в нее других резисторов, параллельно или последовательно, общее сопротивление цепи также изменяется. Суммарное сопротивление нескольких соединенных последовательно резисторов равно сумме отдельных сопротивлений каждого из них. Для параллельного же соединения все немного сложнее.

Почему нужно обращать внимание на способ соединения компонентов между собой? На то есть сразу несколько причин.

> Сопротивления резисторов составляют только некоторый фиксированный ряд номиналов. В некоторых схемах значение сопротивления должно быть рассчитано точно, но, поскольку резистор именно такого номинала может и не существовать вообще, то приходится соединять несколько элементов последовательно или параллельно.

> Резисторы — не единственные компоненты, которые имеют сопротивление. К примеру, витки обмотки электромотора также обладают некоторым сопротивлением току. Во многих практических задачах приходится рассчитывать суммарное сопротивление всей цепи.

Расчет сопротивления последовательных резисторов

Формула для вычисления суммарного сопротивления резисторов, соединенных между собой последовательно, проста до неприличия. Нужно просто сложить все сопротивления:

Rобщ = Rl + R2 + R3 + … (столько раз, сколько есть элементов)

В данном случае величины Rl, R2, R3 и так далее — сопротивления отдельных резисторов или других компонентов цепи, а Rобщ — результирующая величина.

Так, к примеру, если имеется цепь из двух соединенных последовательно резисторов с номиналами 1,2 и 2,2 кОм, то суммарное сопротивление этого участка схемы будет равно 3,4 кОм.

Расчет сопротивления параллельных резисторов

Все немного усложняется, если требуется вычислить сопротивление цепи, состоящей из параллельных резисторов. Формула приобретает вид:

R общ = R1 * R2 / (R1 ­­+ R2)

где R1 и R2 — сопротивления отдельных резисторов или других элементов цепи, а Rобщ -результирующая величина. Так, если взять те же самые резисторы с номиналами 1,2 и 2,2 кОм, но соединенные параллельно, получим

776,47 = 2640000 / 3400

Для расчета результирующего сопротивления электрической цепи из трех и более резисторов используется следующая формула:

Расчёты ёмкости

Формулы, приведенные выше, справедливы и для расчета емкостей, только с точностью до наоборот. Так же, как и для резисторов, их можно расширить для любого количества компонентов в цепи.

Расчет емкости параллельных конденсаторов

Если нужно вычислить емкость цепи, состоящей из параллельных конденсаторов, необходимо просто сложить их номиналы:

Собщ = CI + С2 + СЗ + …

В этой формуле CI, С2 и СЗ — емкости отдельных конденсаторов, а Собщ суммирующая величина.

Расчет емкости последовательных конденсаторов

Для вычисления общей емкости пары связанных последовательно конденсаторов применяется следующая формула:

Собщ = С1 * С2 /(С1+С2)

где С1 и С2 — значения емкости каждого из конденсаторов, а Собщ — общая емкость цепи

Расчет емкости трех и более последовательно соединенных конденсаторов

В схеме имеются конденсаторы? Много? Ничего страшного: даже если все они связаны последовательно, всегда можно найти результирующую емкость этой цепи:

Так зачем же вязать последовательно сразу несколько конденсаторов, когда могло хватить одного? Одним из логических объяснений этому факту служит необходимость получения конкретного номинала емкости цепи, аналога которому в стандартном ряду номиналов не существует. Иногда приходится идти и по более тернистому пути, особенно в чувствительных схемах, как, например, радиоприемники.

Расчёт энергетических уравнений

Наиболее широко на практике применяют такую единицу измерения энергии, как киловатт-часы или, если это касается электроники, ватт-часы. Рассчитать затраченную схемой энергию можно, зная длительность времени, на протяжении которого устройство включено. Формула для расчета такова:

ватт-часы = Р х Т

В этой формуле литера Р обозначает мощность потребления, выраженную в ваттах, а Т — время работы в часах. В физике принято выражать количество затраченной энергии в ватт-секундах, или Джоулях. Для расчета энергии в этих единицах ватт-часы делят на 3600.

Расчёт постоянной ёмкости RC-цепочки

В электронных схемах часто используются RC-цепочки для обеспечения временных задержек или удлинения импульсных сигналов. Самые простые цепочки состоят всего лишь из резистора и конденсатора (отсюда и происхождение термина RC-цепочка).

Принцип работы RC-цепочки состоит в том, что заряженный конденсатор разряжается через резистор не мгновенно, а на протяжении некоторого интервала времени. Чем больше сопротивление резистора и/или конденсатора, тем дольше будет разряжаться емкость. Разработчики схем очень часто применяют RC-цепочки для создания простых таймеров и осцилляторов или изменения формы сигналов.

Каким же образом можно рассчитать постоянную времени RC-цепочки? Поскольку эта схема состоит из резистора и конденсатора, в уравнении используются значения сопротивления и емкости. Типичные конденсаторы имеют емкость порядка микрофарад и даже меньше, а системными единицами являются фарады, поэтому формула оперирует дробными числами.

T = RC

В этом уравнении литера Т служит для обозначения времени в секундах, R — сопротивления в омах, и С — емкости в фарадах.

Пусть, к примеру, имеется резистор 2000 Ом, подключенный к конденсатору 0,1 мкФ. Постоянная времени этой цепочки будет равна 0,002 с, или 2 мс.

Для того чтобы на первых порах облегчить вам перевод сверхмалых единиц емкостей в фарады, мы составили таблицу:

Расчёты частоты и длины волны

Частота сигнала является величиной, обратно пропорциональной его длине волны, как будет видно из формул чуть ниже. Эти формулы особенно полезны при работе с радиоэлектроникой, к примеру, для оценки длины куска провода, который планируется использовать в качестве антенны. Во всех следующих формулах длина волны выражается в метрах, а частота — в килогерцах.

Расчет частоты сигнала

Предположим, вы хотите изучать электронику для того, чтобы, собрав свой собственный приемопередатчик, поболтать с такими же энтузиастами из другой части света по аматорской радиосети. Частоты радиоволн и их длина стоят в формулах бок о бок. В радиолюбительских сетях часто можно услышать высказывания о том, что оператор работает на такой-то и такой длине волны. Вот как рассчитать частоту радиосигнала, зная длину волны:

Частота = 300000 / длина волны

Длина волны в данной формуле выражается в миллиметрах, а не в футах, аршинах или попугаях. Частота же дана в мегагерцах.

Расчет длины волны сигнала

Ту же самую формулу можно использовать и для вычисления длины волны радиосигнала, если известна его частота:

Длина волны = 300000 / Частота

Результат будет выражен в миллиметрах, а частота сигнала указывается в мегагерцах.

Приведем пример расчета. Пусть радиолюбитель общается со своим другом на частоте 50 МГц (50 миллионов периодов в секунду). Подставив эти цифры в приведенную выше формулу, получим:

6000 миллиметров = 300000 / 50 МГц

Однако чаще пользуются системными единицами длины — метрами, поэтому для завершения расчета нам остается перевести длину волны в более понятную величину. Так как в 1 метре 1000 миллиметров, то в результате получим 6 м. Оказывается, радиолюбитель настроил свою радиостанцию на длину волны 6 метров. Прикольно!

Как рассчитать силу тока, потребляемую бытовым прибором?

Автор Александр На чтение 3 мин. Просмотров 146 Опубликовано Обновлено

Если вам необходимо узнать силу тока, которую потребляет прибор, то вы можете воспользоваться одной из двух формул для расчета силы тока. Одна формула позволяет рассчитать силу тока, используя мощность и напряжение, а вторая используя сопротивление и напряжения.

Расчет через мощность

Чтобы рассчитать потребляемую силу тока, нужно разделить мощность (P) данного электрического устройства на напряжение (U), поступающее от источника питания. Сила тока (I), протекающего по проводнику, измеряется в амперах (А). Эквивалентом напряжения в источнике питания является вольт (В). Наконец, мощность, производимая электричеством, измеряется в ваттах (Вт). Все эти измерения взаимосвязаны при расчете потребления электроэнергии.

Первым делом нужно выяснить мощность устройства. Любое устройство, потребляющее электрическую энергию, называется нагрузкой. Примерами нагрузок являются лампочка, электроплита, холодильник, кондиционер или любое другое устройство. Мощность в ваттах часто печатается на шильдике самого устройства, если на шильдике такой информации нет, то посмотрите в техническом паспорте или инструкции, которые обычно идут в комплекте. На худой конец, вы можете найти информацию в интернете, зная производителя и модель устройства.

Шильдик с комбоусилителя моей гитары. Источник: Собственное фото

Напряжение нам известно, обычно оно в пределах 220 — 230 В. Если ваш прибор питается от аккумулятора, то напряжение можно посмотреть на его корпусе. Батареи типа «крона» имеют напряжение 9 вольт, а небольшие батарейки типов C, AA или AAA, работают от 1 до 3 вольт, в зависимости от размера и состава.

I=P/U

Формула расчета силы тока через мощность и напряжение

На примере комбоусилителя для моей электрогитары мы можем рассчитать потребляемую им силу тока следующим образом: 28 Вт / 230 В = 0,12 А.

Почему в российской розетке не 220, а 230 Вольт? Решил разобраться

Расчет через сопротивление

Электричество, протекающее по проводам, можно сравнить с водой, протекающей по руслу реки. Чем шире русло, тем меньше сопротивление и тем большее количество протекает по руслу за единицу времени. Протекание тока в проводнике ограничено сопротивлением тока, которое, в свою очередь, измеряется в Омах.

Источник: pixabay

Для расчета силы тока через сопротивление, мы можем использовать закон Ома. Сопротивление приборов зачастую также указано на шильдике устройства. Сопротивление же проводов, соединяющих розетку и прибор можно не учитывать и считать его бесконечно малым.

I = UR

Закон Ома

Закон Ома гласит, что напряжение равно силе тока, умноженной на сопротивление, поэтому, если вы разделите напряжение вашего источника питания на сопротивление нагрузки, вы найдете силу тока в амперах. Например, если мы подключим стиральную машину с сопротивлением 40 Ом к розетке 220 В, то выясним, что машинка потребляет ток, равный 5,5 А.

Остались вопросы? Пишите в комментариях, разберемся вместе!

Как найти ток в электрической цепи

В электротехнике принято считать, что простая цепь – это цепь, которая сводится к цепи с одним источником и одним эквивалентным сопротивлением. Свернуть цепь можно с помощью эквивалентных преобразований последовательного, параллельного и смешанного соединений. Исключением служат цепи, содержащие более сложные соединения звездой и треугольником. Расчет цепей постоянного тока производится с помощью закона Ома и Кирхгофа.

Пример 1

Два резистора подключены к источнику постоянного напряжения 50 В, с внутренним сопротивлением r= 0,5 Ом. Сопротивления резисторов R1 = 20 и R2 = 32 Ом. Определить ток в цепи и напряжения на резисторах.

Так как резисторы подключены последовательно, эквивалентное сопротивление будет равно их сумме. Зная его, воспользуемся законом Ома для полной цепи, чтобы найти ток в цепи.

Теперь зная ток в цепи, можно определить падения напряжений на каждом из резисторов.

Проверить правильность решения можно несколькими способами. Например, с помощью закона Кирхгофа, который гласит, что сумма ЭДС в контуре равна сумме напряжений в нем.

Но с помощью закона Кирхгофа удобно проверять простые цепи, имеющие один контур. Более удобным способом проверки является баланс мощностей.

В цепи должен соблюдаться баланс мощностей, то есть энергия отданная источниками должна быть равна энергии полученной приемниками.

Мощность источника определяется как произведение ЭДС на ток, а мощность полученная приемником как произведение падения напряжения на ток.

Преимущество проверки балансом мощностей в том, что не нужно составлять сложных громоздких уравнений на основании законов Кирхгофа, достаточно знать ЭДС, напряжения и токи в цепи.

Пример 2

Общий ток цепи, содержащей два соединенных параллельно резистора R1=70 Ом и R2=90 Ом, равен 500 мА. Определить токи в каждом из резисторов.

Два последовательно соединенных резистора ничто иное, как делитель тока. Определить токи, протекающие через каждый резистор можно с помощью формулы делителя, при этом напряжение в цепи нам не нужно знать, потребуется лишь общий ток и сопротивления резисторов.

Токи в резисторах

В данном случае удобно проверить задачу с помощью первого закона Кирхгофа, согласно которому сумма токов сходящихся, в узле равна нулю.

Если у вас возникли затруднения, прочтите статью законы Кирхгофа.

Если вы не помните формулу делителя тока, то можно решить задачу другим способом. Для этого необходимо найти напряжение в цепи, которое будет общим для обоих резисторов, так как соединение параллельное. Для того чтобы его найти, нужно сначала рассчитать сопротивление цепи

А затем напряжение

Зная напряжения, найдем токи, протекающие через резисторы

Как видите, токи получились теми же.

Пример 3

В электрической цепи, изображенной на схеме R1=50 Ом, R2=180 Ом, R3=220 Ом. Найти мощность, выделяемую на резисторе R1, ток через резистор R2, напряжение на резисторе R3, если известно, что напряжение на зажимах цепи 100 В.

Чтобы рассчитать мощность постоянного тока, выделяемую на резисторе R1, необходимо определить ток I1, который является общим для всей цепи. Зная напряжение на зажимах и эквивалентное сопротивление цепи, можно его найти.

Эквивалентное сопротивление и ток в цепи

Отсюда мощность, выделяемая на R 1

Ток I2 определим с помощью формулы делителя тока, учитывая, что ток I1 для этого делителя является общим

Так как, напряжение при параллельном соединении резисторов одинаковое, найдем U3, как напряжение на резисторе R2

Таким образом производится расчет простых цепей постоянного тока.

Цепь постоянного тока

В цепи постоянного тока действуют постоянные напряжения, протекают постоянные токи и присутствуют только резистивные элементы (сопротивления).

Идеальным источником напряжения называют источник, напряжение на зажимах которого, создаваемое внутренней электродвижущей силой (ЭДС ), на зависит от формируемого им в нагрузке тока (рис. 6.1а). При этом имеет место равенство . Вольтамперная характеристика идеального источника напряжения показана на рис. 6.1б.

Идеальным источником тока называют источник, который отдает в нагрузку ток, не зависящий от напряжения на зажимах источника, Рис. 6.2а. Его вольтамперная характеристика показана на рис. 6.2б.

В сопротивлении связь между напряжением и током определяется законом Ома в виде

. (6.1)

Пример электрической цепи показан на рис. 6.3. В ней выделяются ветви, состоящие из последовательного соединения нескольких элементов (источника E и сопротивления ) или одного элемента ( и ) и узлы – точки соединения трех и более ветвей, отмеченные жирными точками. В рассмотренном примере имеется ветви и узла.

Кроме того, в цепи выделяются независимые замкнутые контуры, не содержащие идеальные источники тока. Их число равно . В примере на рис. 6.3 их число , например, контуры с ветвями E и , показанные на рис. 6.3 овалами со стрелками, указывающими положительное направление обхода контура.

Связь токов и напряжений в цепи определяется законами Кирхгофа.

Первый закон Кирхгофа: алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле электрической цепи, равна нулю,

. (6.2)

Втекающие в узел токи имеют знак плюс, а вытекающие минус.

Второй закон Кирхгофа: алгебраическая сумма напряжений на элементах замкнутого независимого контура равна алгебраической сумме ЭДС идеальных источников напряжения, включенных в этом контуре,

. (6.3)

Напряжения и ЭДС берутся со знаком плюс, если их положительные направления совпадают с направлением обхода контура, в противном случае используется знак минус.

Для приведенного на рис. 6.3 примера по закону Ома получим подсистему компонентных уравнений

(6.4)

По законам Кирхгофа подсистема топологических уравнений цепи имеет вид

(6.5)

Расчет на основе закона Ома

Этот метод удобен для расчета сравнительно простых цепей с одним источником сигнала . Он предполагает вычисление сопротивлений участков цепи, для которых известна вели-

чина тока (или напряжения), с последующим определением неизвестного напряжения (или тока). Рассмотрим пример расчета цепи, схема которой приведена на рис. 6.4, при токе идеального источника А и сопротивлениях Ом, Ом, Ом. Необходимо определить токи ветвей и , а также напряжения на сопротивлениях , и .

Известен ток источника , тогда можно вычислить сопротивление цепи относительно зажимов источника тока (параллельного соединения сопротивления и последовательно соединен-

Рис. 6.4 ных сопротивлений и ),

.

Напряжение на источнике тока (на сопротивлении ) равно

В.

Затем можно найти токи ветвей

А,

А.

Полученные результаты можно проверить с помощью первого закона Кирхгофа в виде . Подставляя вычисленные значения, получим А, что совпадает с величиной тока источника.

Зная токи ветвей, нетрудно найти напряжения на сопротивлениях (величина уже найдена)

В,

В.

По второму закону Кирхгофа . Складывая полученные результаты, убеждаемся в его выполнении.

Расчет цепи по уравнениям Кирхгофа

Проведем расчет токов и напряжений в цепи, показанной на рис. 6.3 при и . Цепь описывается системой уравнений (6.4) и (6.5), из которой для токов ветвей получим

(6.6)

Из первого уравнения выразим , а из третьего

.

Тогда из второго уравнения получим

,

,

.

Из уравнений закона Ома запишем

.

.

Нетрудно убедиться, что выполняется второй закон Кирхгофа

.

Подставляя численные значения, получим

, ,

, .

Эти же результаты можно получить, используя только закон Ома.

Мощность в цепи постоянного тока

Действующие в цепи идеальные источники тока и (или) напряжения отдают мощность в подключенную к ним цепь (нагрузку). Для цепи на рис. 6.1а отдаваемая идеальным источником напряжения мощность равна

, (6.7)

а в цепи на рис. 6.2а идеальный источник тока отдает в нагрузку мощность

. (6.8)

Подключенная к источнику внешняя резистивная цепь потребляет от него мощность, преобразуя ее в другте виды энергии, чаще всего в тепло.

Если через сопротивление протекает ток , а приложенное к нему напряжение равно , то для потребляемой сопротивлением мощности получим

. (6.9)

С учетом уравнений закона Ома (6.1) можно записать

. (6.10)

Если в цепи несколько сопротивлений, то сумма потребляемых ими мощностей равна суммарной мощности, отдаваемой в цепь всеми действующими в ней источниками. Это условие баланса мощностей.

Например, для цепи на рис. 6.3 в общем виде получим

. (6.11)

Подставляя в левую часть равенства (6.11) полученные ранее выражения для токов, получим

что соответствует правой части выражения (6.11).

Аналогичные расчеты можно проделать и для цепи на рис. 6.4.

Условие баланса мощностей позволяет дополнительно контролировать правильность расчетов.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: При сдаче лабораторной работы, студент делает вид, что все знает; преподаватель делает вид, что верит ему. 9398 — | 7310 — или читать все.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)

очень нужно

Если известна мощность и напряжение

Допустим вам нужно найти силу тока в цепи, при этом вам известны только напряжение и потребляемая мощность. Тогда чтобы её определить без сопротивления воспользуйтесь формулой:

P=UI

После несложных мы получаем формулу для вычислений

I=P/U

Следует отметить, что такое выражение справедливо для цепей постоянного тока. Но при расчётах, например, для электродвигателя учитывают его полную мощность или косинус Фи. Тогда для трёхфазного двигателя его можно рассчитать так:

Находим P с учетом КПД, обычно он лежит в пределах 0,75-0,88:

Р1 = Р2/η

Здесь P2 – активная полезная мощность на валу, η – КПД, оба этих параметра обычно указывают на шильдике.

Находим полную мощность с учетом cosФ (он также указывается на шильдике):

S = P1/cosφ

Определяем потребляемый ток по формуле:

Iном = S/(1,73·U)

Здесь 1,73 – корень из 3 (используется для расчетов трёхфазной цепи), U – напряжение, зависит от включения двигателя (треугольник или звезда) и количества вольт в сети (220, 380, 660 и т.д.). Хотя в нашей стране чаще всего встречается 380В.

Если известно напряжение или мощность и сопротивление

Но встречаются задачи, когда вам известно напряжение на участке цепи и величина нагрузки, тогда чтобы найти силу тока без мощности воспользуйтесь законом Ома, с его помощью проводим расчёт силы тока через сопротивление и напряжение.

I=U/R

Но иногда случается так, что нужно определить силу тока без напряжения, то есть когда вам известна только мощность цепи и её сопротивление. В этом случае:

P=UI

При этом согласно тому же закону Ома:

U=IR

P=I 2 *R

Значит расчёт проводим по формуле:

I 2 =P/R

Или возьмем выражение в правой части выражения под корень:

I=(P/R) 1/2

Если известно ЭДС, внутреннее сопротивление и нагрузка

Ко студенческим задачам с подвохом можно отнести случаи, когда вам дают величину ЭДС и внутреннее сопротивление источника питания. В этом случае вы можете определить силу тока в схеме по закону Ома для полной цепи:

I=E/(R+r)

Здесь E – ЭДС, r – внутреннее сопротивление источника питания, R – нагрузки.

Закон Джоуля-Ленца

Еще одним заданием, которое может ввести в ступор даже более-менее опытного студента – это определить силу тока, если известно время, сопротивление и количество выделенного тепла проводником. Для этого вспомним закон Джоуля-Ленца.

Его формула выглядит так:

Q=I 2 Rt

Тогда расчет проводите так:

I 2 =QRt

Или внесите правую часть уравнения под корень:

I=(Q/Rt) 1/2

Несколько примеров

В качестве заключения предлагаем закрепить полученную информацию на нескольких примерах задач, в которых нужно найти силу тока.

1 задача: Рассчитать I в цепи из двух резисторов при последовательном соединении и при параллельном соединении. R резисторов 1 и 2 Ома, источник питания на 12 Вольт.

Из условия ясно, что нужно привести два варианта ответа для каждого из вариантов соединений. Тогда чтобы найти ток при последовательном соединении, сначала складывают сопротивления схемы, чтобы получить общее.

Тогда рассчитать силу тока можно по закону Ома:

При параллельном соединении двух элементов Rобщее можно рассчитать так:

Тогда дальнейшие вычисления можно проводить так:

2 задача: рассчитать ток при смешанном соединении элементов. На выходе источника питания 24В, а резисторы на: R1=1 Ом, R2=3 Ома, R3=3 Ома.

В первую очередь нужно найти R общее параллельно соединенных R2 и R3, по той же формуле, что мы использовали выше.

Теперь схема примет вид:

Далее находим ток по тому же закону Ома:

Теперь вы знаете, как найти силу тока, зная мощность, сопротивление и напряжение. Надеемся, предоставленные формулы и примеры расчетов помогли вам усвоить материал!

Как найти напряжение, зная силу тока

Чтобы найти напряжение при известной силе тока, определите дополнительный параметр. Это сопротивление той части цепи, на которой измеряется напряжение. Если он неизвестен, определите его по формуле, замерив длину и сечение проводника на участке. Если сопротивление потребителя неизвестно, но известна мощность, рассчитайте напряжение на нем по соответствующей формуле.

Вам понадобится

  • — тестер;
  • — таблица удельных сопротивлений

Инструкция по эксплуатации

1

Определение напряжения по току и сопротивлению.Измерьте сопротивление участка цепи, если оно заранее не известно, подключив к нему тестер с соответствующими настройками. Подключите прибор параллельно проводнику с разомкнутой цепью. Перенастройте тестер на измерение силы тока (в режиме амперметра). Подключите его последовательно и измерьте ток.

2

Используя закон Ома (сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению), найдите значение напряжения.Для этого умножьте ток на сопротивление цепи (U = I • R).

3

Если нет прибора для измерения сопротивления, определите материал, из которого изготовлен проводник на участке цепи, и найдите его удельное сопротивление по соответствующей таблице. Также найдите длину и сечение провода. Тогда напряжение будет равно произведению силы тока на удельное сопротивление и площади поперечного сечения проводника, деленной на его длину U = I • ρ • S / l.Проверить результат расчетов можно, подключив тестер в режиме вольтметра параллельно участку цепи.

4

Определение напряжения по мощности прибора. Внимательно осмотрите корпус устройства или изучите его технический паспорт. Там будет указана мощность, потребляемая данным устройством. Если таких данных найти не удалось, измерить мощность, потребляемую исследуемым потребителем, другим способом.

5

Для определения мощности подключите тестер в режиме ваттметра параллельно исправному устройству.Значение потребляемой устройством мощности отображается на его экране. Измерьте в ваттах.

Чтобы определить значение напряжения на устройстве, разделите найденную мощность на силу тока в амперах (U = P / I). Результат будет в вольтах.

примечание

При проведении экспериментов необходимо соблюдать правила техники безопасности, подключать и отключать приборы только с разомкнутой цепью, соблюдать их полярность.

как найти переменное напряжение

3.2 Электрический потенциал и разность потенциалов — Введение в электричество, магнетизм и схемы

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

По окончании этого раздела вы сможете:
  • Определение электрического потенциала, напряжения и разности потенциалов
  • Определите электрон-вольт
  • Вычислить электрический потенциал и разность потенциалов на основе потенциальной энергии и электрического поля
  • Опишите системы, в которых электрон-вольт является полезной единицей
  • Применение экономии энергии в электрических системах

Напомним, что ранее мы определили электрическое поле как величину, не зависящую от тестового заряда в данной системе, что, тем не менее, позволило бы нам вычислить силу, которая возникнет при произвольном тестовом заряде.(При отсутствии другой информации по умолчанию предполагается, что тестовый заряд положительный.) Мы кратко определили поле для гравитации, но гравитация всегда притягивает, тогда как электрическая сила может быть либо притягивающей, либо отталкивающей. Следовательно, хотя потенциальная энергия вполне достаточна в гравитационной системе, удобно определить величину, которая позволяет нам вычислить работу над зарядом независимо от величины заряда. Непосредственный расчет работы может быть затруднен, поскольку направление и величина могут быть сложными для нескольких зарядов, для объектов неправильной формы и вдоль произвольных путей.Но мы знаем это, потому что работа и, следовательно, пропорциональна испытательному заряду. Чтобы получить физическую величину, не зависящую от испытательного заряда, мы определяем электрический потенциал (или просто потенциал, поскольку понимается электрический) как потенциальную энергию на единицу заряда:

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ


Потенциальная электрическая энергия на единицу заряда составляет

(3.2.1)

Поскольку U пропорционален q, зависимость от q отменяется.Таким образом, не зависит от. Изменение потенциальной энергии имеет решающее значение, поэтому нас беспокоит разность потенциалов или разность потенциалов между двумя точками, где

РАЗНИЦА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ


Знакомый термин напряжение — это общее название разности электрических потенциалов. Имейте в виду, что всякий раз, когда указывается напряжение, под ним понимается разность потенциалов между двумя точками. Например, каждая батарея имеет две клеммы, а ее напряжение — это разность потенциалов между ними.По сути, точка, которую вы выбираете как ноль вольт, произвольна. Это аналогично тому факту, что гравитационная потенциальная энергия имеет произвольный ноль, например уровень моря или, возможно, пол лекционного зала. Стоит подчеркнуть различие между разностью потенциалов и электрической потенциальной энергией.

ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ РАЗНИЦА И ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ


Связь между разностью потенциалов (или напряжением) и электрической потенциальной энергией определяется формулой

.

(3.2.2)

Напряжение — это не то же самое, что энергия. Напряжение — это энергия на единицу заряда. Таким образом, аккумулятор мотоцикла и автомобильный аккумулятор могут иметь одинаковое напряжение (точнее, одинаковую разность потенциалов между клеммами аккумулятора), но при этом один хранит гораздо больше энергии, чем другой, потому что. Автомобильный аккумулятор может заряжаться больше, чем аккумулятор мотоцикла, хотя оба являются аккумуляторами.

ПРИМЕР 3.2.1


Расчет энергии

У вас есть аккумулятор для мотоцикла, который может заряжаться, и автомобильный аккумулятор, который может заряжаться.Сколько энергии дает каждый? (Предположим, что числовое значение каждого заряда соответствует трем значащим цифрам.)

Стратегия

Сказать, что у нас есть аккумулятор, означает, что на его выводах есть разность потенциалов. Когда такая батарея перемещает заряд, она пропускает заряд через разность потенциалов, и заряд получает изменение потенциальной энергии, равное. Чтобы найти выход энергии, мы умножаем перемещенный заряд на разность потенциалов.

Решение

Для аккумуляторной батареи мотоцикла, и.Суммарная энергия, отдаваемая аккумулятором мотоцикла, составляет

.

Аналогично для автомобильного аккумулятора, и

Значение

Напряжение и энергия связаны, но это не одно и то же. Напряжения батарей одинаковы, но энергия, подаваемая каждым из них, совершенно разная. Автомобильный аккумулятор требует запуска гораздо более мощного двигателя, чем мотоцикл. Также обратите внимание, что когда аккумулятор разряжается, часть его энергии используется внутри, а напряжение на его клеммах падает, например, когда фары тускнеют из-за разряда автомобильного аккумулятора.Энергия, подаваемая батареей, по-прежнему рассчитывается, как в этом примере, но не вся энергия доступна для внешнего использования.

ПРОВЕРЬТЕ ПОНИМАНИЕ 3.4

Сколько энергии у батарейки AAA, которая может двигаться?

Обратите внимание, что энергии, вычисленные в предыдущем примере, являются абсолютными значениями. Изменение потенциальной энергии для аккумулятора отрицательное, так как он теряет энергию. Эти батареи, как и многие другие электрические системы, действительно перемещают отрицательный заряд — в частности, электроны.Батареи отталкивают электроны от своих отрицательных выводов () через любую задействованную схему и притягивают их к своим положительным выводам (), как показано на рисунке 3.2.1. Изменение потенциала равно отрицательному заряду, то есть отрицательному, что означает, что потенциальная энергия аккумулятора уменьшилась при переходе от к.

(рисунок 3.2.1)

Рисунок 3.2.1. Аккумулятор перемещает отрицательный заряд от отрицательной клеммы через фару к ее положительной клемме.Соответствующие комбинации химикатов в батарее разделяют заряды, так что отрицательный вывод имеет избыток отрицательного заряда, который отталкивается им и притягивается к избыточному положительному заряду на другом выводе. С точки зрения потенциала положительный вывод имеет более высокое напряжение, чем отрицательный. Внутри аккумулятора движутся как положительные, так и отрицательные заряды.

ПРОВЕРЬТЕ ПОНИМАНИЕ 3.5


Сколько электронов прошло бы через лампу?

Электрон-вольт

Энергия, приходящаяся на один электрон, очень мала в макроскопических ситуациях, подобных тому, что было в предыдущем примере — крошечная доля джоуля.Но в субмикроскопическом масштабе такая энергия, приходящаяся на частицу (электрон, протон или ион), может иметь большое значение. Например, даже крошечной доли джоуля может быть достаточно, чтобы эти частицы разрушили органические молекулы и повредили живые ткани. Частица может нанести ущерб при прямом столкновении или может создать опасные рентгеновские лучи, которые также могут нанести ущерб. Полезно иметь единицу энергии, относящуюся к субмикроскопическим эффектам.

На рисунке 3.2.2 показана ситуация, связанная с определением такой единицы энергии.Электрон ускоряется между двумя заряженными металлическими пластинами, как это могло бы быть в телевизионной лампе или осциллографе старой модели. Электрон приобретает кинетическую энергию, которая позже преобразуется в другую форму — например, в свет в телевизионной трубке. (Обратите внимание, что с точки зрения энергии, «спуск» электрона означает «подъем» для положительного заряда.) Поскольку энергия связана с напряжением соотношением, мы можем рассматривать джоуль как кулон-вольт.

(рисунок 3.2.2)

Рис. 3.2.2. Типичная электронная пушка ускоряет электроны, используя разность потенциалов между двумя отдельными металлическими пластинами.По закону сохранения энергии кинетическая энергия должна равняться изменению потенциальной энергии, поэтому. Энергия электрона в электрон-вольтах численно равна напряжению между пластинами. Например, разность потенциалов производит электроны. Концептуальная конструкция, а именно две параллельные пластины с отверстием в одной, показана на (a), а реальная электронная пушка показана на (b).

ЭЛЕКТРОН-ВОЛЬТ


В субмикроскопическом масштабе удобнее определять единицу энергии, называемую электрон-вольт (эВ), , которая представляет собой энергию, передаваемую фундаментальному заряду, ускоренному через разность потенциалов.В форме уравнения,

Электрону, ускоренному через разность потенциалов, придается энергия, равная. Отсюда следует, что электрон ускоряется за счет усиления. Разность потенциалов () дает электрону энергию () и так далее. Точно так же ион с двойным положительным зарядом ускоряется за счет увеличения энергии. Эти простые соотношения между ускоряющим напряжением и зарядами частиц делают электрон-вольт простой и удобной единицей энергии в таких обстоятельствах.

Электрон-вольт обычно используется в субмикроскопических процессах — химические валентные энергии, молекулярные и ядерные энергии связи входят в число величин, часто выражаемых в электрон-вольтах. Например, для расщепления определенных органических молекул требуется около энергии. Если протон ускоряется из состояния покоя через разность потенциалов, равную (), он приобретает энергию () и может разбить любое количество этих молекул (на молекулу молекул). Энергия ядерного распада составляет порядка () на событие и, таким образом, может привести к значительному биологическому ущербу.

Сохранение энергии

Полная энергия системы сохраняется, если нет чистого добавления (или вычитания) из-за работы или теплопередачи. Для консервативных сил, таких как электростатическая сила, закон сохранения энергии утверждает, что механическая энергия постоянна.

Механическая энергия — это сумма кинетической энергии и потенциальной энергии системы; то есть, . Потеря для заряженной частицы становится увеличением ее. Сохранение энергии выражается в форме уравнения как

или

, где и обозначают начальные и конечные условия.Как мы уже много раз выясняли ранее, учет энергии может дать нам понимание и облегчить решение проблем.

ПРИМЕР 3.2.3


Электрическая потенциальная энергия, преобразованная в кинетическую энергию

Рассчитайте конечную скорость свободного электрона, ускоряемого из состояния покоя через разность потенциалов. (Предположим, что это числовое значение имеет точность до трех значащих цифр.)

Стратегия

У нас есть система, в которой действуют только консервативные силы. Предполагая, что электрон ускоряется в вакууме, и пренебрегая гравитационной силой (мы проверим это предположение позже), вся электрическая потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию.Мы можем идентифицировать начальную и конечную формы энергии как,,,.

Решение

Сохранение энергии утверждает, что

Вводя указанные выше формы, получаем

Мы решаем это для:

Ввод значений для, и дает

Значение

Обратите внимание, что и заряд, и начальное напряжение отрицательны, как показано на рисунке 3.2.2.Из обсуждения электрического заряда и электрического поля мы знаем, что электростатические силы, действующие на мелкие частицы, обычно очень велики по сравнению с силой тяжести. Большая конечная скорость подтверждает, что гравитационная сила здесь действительно незначительна. Большая скорость также указывает на то, насколько легко ускорить электроны с помощью малых напряжений из-за их очень малой массы. В электронных пушках обычно используются напряжения намного выше, чем в этой задаче. Эти более высокие напряжения вызывают настолько большие скорости электронов, что необходимо учитывать эффекты специальной теории относительности, и поэтому они выходят за рамки этого учебника.Вот почему в этом примере мы рассматриваем низкое напряжение (точно).

ПРОВЕРЬТЕ ПОНИМАНИЕ 3.6

Как этот пример изменится с позитроном? Позитрон идентичен электрону, за исключением того, что заряд положительный.

Напряжение и электрическое поле

До сих пор мы исследовали взаимосвязь между напряжением и энергией. Теперь мы хотим изучить взаимосвязь между напряжением и электрическим полем. Начнем с общего случая неоднородного поля.Напомним, что наша общая формула для потенциальной энергии пробного заряда в точке относительно реперной точки равна

Когда мы подставляем в определение электрического поля (), это становится

Применяя наше определение потенциала () к этой потенциальной энергии, мы находим, что в общем случае

(3.2.3)

Из нашего предыдущего обсуждения потенциальной энергии заряда в электрическом поле результат не зависит от выбранного пути, и, следовательно, мы можем выбрать наиболее удобный интегральный путь.

Рассмотрим частный случай положительного точечного заряда в начале координат. Чтобы вычислить потенциал, вызванный на расстоянии от начала координат относительно точки отсчета на бесконечности (напомним, что мы сделали то же самое для потенциальной энергии), позвольте и, используя и. Когда мы вычисляем интеграл

для этой системы, у нас

, что упрощается до

Этот результат,

— это стандартная форма потенциала точечного заряда.Это будет подробнее рассмотрено в следующем разделе.

Чтобы изучить еще один интересный частный случай, предположим, что однородное электрическое поле создается путем размещения разности потенциалов (или напряжения) на двух параллельных металлических пластинах, обозначенных и (рис. 3.2.3). Изучение этой ситуации покажет нам, какое напряжение необходимо для создания определенной напряженности электрического поля. Это также покажет более фундаментальную взаимосвязь между электрическим потенциалом и электрическим полем.

(рисунок 3.2.3)

С точки зрения физика, для описания любого взаимодействия между зарядами можно использовать либо, либо. Однако является скалярной величиной и не имеет направления, тогда как является векторной величиной, имеющей как величину, так и направление. (Обратите внимание, что величина электрического поля, скалярная величина, представлена ​​как.) Взаимосвязь между и выявляется путем вычисления работы, совершаемой электрической силой при перемещении заряда от точки к точке. Но, как отмечалось ранее, произвольное распределение заряда требует расчетов.Поэтому мы рассматриваем однородное электрическое поле как интересный частный случай.

Работа, совершаемая электрическим полем на рисунке 3.2.3 по перемещению положительного заряда от положительной пластины с более высоким потенциалом к ​​отрицательной пластине с более низким потенциалом, составляет

.

Разница потенциалов между точками и равна

Если ввести это в выражение для работы, получаем

Работа есть; здесь, так как путь параллелен полю.Таким образом, . Так как мы это видим.

Подстановка этого выражения для работы в предыдущее уравнение дает

Заряд отменяется, поэтому для напряжения между точками и получаем

где — расстояние от до или расстояние между пластинами на рисунке 3.2.3. Обратите внимание, что это уравнение подразумевает, что единицы измерения электрического поля — вольты на метр. Мы уже знаем, что единицы измерения электрического поля — ньютоны на кулон; таким образом, верно следующее соотношение между единицами:

Кроме того, мы можем продолжить это до интегральной формы.Подставляя уравнение 3.2.2 в наше определение разности потенциалов между точками и, мы получаем

, что упрощается до

В качестве демонстрации из этого мы можем вычислить разность потенциалов между двумя точками (и), равноудаленными от точечного заряда в начале координат, как показано на рисунке 3.2.4.

(рисунок 3.2.4)

Рис. 3.2.4. Дуга для расчета разности потенциалов между двумя точками, которые находятся на одинаковом расстоянии от точечного заряда в начале координат.

Для этого мы интегрируем по дуге окружности постоянного радиуса между и, что означает, что мы позволяем при использовании. Таким образом,

(3.2.4)

для этой системы становится

Однако, следовательно,

Этот результат, заключающийся в отсутствии разницы в потенциале вдоль постоянного радиуса от точечного заряда, пригодится при отображении потенциалов.

ПРИМЕР 3.2.6


Расчет потенциала точечного заряда

Учитывая точечный заряд в начале координат, вычислите разность потенциалов между точкой на расстоянии и расстоянием от, где две точки имеют угол между собой (рисунок 3.2.6).

(рисунок 3.2.6)

Рисунок 3.2.6 Найдите разность потенциалов между и.
Стратегия

Сделайте это в два этапа. Первый шаг — использовать и let и, с и. Затем выполните интеграл. Второй шаг — интегрировать по дуге постоянного радиуса, что означает, что мы позволяем с ограничениями, все еще используем. Затем сложите два результата вместе.

Решение

Для первой части, для этой системы становится, которая вычисляет

Для второго шага становится, но и поэтому.Сложив две части вместе, мы получим.

Значение

Мы продемонстрировали использование интегральной формы разности потенциалов для получения численного результата. Обратите внимание, что в этой конкретной системе мы могли бы также использовать формулу для потенциала из-за точечного заряда в двух точках и просто взять разницу.

ПРОВЕРЬТЕ ПОНИМАНИЕ 3.7

Из приведенных примеров, как энергия удара молнии зависит от высоты облаков над землей? Считайте систему облако-земля двумя параллельными пластинами.

Прежде чем описывать проблемы, связанные с электростатикой, мы предлагаем стратегию решения проблем, которой следует придерживаться для этой темы.


Стратегия решения проблем: электростатика
  1. Изучите ситуацию, чтобы определить, присутствует ли статическое электричество; это может касаться отдельных стационарных зарядов, сил между ними и создаваемых ими электрических полей.
  2. Определите интересующую систему. Это включает в себя указание количества, местоположения и типов взимаемых сборов.
  3. Определите, что именно необходимо определить в проблеме (определите неизвестные). Письменный список полезен. Определите, следует ли рассматривать кулоновскую силу напрямую — если да, может быть полезно нарисовать диаграмму свободного тела, используя силовые линии электрического поля.
  4. Составьте список того, что дано или может быть выведено из проблемы, как указано (укажите известные). Например, важно отличать кулоновскую силу от электрического поля.
  5. Решите соответствующее уравнение для количества, которое необходимо определить (неизвестное), или нарисуйте линии поля, как требуется.
  6. Изучите ответ, чтобы увидеть, разумен ли он: имеет ли он смысл? Правильны ли единицы и разумны ли числа?

Кандела Цитаты

Лицензионный контент CC, особая атрибуция

  • Загрузите бесплатно по адресу http://cnx.org/contents/[email protected] Получено с : http://cnx.org/contents/[email protected] Лицензия : CC BY: Attribution

Brain Battery — Знающие нейроны

«Человек вырабатывает больше биоэлектричества, чем 120-вольтовая батарея и более 25 000 BTV тепла тела.Есть поля … бесконечные поля, где люди больше не рождаются. Мы выросли … Матрица — это созданный компьютером мир снов, созданный для того, чтобы держать нас под контролем, чтобы превратить человека в него ». — Морфеус, Матрица (1999).

Когда я впервые увидел The Matrix , меня поразила возможность того, что весь мой мир был компьютерным миражом и что вся причина моего существования заключалась в том, чтобы запитать суперкомпьютер моим собственным биоэлектричеством.Я был огорчен тем, что все человечество можно было поработить и использовать в качестве био-батарей для выработки энергии, необходимой для подпитки огромного, самосознательного и высокоинтеллектуального компьютерного объекта под названием «Матрица». После нескольких бессонных ночей я смог выбросить это из головы, но меня по-прежнему заинтриговало заявление Морфеуса о том, что человеческое тело по сути является прославленной батареей. Было ли это правдой или просто идея какого-то сценариста легла в основу фильма и не давала мне уснуть по ночам?

Человеческий мозг — это батарея , а точнее совокупность примерно из 80 миллиардов батареек.Каждый нейрон Функциональная единица нервной системы, нервная клетка, которая … в мозге обладает способностью накапливать заряд на своей клеточной мембране, что приводит к небольшому, но значимому напряжению. …. Средний нейрон содержит напряжение покоя примерно 70 милливольт или 0,07 вольт. Это довольно мало по сравнению с 1,5 В в батарее AA или 115 В в сетевой розетке. Что интересно, хотя 70 милливольт могут показаться незначительными, микроскопический масштаб, в котором это происходит, поражает.

Напряжение определяется как разность электропотенциалов между двумя точками. В случае батареи AA эта разность потенциалов измеряется между верхом (+) и низом (-) батареи и возникает из-за избытка отрицательного заряда на отрицательном полюсе. В нейроне эта разность потенциалов измеряется через липидный бислой, а внутриклеточная сторона обычно более отрицательна. Обычно липидный бислой имеет толщину около 5 нанометров, что означает, что разность потенциалов в 70 милливольт разделяет всего 5 × 10 -9 метров.Напротив, полюса батареи AA находятся на каждом конце батареи и находятся на расстоянии 2 дюймов (5 × 10 -2 метров) друг от друга.

Когда существует разность потенциалов между двумя отдельными точками, например разность потенциалов в липидном бислое нейрона, создается электростатическое поле. Прекрасным примером электростатического поля является поле, возникающее между облаками в небе и землей во время грозы. Это поле создается разницей в заряде, возникающей между облаками и поверхностью земли.Если это поле становится слишком сильным, электрическая искра проходит через промежуток между положительным и отрицательным полюсами и становится молнией! Теперь напряженность этого поля определяется простым уравнением:

E = — Δϕ / d

, где напряженность поля (E) напрямую связана с разностью потенциалов (Δϕ, иначе известная как напряжение), деленной на расстояние (d) между полюсами. Итак, во время грозы электрическое поле будет измеряться как разница в напряжении земли и облаков, деленная на расстояние между ними.Молния возникает, когда электростатическая сила (E) составляет около 3 миллионов вольт на метр!

Чем скромный нейрон с его 70 милливольтами может сравниться с устрашающей силой удара молнии? Чтобы выяснить это, мы можем просто рассчитать электростатическую силу через липидный бислой. Мы знаем, что напряжение на мембране нейрона составляет 0,07 вольт, а средняя толщина мембраны составляет 5 нанометров.

E Neuron = — (0,07 вольт) / (5 × 10 -9 метров)

E Neuron = 14 миллионов вольт на метр! Это более чем в четыре раза больше, чем электростатической силы, необходимой для возникновения молнии во время грозы!

Возвращаясь к утверждению Морфеуса, я думаю, можно с уверенностью сказать, что люди на самом деле — это батарей, а мозг содержит более 80 миллиардов из них.Еще более безумно то, что каждая из этих батарей содержит в четыре раза больше электростатической силы, которая обычно приводит к возникновению молнии во время грозы! Возможно, Матрица что-то замышляла, когда решила использовать нас в качестве источника энергии!

«Это ваш последний шанс. После этого пути назад нет. Вы принимаете синюю таблетку, история заканчивается. Вы просыпаетесь в своей постели и верите во все, во что хотите. Вы принимаете красную таблетку, вы остаетесь в Стране чудес, и я покажу вам, насколько глубока кроличья нора.”

~
Написано Райаном Джонсом. ~
Изображение адаптировано из The Matrix / Warner Bros и сделано Райаном Т. Джонсом.

Нравится:

Нравится Загрузка …

Связанные

Поднятие крышки на потенциостате: руководство для начинающих по пониманию электрохимической схемы и практической эксплуатации

Студенты, которые впервые проводят практические эксперименты по электрохимии, столкнутся лицом к лицу с потенциостатом.Для многих это просто коробка, содержащая электронику, которая позволяет приложить потенциал между рабочим и контрольным электродами, а ток течет между рабочим и противоэлектродом, оба из которых выводятся экспериментатору. Учитывая широкую распространенность электрохимии во многих дисциплинах, в наши дни очень часто студенты, поступающие в эту область, имеют минимальный опыт работы в электронике. Эта статья служит вводным пособием для тех, кто не имеет формального обучения в этой области.Читатель знакомится с операционным усилителем, который лежит в основе различных потенциостатических электронных схем, и объясняется его роль в обеспечении возможности приложения потенциала и измерения тока. Также выделены схемы операционных усилителей с повторителями напряжения, учитывая их важность для точного измерения напряжений. Мы также обсуждаем цифро-аналоговое и аналого-цифровое преобразование, процессы, с помощью которых электрохимическая ячейка получает входные сигналы и выводит данные и фильтрацию данных.Предполагается, что читая статью, читатель также получит большую уверенность в решении проблем, возникающих с электрохимическими ячейками, например, электрического шума, нескомпенсированного сопротивления, достижения напряжения соответствия, оцифровки сигнала и интерпретации данных. Мы также включаем таблицы поиска и устранения неисправностей, которые основаны на представленной информации и могут использоваться при проведении практических электрохимических исследований.

Эта статья в открытом доступе

Подождите, пока мы загрузим ваш контент… Что-то пошло не так. Попробуйте снова?

Как тестировать электрические компоненты с помощью мультиметра

Мультиметр является одним из самых важных инструментов в вашем арсенале — как физически, так и с точки зрения вашего собственного опыта и ноу-хау.Большинство людей с подозрением относятся к работе с электричеством, и на то есть веские причины: электричество может быть опасным при работе с любым прибором, и понять, что вы делаете правильно или неправильно, может быть сложно. Большинство приборов с электрическими компонентами выходят из строя, когда какая-то часть цепи больше не проводит электричество должным образом, поэтому возможность изолировать части и проверить их будет частой частью вашей работы. Вот как:

Как проверить детали прибора с помощью мультиметра

Первым шагом в любом ремонте или поиске неисправностей является отключение устройства от источника питания.Это верно независимо от того, подключается ли устройство к стене или вмонтировано в дом. в этом случае вам необходимо отключить автоматический выключатель. Это обеспечит безопасность как вас, так и клиента, а также прибора и дома.

Затем вам нужно разобрать прибор, исходя из ваших предположений о проблеме. Если микроволновая печь не включается, это может быть магнетрон или трансформатор, но конденсаторы и диоды являются наиболее вероятными компонентами, которые могут сломаться. ВНИМАНИЕ! Работа с микроволновой печью может быть опасной и даже опасной для жизни. Перед тем, как приступить к работе, убедитесь, что вы прошли соответствующую подготовку.Если вы работаете с прибором, который должен выделять тепло, изолируйте компоненты от теплового контура. Знание того, какие части с большей вероятностью сломаются или вызовут какие-либо из наиболее распространенных проблем, поможет вам сэкономить время и означает, что вам нужно только разобрать устройство на достаточное расстояние, чтобы получить доступ к вероятному виновнику.

После извлечения компонента из устройства можно приступать к работе с мультиметром. Эти устройства проверяют множество вещей, и наиболее распространенными являются непрерывность, напряжение и сопротивление:

  • Испытания на непрерывность измеряют, может ли электричество проходить через деталь. Вставьте два щупа в мультиметр и установите шкалу в положение «непрерывность». Если вы разместите красный и черный щупы по обе стороны от детали (некоторые детали имеют диоды и являются однонаправленными, поэтому вам необходимо расположить щупы соответствующим образом) , и вы получите показание примерно равное нулю, электричество может протекать через деталь. Если нет, мультиметр будет приближаться к единице или отобразит OL для разомкнутого контура. Вопрос в том, должно ли электричество проходить через него или нет.
  • Сопротивление определяет, сколько тока теряется при прохождении электричества через компонент или цепь. Измеряется в омах, и это немного сложнее проверить, чем целостность цепи. В то время как непрерывность работает в диапазоне от нуля до единицы (или OL), сопротивление может иметь разную силу, поэтому вам нужно знать, какое сопротивление должна иметь данная деталь . Затем вы вручную устанавливаете диапазон на мультиметре около этого значения, чтобы мультиметр мог определить, если сопротивление ниже или выше этого значения. Вы можете точно настроить диапазон, сделав его ниже, если мультиметр показывает близкое к нулю, или увеличивая его, если он показывает единицу или OL (перегрузка).Когда у вас есть диапазон в устройстве, поместите щупы по обе стороны от устройства, чтобы найти сопротивление в омах. Компонент должен быть изолирован от любого источника питания, иначе вы можете испортить свой счетчик. Для этого мы предпочитаем использовать аналоговый измеритель.
  • Третий общий тест — это напряжение или сила электрического давления. Вам необходимо знать, является ли прибор постоянным (постоянный ток) или переменным током (переменный ток). Проверка напряжения может быть очень опасной, убедитесь, что прошли надлежащую подготовку перед попыткой.Как и в случае тестирования сопротивления, вам нужно будет вручную установить ожидаемый диапазон и убедиться, что оба мультиметра могут работать с максимальным ожидаемым напряжением. Некоторые компоненты могут быть электрически исправны, но проверка напряжения может гарантировать, что все в порядке с механической точки зрения.

При тестировании компонентов всегда начинайте с непрерывности. Тесты на сопротивление и напряжение основаны на прохождении электричества через деталь, и мультиметр не заметит разницы между деталью с неправильным сопротивлением и деталью без непрерывности.Вы должны иметь информацию о непрерывности в качестве основы для чтения других ваших результатов.

Большинство людей не знают, как пользоваться мультиметром или что делать с результатами, когда они у них есть. Знакомство с общими тестами, какими должны быть показания на работающих частях и как использовать результаты для выполнения следующих шагов, — вот некоторые из наиболее важных частей работы. Посетите Fred’s Appliance Academy здесь, чтобы узнать больше о том, как отремонтировать детали, и начать узнавать, какие детали нужно тестировать в первую очередь на различных устройствах.

Напряженность магнитного поля

— обзор

3.1 Схема компактных симметричных сверхпроводящих магнитов

Четыре компактных магнита с различной напряженностью магнитного поля (1, 3, 7 и 11,75 Тл) изображены для сравнения основных характеристик конструкций. Все магниты имеют разное распределение поля, которое позволяет получить определенное расположение катушек, и они выделены в этом разделе. Мы также указываем на важные соображения, которые следует учитывать в отношении магнитов с низким и сильным полями, и на то, как они меняются при увеличении или уменьшении напряженности поля поля зрения.

На рисунках 4–7, соответственно, представлены иллюстрации, связанные с конструкцией и характеристиками магнитов 1, 3, 7 и 11,75 Тл. Эти магниты были разработаны с использованием магнитной области, показанной на рисунке 2A. Домен делит магнитное поле на две несвязанные области. Источник выражения сферической гармоники (представленный на рисунке 1) или центр поля зрения помещается в центр тяжести домена. Конструкции магнитов 1, 3 и 7 Т предполагают использование сверхпроводящего провода из NbTi, подробные характеристики которого приведены в Sciver и Marken. 9 Следовательно, в наших конструкциях пиковое поле на любой катушке было ограничено величиной менее 9 Тл, а проводник при этой напряженности поля способен пропускать транспортный ток не более 250 А / мм. 4,2 К. В конструкции 11,75 Тл используется композит резерфордовской проволоки NbTi – Cu с критической плотностью тока 165 А / мм 2 при 12 Т и 2,8 К, что является целью для всех катушек и использовалось ранее. 41

Рис. 4. Конструкция магнита 14 градусов и 4 магнита порядка 1 Т.Иллюстрации (A) распределения плотности тока MSE с местоположениями для начальных катушек затравки, (B) общее распределение магнитного поля, (C) окончательная компоновка катушки и связанное с ней внутреннее поле, (D) отсечка внешнего поля с 20 , 15, 10 и 5 G изолинии изнутри наружу и (E) напряжение относительно радиального направления внутри каждой из катушек. Знаки «+» в (C) указывают положительный транспортный ток, в противном случае транспортный ток отрицательный, и контуры соответствуют полю в (B).

Рис. 5. Конструкция магнита с углом 3 Т порядка 14 градусов и 6. Иллюстрации (A) распределения плотности тока MSE с местоположениями для начальных катушек затравки, (B) общее распределение магнитного поля, (C) окончательная компоновка катушки и связанное с ней внутреннее поле, (D) отсечка внешнего поля с 20 , 15, 10 и 5 G контуры изнутри наружу и (E) напряжение относительно радиального направления внутри каждой из катушек. Знаки «+» в (C) указывают положительный транспортный ток, в противном случае транспортный ток отрицательный, и контуры соответствуют полю в (B).

Рис. 6. Конструкция магнита 7 Т порядка 12 градусов и 4. Иллюстрации (A) распределения плотности тока MSE с местоположениями для начальных катушек затравки, (B) общее распределение магнитного поля, (C) окончательная компоновка катушки и связанное с ней внутреннее поле, (D) отсечка внешнего поля с 20 , 15, 10 и 5 G контуры изнутри наружу и (E) напряжение относительно радиального направления внутри каждой из катушек. Знаки «+» в (C) указывают положительный транспортный ток, в противном случае транспортный ток отрицательный, и контуры соответствуют полю в (B).

Рис. 7. Конструкция открытого магнита с 12 градусами и шестью магнитами порядка 11,75 Т. Иллюстрации (A) распределения плотности тока MSE с местоположениями для начальных катушек затравки, (B) общее распределение магнитного поля, (C) окончательная компоновка катушки и связанное с ней внутреннее поле, (D) отсечка внешнего поля с 20 , 15, 10 и 5 G контуры изнутри наружу и (E) напряжение относительно радиального направления внутри каждой из катушек. Знаки «+» в (C) указывают положительный транспортный ток, в противном случае транспортный ток отрицательный, и контуры соответствуют полю в (B).

На рисунках 4A, 5A, 6A и 7A изображены изолинии карты плотности тока вместе с размещением катушек затравки, используемых для оптимизации второго этапа. Затравочные катушки размещены в локальных положительных максимумах и отрицательных минимумах карты плотности тока MSE. Направление тока каждой катушки определяется полярностью этих локальных оконечностей. Также важно упомянуть, что локальные конечности на карте плотности тока MSE появляются по периметру магнитной области, и затравочные катушки для второго этапа оптимизации определяются соответственно.

Распределение магнитного поля окончательных конфигураций показано на рисунках 4B, 5B, 6B и 7B. Его контуры изображены как часть окончательной конфигурации катушек на рисунках 4C, 5C, 6C и 7C, где катушки с положительным транспортным током обозначены знаком «+», а другие катушки имеют отрицательный транспортный ток. Из графиков видно, что для конфигурации катушки магнита 1 Тл полное магнитное поле имеет тенденцию быть наибольшим между катушками среднего и внешнего слоев (т. Е.катушки 7 и 8 на рисунке 4B). Из напряженности поля 3 Тл магнита на рис. 5В видно, что максимальные поля теперь находятся между катушками внутреннего и среднего слоя (то есть катушками 7 и 8). В случае конфигураций 7 и 11,75 Тл, показанных на рисунках 6B и 7B, максимальные общие поля сместились к внутреннему диаметру магнита. Это важное наблюдение, поскольку проблемы пикового поля для сильнопольных магнитов, по-видимому, связаны с внутренними катушками, тогда как в конструкциях с низким полем может оказаться, что внутренние катушки испытывают меньше проблем, связанных с сильными магнитными полями.Следовательно, чтобы уменьшить пиковое поле сверхпроводящих катушек для магнитов с низким и средним полем, необходимо отрегулировать относительное расстояние между катушками в среднем слое и катушками во внутреннем или внешнем слое. Однако для сильнопольных магнитов пиковое поле можно уменьшить только за счет увеличения длины магнитной области и уменьшения плотности тока на сверхпроводящих катушках.

Рисунки 4D, 5D, 6D и 7D представляют собой контурные графики поля рассеяния, где контуры представляют собой линии 5, 10, 15 и 20 G, снаружи внутрь.Во всех конструкциях линия 5G простирается примерно на 5 м во всех направлениях от центра поля зрения, что лучше, чем у клинических магнитов, выпускаемых основными производителями, с полем обзора 45–50 см.

На рисунках 4E, 5E, 6E и 7E изображены кольцевые напряжения отдельных катушек в радиальном направлении в средней плоскости каждой катушки. В частности, для сильнопольного магнита 11,75 Тл расчет напряжения показывает, что самые внутренние катушки являются наиболее важными в конструкции, поскольку они подвергаются наибольшим магнитным полям и напряжениям.Можно использовать другие сверхпроводники (то есть более дешевые) для создания внешних сверхпроводящих катушек, поскольку они находятся в пределах сверхпроводимости.

Конструкцию MSE 1 T можно сравнить с первичным магнитом на 1 Тл, описанным в Cheng et al . 25 при транспортном токе 110 А. Магнит Ченга имеет такой же внутренний диаметр и больший внешний диаметр (1,35 м по сравнению с нашими 1,15 м), меньшее поле обзора (30 см по сравнению с 40 см при размахе от пика до пика 1 ppm) и большее поле рассеяния (11.9 на 9,8 м по сравнению с 7,8 на 7 м на линии 5 G).

В таблице 1 представлены интересующие характеристики, полученные для различных конструкций. В таблице 2 представлена ​​дополнительная информация о расположении катушек. Центральное расположение катушек с соответствующими радиальными и осевыми координатами задается как ( r c , z c ), а соответствующая катушка имеет размеры ( D r , D z ).Пиковое поле ( B пик ) для каждой катушки сообщается вместе с расчетным кольцевым напряжением ( σ θ ) с использованием соотношения BJr , где B — среднее осевое магнитное поле, J — плотность тока, а r — средний радиус. 40

Таблица 1. Представляющие интерес характеристики, полученные из шести различных конструкций

Градус (исчезновение внешних гармоник) 905 905 905 905 905 905 905
Спецификация 1 T 3 T 7 T 11.75 T 1 T A 1 T O
Порядок (внутренние гармоники исчезли) 14 14 12 12 11 11 4 6 4 6 2 4
Длина (м) 1,00 1,44 1,94 905 905 1,94 905

1,40
Внутренний диаметр (м) 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00
Наружный диаметр (м) 3,22 2,20 2,20
Радиальный угол обзора при 1 м. 0.40 0,46 0,41 0,56 0,35 0,66
Радиальный след на 5 G (м) 7,00 5,60 7,80 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 Осевая зона охвата при 5 G (м) 7,8 6,15 9,15 10,60 10,40 7,80
Накопленная энергия (МДж) 33 36 905 905 905 905 905 905 16
Пиковое кольцевое напряжение (МПа) 369 188 182 129 276 286
Пиковое магнитное поле 8.73 8,16 8,76 12,11 8,47 6,79
Плотность тока (А / мм 2 ) 160 175 47

Критическая плотность тока резерфордовской проволоки NbTi / Cu, используемой в конструкции 11,75 Тл, составляет 165 А / мм 2 при напряженности магнитного поля 12 Тл при 2,8 К. Критическая плотность тока используемой проволоки NbTi в других конструкциях — 250 А / мм 2 при напряженности магнитного поля 9 Тл при 4.2 К. ( A, асимметричный, O, открытый).

Таблица 2. Конфигурации катушек для шести конструкций представлены

B пик (T) 0056 905 905 905 175 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 93,734 400 0,05 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 0,05 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 108,254
Магнит Катушка Полярность I (A / мм 2 ) Объем (м 3 ) r c (м) z c (м) D

) D (м) z (м)
σ θ (МПа)
1 T 1 + 160 4,2145 0,5344 0,0122 0,0689 0,0243 155,171
2 160 0,0125 4,46 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 146,690
3 + 160 0,0088 4,0903 0,5236 0,1410 0,0472 0.0566 132,594
4 160 0,0179 6,1822 0,5316 0,2217 0,0632 0,0850 1995 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 5,5941 0,5433 0,3003 0,0866 0,0411 307,353
6 160 0.0204 6,3448 0,5251 0,4003 0,0501 0,1233 278,592
7 + 160 0,1185 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 68,9890
8 160 0,1161 8,7223 1.0832 0,4362 0,1336 0.1277 369,317
9 + 160 0,0413 4,6549 1,1171 0,0446 0,0659 0,0893 0,0659 0,0893 0,0110 5,1712 0,5462 0,0173 0,0925 0,0347 83,0100
2 175 0082 5,0338 0,5212 0,0714 0,0424 0,0592 188.144
3 + 175 0,0213 905 905 905 905 905 905 905 124,006
4 175 0,0111 5,9871 0,5240 0,2335 0,0480 0.0703 179,269
5 + 175 0,0334 7,2336 0,5473 0,3353 0,0947 0,1025 905 905 905 905 947 0,1025 905 905 6,8989 0,5348 0,4538 0,0697 0,0924 88,2740
7 + 175 0.0623 7,7368 0,5495 0,6288 0,0990 0,1824 10,4410
8 175 0,0856 905 905 905 905 905 905 905 905 123,763
9 + 175 0,0862 7,3361 0,9800 0,4333 0,0600 0.2334 58.1230
10 175 0,0607 6.5604 0,9800 0,0821 0,0600 0,1642 0,0477 7,0221 0,5526 0,0881 0,1052 0,1305 119,113
2 + 93.734 0,0715 7,0704 0,5504 0,3042 0,1008 0,2050 120,887
3 6 93,795 905 905 905 905 905 905 905 905 905 0,4654 54,0865
4 93,734 0,2175 5,8079 0,9611 0,7318 0.0777 0,4636 181,819
11,75 T 1 + 44,400 0,1912 11,757 0,6455 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 + 44,400 0,2735 11,812 0,6455 0,3116 0,2910 0,2333 128,652
3 + 1,3016 12,108 0,6455 1,0152 0,2910 1,0947 104,760
4 44,495 905 905 905 905 905 905 905 905 0,0970 73,9070
5 44,400 0,3826 3,5121 1,5599 0,1953 0.1001 0,3907 93,8790
1 T A 1 155 0,0202 7,3588 0,5000 7,3588 0,5000 905 905 905 905 905 905 905 905 959 2 + 155 0,0087 4,1991 0,5258 — 0,2235 0,0517 0,0511 175,085
905 905 905 905 905 905 905

14
4,3260 0,5234 — 0,1425 0,0467 0,0741 94,1320
4 + 155 0,009824 0,05 83.1000
5 155 0,0063 2,9329 0,5171 0,0271 0,0342 0.0567 52.2210
6 + 155 0,0085 2,6471 0,5185 0,1149 0,0371 0,0706 2,3240 0,5153 0,2038 0,0307 0,0542 29,6750
8 + 155 0.0086 2,6748 0,5188 0,3073 0,0377 0,0698 66,5320
9 155 905 96 0,0089 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 82.0880
10 + 155 0,0338 4,4609 0,6525 0,5774 0,1823 0.0452 80.1380
11 155 0,0697 2.2910 1.0904 — 0,0973 0,0192 0,5295 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 0,5657 8,4084 0,7269 — 0,3597 0,2338 0,5298 146.078
1 T O 1 + +

68

2,8406 0,5496 0,3630 0,0760 0,0260 26,1530
2 175 0,0061
3 + 175 0,0080 3,5979 0,5236 0,4744 0,0470 0.0520 123.876
4 175 0,0142 5,7564 0,5243 0,5810 0,0490 0,0880 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 5,3065 0,6553 0,3754 0,0980 0,0510 182,115
6 175 0.0404 6,1251 0,6731 0,6765 0,2030 0,0470 125,311
7 + 175 0,0737 596 905 905 905 905 905 905 905 905 285,821
8 175 0,0753 6,7900 0,8922 0,3866 0,1840 0.0730 6,13800

Для каждой катушки было вычислено пиковое магнитное поле вместе со средним кольцевым напряжением. В таблице ( D r , D z ) указаны размеры катушки в центре ( r c , z c ) радиальное ( r ) и осевое ( z ) координатные направления. Кольцевое напряжение ( σ θ ) для каждой катушки указано в последнем столбце.Предусмотрены все 12 катушек асимметричного магнита. Для симметричных магнитов предусмотрена только половина катушек. ( A асимметричный, O открытый).

Провода и кабели

Провода, как мы определяем здесь: используется для передачи электричества или электрических сигналов. Провода бывают разных форм и сделаны из разных материалов. Они могут показаться простыми, но инженеры известно о двух важные моменты:

-Электричество в длинных проводах, используемых для передачи, ведет себя совсем иначе , чем в коротких провода, используемые в конструкции устройств
-Использование проводов в цепях переменного тока вызывает всевозможные проблемы , например скин-эффект и эффекты близости.

1. Сопротивление / импеданс
2. Скин-эффект
3. Типы конструкций проводов

4. Подробнее о материалах проводов
5. Изоляция проводов

1.) Поведение электричества в проводах: сопротивление и импеданс


Важно знать, имеете ли вы дело с питанием постоянного или переменного тока в данном проводе. Мощность переменного тока имеет очень сложную физику, которая вызывает некоторые странные эффекты. Это была одна из причин, почему Электроэнергия переменного тока была разработана в 1890-х годах, намного позже мощности постоянного тока.Инженеры любят C.P. Штайнмецу пришлось сначала разберитесь с математикой и физикой.

Питание переменного тока:
В сети переменного тока ток любит путешествовать рядом поверхность проволоки (скин-эффект). Мощность переменного тока в проводе также вызывает вокруг него формируется магнитное поле (индуктивность). Это поле влияет на другие соседние провода (например, в обмотке), вызывающие эффект близости. Со всеми этими свойствами необходимо иметь дело при проектировании цепи переменного тока.

Питание постоянного тока:
В постоянном токе ток проходит через весь провод.

Размер проводника и материал (питание переменного и постоянного тока):

Электричество легче передается в местах с высокой проводимостью. элементы, такие как медь, серебро или золото, менее проводящие Чем больше диаметр материала, тем больше должен быть диаметр, чтобы выдерживать такую ​​же токовую нагрузку.

Инженеры выбирают правильно диаметр проволоки для работы, повышение тока в проволоке увеличивает удельное сопротивление и выделяет больше тепла.Как вы увидите на схеме ниже, медь может выдерживать больший ток, чем алюминий, при той же нагрузке.

Внизу: Когда сэр Хамфри Дэви пропустил большой ток через тонкий платиновый провод в 1802 году, когда он светился. и сделал первую лампу накаливания! но всего через несколько секунд проволока расплавилась и испарилась из-за тепло, вызванное сопротивлением в проводе.


Качество материала: примеси и кристаллы:

Большинство материалов содержат примеси. В меди содержание кислорода и других материалов в меди влияет на проводимость, поэтому медь, из которой будет сделан электрический провод, легируется по-другому. чем медь, которая скоро станет водопроводом.

Металлы кристаллические (как вы увидите в нашем видео о меди).Монокристаллическая медь или алюминий лучше проводимость, чем поликристаллические металлы, однако крупнокристаллическая медь очень дорого обходится производят и используются только в высокопроизводительных приложениях.

Удельное сопротивление:

Сопротивление в проводе описывает возбуждение электронов в проводе. материал проводника. Это возбуждение приводит к выделению тепла и потере эффективности. На раннем этапе создания источника постоянного тока Томас Эдисон не мог послать свою энергию на большие расстояния без использования медные провода большого диаметра за счет сопротивления на расстоянии.Это сделало мощность постоянного тока не рентабельно и допускает рост мощности переменного тока.

Измерительные инструменты:
Инженеры используют закон Ома чтобы рассчитать, какое сопротивление будет иметь данный провод. Это говорит нам, сколько энергии мы потеряет на расстоянии.

I = V / R А = Вольт, деленное на сопротивление

Формулы сопротивления и проводимости:

Сопротивление = удельное сопротивление / площадь поперечного сечения
Проводимость = 1 / Сопротивление

Когда сопротивление хорошее:
Создание Тепло в проводе обычно является признаком потери энергии, однако вольфрамовый или танталовой проволоки, тепло заставляет проволоку светиться и производить свет, который может быть желательным.Вольфрам используется для изготовления нитей потому что он имеет очень высокую температуру плавления. Проволока может сильно нагреться и ярко светятся, не таять. Вольфрам очень плохо подходит для передачи энергии поскольку большая часть прошедшей энергии теряется в виде тепла и света.

По мощности передачи мы ищем как можно более низкое удельное сопротивление, мы хотим для передачи энергии на большие расстояния без потери энергии из-за тепла. Мы измеряем сопротивление в проводе в Ом на 1000 футов или метров. Чем дольше электричество должно пройти, тем больше энергии оно теряет.

Сверхпроводящий провод и сопротивление:

Вверху: сверхпроводящий проволоку можно превратить в металлическую «ленту»


Вверху: Карл Роснер, Марк Бенц и другие использовали специальные катушки сверхпроводящего провода для производства всего мира первый магнит 10 тесла.Вместо меди используются ниобий и олово поскольку материалы работают по-разному при разных температурах.

Одно из отличных решений для передачи энергии — это сверхпроводники. Когда металл становится очень холодным (приближаясь к абсолютному нулю), он приобретает проводимость бесконечности. В какой-то момент сопротивления вообще нет. Были экспериментальные сверхпроводящие линии высокого напряжения, которые смогли передавать мощность практически без потерь, однако технология недостаточно развит, чтобы быть рентабельным.

Магнитные поля (индуктивность и импеданс):

Каждый провод, используемый для передачи переменного тока, создает магнитное поле, по которому течет ток. В магнитное поле визуализируется концентрическими кольцами вокруг поперечного сечения провода, каждое кольцо ближе к проводу имеет более прочный магнитная сила. Магнитные поля полезны для создания очень сильных магнитов (когда они находятся в катушке) i.е. изготовление двигателей и генераторы, однако эти магнитные поля нежелательны в линиях электропередачи.

В то время как сопротивление провода может препятствовать прохождению тока и выделять тепло, индуктивность провод / линия передачи также могут препятствовать прохождению тока, но это сопротивление не выделяет тепла, так как энергия «теряется» при создании магнитного поля, а не чем возбуждение электронов в материале. Этот импеданс называется реактивным сопротивлением переменного тока. Схемы.Мы использовали слово «потерянный», однако сила на самом деле не потеряна, она используется для создания магнитного поля. поле и возвращается, когда магнитное поле схлопывается.

2.) Кожный эффект:


В сети переменного тока электроны любят течь по вне провода. Это потому, что изменение тока вперед и назад вызывает вихревые токи, которые приводят к вытеснению тока к поверхности.

Глубина кожи

Глубина скин-слоя — это фиксированное число для данной частоты, удельного сопротивления и диэлектрической проницаемости.Чем выше частота переменного тока в системе, тем сильнее сжимается ток. на внешней стороне провода, поэтому провод, который используется с частотой 60 Гц при заданном напряжении, будет не будет нормально на 200 МГц. Инженеры всегда должны При проектировании цепей учитывайте скин-эффект. Увидеть сайт Википедии для формула, используемая для расчета глубины скин-слоя.

Вверху: инженеры преодолевают скин-эффект с помощью изолированного многожильного провода. Если вы сделаете отдельные пряди равными одной толщине скин-слоя, большая часть тока будет протекать по всей поперечное сечение, и вы используете всю медь. Обратной стороной является то, что ваш провод должен иметь больший размер. диаметр, так как вам нужно все дополнительное пространство для утепления. По мере того, как проволочные пряди становятся меньше в диаметре, а изоляция остается той же толщины, соотношение площади меди к изоляции может стать меньше единицы, тогда у вас будет больше изоляции, чем медь в обмотке или кабеле.

Ниже: более высокая частота переменного тока = меньшая глубина скин-слоя. «Более быстрый» ток чередуется вперед и назад тем больше вихревых токов он создает. Эта высокая частота блок питания работает в диапазоне МГц, обратите внимание на специальный провод, используемый на право. Провод кажется многожильным и оголенным, но это не так, он имеет прозрачное эмалевое покрытие, изолирующее его, поэтому каждая небольшая жилка проволоки несет свою часть тока, при этом ток идет снаружи каждой пряди.Это дает большую площадь поверхности в целом и позволяет большое количество тока для прохождения.


Вверху: компактный люминесцентный легкая электроника, трансформатор очень маленький и спроектирован очень дешево. Эти детали часто выходят из строя до окончания типичного жизненный цикл агрегата »

Инженеры и затраты Сберегательный дизайн:

Инженеры используют математику для расчета «глубины скин-слоя», чтобы узнать, сколько проволоки используется для проведения электричества.Это важная часть инженеров-электриков работают над проектированием энергосистем. Этот работа также связана с экономией средств, как могут понять инженеры какой калибр и какой тип провода использовать и сравнить с другие материалы и конфигурации. Старый электрический двигатели и генераторы из начало 20 века длилось долгое время, потому что в то время инженеры могли спроектировать обмотки и тип провода для лучшей производительности, так как затраты на оборудование и машины были выше.Сегодня многие двигатели перегорают, потому что инженеры вынуждены использовать самый дешевый вариант — наименьшее количество материала который может выдерживать ток, однако, когда двигатель начинает при перегреве более тонкие провода из более дешевого материала быстрее сгорают. Балласты (трансформаторы) в современных системах освещения имеют общеизвестную короткий срок службы в целях снижения стоимости единицы продукции.

Практическое упражнение: Как затраты влияют на дизайн

Вы можете увидеть и почувствуйте работу инженеров в конструкции провода вокруг вашего дома.Просто найдите старые блоки питания или профессиональные блоки питания используется с дорогостоящими машинами или инструментами. Почувствуйте вес этих стеновые блоки или блоки питания. Теперь найдите детскую игрушку или мобильный телефон зарядное устройство. Почувствуйте, насколько легкими кажутся трансформаторы по сравнению с ними.
Если вам повезет, вы можете найти два трансформатора, преобразующие мощность. от стены (120 или 220 В) на такое же напряжение постоянного тока для устройства. Если открыть корпус, можно увидеть разницу в размерах. калибра обмоток, а также от того, используют ли они медь или алюминий.Вы наглядно увидите, как влияет на дизайн общий предмет.


3.) Типы проводов:


Ниже: типов провода, используемого коммунальными предприятиями при передаче электроэнергии:

Ниже: фиксированная проводка, используемая в домах, а также шнуры, используемые в динамиках, бытовая техника и телефонные системы.На рисунке ниже показаны старые провода, которые когда-то использовались в домах (кабель SJTWA и тип SE), и современные стандартный ромекс.

ЭЛЕКТРОПРОВОДКА 1880-х годов до наших дней:

Вверху: 3 проводника подземный медный провод (сейчас редко)

Внизу: плоская лента провод, используемый в сверхпроводящих магнитах

Лучший провод для вакансия:

Все инженеры-электрики должны знать о проводах и думать об использовании правильного дизайна и материал для поставленной задачи.Вот факторы для определения конструкция проволоки:

-Прочность (способность многократно сгибаться или сдавливаться веса)
-Уровень напряжения и тока
-Прочность подвески (способность долго удерживать собственный вес пролеты между опорами)
-Подземный или подводный
-Температура эксплуатации (например, сверхпроводящий проволока)
-Стоимость

Сплошная проволока:

Преимущества:
Меньшая площадь поверхности, подверженная коррозии
Может быть жесткой и прочной
Недостатки:
Плохо при повторном сгибании, может сломаться при сгибании spot
Непрактично для высокого напряжения

Многожильный провод:

Вверху: многожильный динамик провод есть в каждом доме
Ниже: Для специального использования сверхтолстый многожильный медный провод

-Скрученный провод — много меньших проводов параллельно, можно скручивать вместе
Преимущества:
Отличный проводник для своего размера
Недостатки:
Вы можете подумать, что это будет хорошо для высокочастотного использования, потому что у него есть большая площадь поверхности на всех маленьких жилках проволоки, однако это хуже, чем сплошная проволока, потому что пряди соприкасаются друг друга, закорачивая, и поэтому провод действует как один больший проволока, и в ней много воздушных пространств, что обеспечивает большее сопротивление для размера

Плетеный провод:

Преимущества:
-Большая долговечность по сравнению с сплошным проводом
-Лучшая проводимость, чем сплошной провод (большая площадь поверхности)
-Может действовать как электромагнитный экран в шумоподавляющих проводах
— Чем больше жил в проволоке, тем она гибче и прочнее есть, но он стоит дороже

Спец. провода:

Сплошной с оплеткой снаружи или в некоторой их комбинации, эти провода используются для всех видов специальных применений.

Коаксиальный кабель используется для передачи радио или кабельного телевидения. потому что по своей конструкции проводники с оплеткой и фольгой снаружи держать частоты в ловушке внутри. Экранирование предотвращает паразитная электромагнитная энергия от заражения области вокруг чувствительной приемники.

Ниже: Видео о типах проводов, используемых в электроэнергетических компаниях:

Практическое упражнение: Проволока Угадайка

Соберите куски металлолома провода вокруг вашего дома или школьной мастерской, соберите короткие образцы разных типов.Теперь используйте приведенные выше диаграммы, чтобы выяснить, что вид проволоки, из чего она сделана, и перечислите ее применение каждый. Покажите это своему учителю и посмотрите, правильно ли вы угадали. Провод бывает так много экзотических видов, что вы можете оказаться с настоящей загадкой в ​​твоих руках. Используйте поиск в Интернете, чтобы попробовать чтобы идентифицировать все ваши образцы.


4.) Проволочные материалы:

Наиболее распространенный материал для электрического провода — медь и алюминий , это не самые лучшие проводники, но они многочисленны и дешевы. Золото также используется в различных областях, поскольку оно устойчиво к коррозии. Золото используется в электронике автомобильных подушек безопасности, чтобы гарантировать, что устройство будет функционировать много лет спустя, несмотря на воздействие вредных элементов.

Вверху: золото, использованное в разъемы для микросхем Motorola

Золото обычно используется в контакте области, потому что эта точка в системе более подвержена коррозии и имеет больший окислительный потенциал.

Алюминий обернутый вокруг стального центрального провода используется в передаче энергии, потому что алюминий дешевле меди и не подвержен коррозии. Стальной центр используется просто для прочности, чтобы удерживать проволоку на длинных участках. Выше типичный кабель ACSR, используемый в воздушных линиях электропередач по всему миру.

Хорошие проводники, твердое вещество при комнатной температуре:

Платина, серебро, золото, медь, алюминий

4.) ИЗОЛЯЦИЯ ПРОВОДА:

Слева: Для эффективного обмотки двигателя или генератора должны быть плотно упакованы вместе, минимизация воздушных пространств. Провода, используемые в двигателях и генераторах, обычно покрыты эмалью, чтобы обмотки плотно прилегали друг к другу. Традиционная резиновая или полимерная изоляция сделает провод диаметром толще, это одна из причин, почему старые электродвигатели были больше и тяжелее современных моторов такой же мощности.

Смотрите, как провод двигателя упакован и намотан в современный асинхронные двигатели в нашем видео здесь.

Узнать больше о все поле электроизоляция на нашей странице здесь.


Практическое упражнение: Сжечь мотор!

Вы заметили что когда моторчик игрушки сильно нагревается, он пахнет? Это испарение изоляции.Тепло разрушает все виды изоляции в конечном итоге, и в обмотке двигателя, когда изоляция становится слабой. два провода рядом друг с другом будут короткими, это приведет к возникновению дуги. и устройство сгорает.

Если взять маленький мотор, о котором вы не заботитесь, вы можете намеренно сжечь его посмотреть, что происходит с обмотками. Вы можете сделать это, поставив напряжение, превышающее рекомендованное, через устройство или при работе мотор горячий в течение длительного периода времени.Проконсультируйтесь с электриком или инженер, чтобы безопасно выполнить это упражнение.


Статья, фото и видео М. Велана и В. Корнрумпфа

Источники:
Государственный университет Джорджии
Википедия
Волшебники Скенектади Карл Роснер. Технический центр Эдисона.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *