Чем больше напряжение тем больше сопротивление: Чем больше ток тем меньше напряжение – Чем больше сила тока тем больше напряжение, верно?

Содержание

Закон Ома

Закон Ома – Один из самых применяемых законов в электротехнике. Данный закон раскрывает связь между тремя важнейшими величинами: силой тока, напряжением и сопротивлением. Выявил эту связь Георгом Омом в 1820-е годы именно поэтому этот закон и получил такое название.

Формулировка закона Ома следующая:
Величина силы тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению, приложенному к этому участку, и обратно пропорциональна его сопротивлению.

Эту зависимость можно выразить формулой:

I=U/R

Где I – сила тока, U — напряжение, приложенное к участку цепи, а R — электрическое сопротивление участка цепи.
Так, если известны две из этих величин можно легко вычислить третью.
Понять закон Ома можно на простом примере. Допустим, нам необходимо вычислить сопротивление нити накаливания лампочки фонарике и нам известны величины напряжения работы лампочки и сила тока, необходимая для ее работы (сама лампочка, чтобы вы знали имеет переменное сопротивление, но для примера примем его как постоянное).

Для вычисления сопротивления необходимо величину напряжения разделить на величину силы тока. Как же запомнить формулу закона Ома, чтобы правильно провести вычисления? А сделать это очень просто! Вам нужно всего лишь сделать себе напоминалку как на указанном ниже рисунке.
Теперь закрыв рукой любую из величин вы сразу поймете, как ее найти. Если закрыть букву I, становится ясно, что чтобы найти силу тока нужно напряжение разделить на сопротивление.
Теперь давайте разберемся, что значат в формулировке закона слова « прямо пропорциональна и обратно пропорциональна. Выражение «величина силы тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению, приложенному к этому участку» означает, что если на участке цепи увеличится напряжение, то и сила тока на данном участке также увеличится. Простыми словами, чем больше напряжение, тем больше ток. И выражение «обратно пропорциональна его сопротивлению» значит, что чем больше сопротивление, тем меньше будет сила тока.
Рассмотрим пример с работой лампочки в фонарике. Допустим, что для работы фонарика нужны три батарейки, как показано на схеме ниже, где GB1 — GB3 — батарейки, S1 — выключатель, HL1 — лампочка.

Примем, что сопротивление лампочки условно постоянно, хотя нагреваясь её сопротивление увеличивается. Яркость лампочки будет зависеть от силы тока, чем она больше, тем ярче горит лампочка. А теперь, представьте, что вместо одной батарейки мы вставили перемычку, уменьшив тем самым напряжение.
Что случится с лампочкой?
Она будет светить более тускло (сила тока уменьшилась), что подтверждает закон Ома:
чем меньше напряжение, тем меньше сила тока.

Вот так просто работает этот физический закон, с которым мы сталкиваемся в повседневной жизни.
Бонус специально для вас шуточная картинка не менее красочно объясняющая закон Ома.

Это была обзорная статья. Более подробно об этом законе, мы говорим в следующей статье “Закон Ома для участка цепи”, рассматривая всё на других более сложных примерах.

Если не получается с физикой, английский для детей (http://www. anylang.ru/order-category/?slug=live_language) как вариент альтернативного развития.


Если материал был полезен, вы можете отправить донат или поделиться данным материалом в социальных сетях:

Чем больше напряжение электрического тока, тем он опаснее для человека

С детского сада нас учат: в электрической розетке ток высоко­го напряжения и, засунув туда палец или что-нибудь железное, мы рискуем навсегда покинуть этот мир.

Поэтому у современного человека вырабатывается стойкое убеждение о том, что чем выше напряжение электрического тока, тем более он опасен для чело­века. С одной стороны, это верно, а с другой — нет, потому что необходимо учитывать не только напряжение, но и силу тока.

Электрический ток, текущий в любых проводниках или средах, характеризуется двумя основными характеристиками: напряжением (разностью потенциалов) и силой тока. Необходимо заметить, что у тока гораздо больше параметров, но именно его сила и напряжение имеют важное практическое значение, так что чаще всего говорят именно о них.



Сила тока — это количество заряда (или пропорциональное количество электронов), прошедшее через поперечное сечение проводника за определенное время. Как известно, сила тока из­меряется в амперах — эта единица измерения названа в честь французского ученого Андре-Мари Ампера, изучавшего электри­ческие явления в начале XIX века.

Напряжение тока — это разность электрических потенциалов, заставляющая электроны двигаться по проводнику. Вообще, определение понятия «напряжение» гораздо сложнее, но в общем случае напряжение показывает, какую по величине работу может совершить электрическое поле при переносе электрического заряда. Эта единица названа в честь итальянского ученого Алессандро Вольта, фактически заложившего на рубеже XVIII-XIX ве­ков основу науки об электричестве.

Эти две величины — сила тока и напряжение — взаимосвязаны, и в любом источнике тока или проводнике есть и ток, и на­пряжение. Тесную связь между ними в начале XIX века установил немецкий физик Георг Ом — сейчас она известна нам как закон Ома. Закон гласит, что сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

Именно из-за закона Ома и нельзя говорить о том, что при повышении напряжения электрический ток становится бо­лее опасным для человека. Да, часто это именно так и бывает, но далеко не всегда — мы сталкиваемся со случаями, когда даже напряжение в 10 000 вольт не наносит никакого вреда, о чем будет сказано дальше.

Интересно, что в розетке, к которой ничего не подключено, никакого тока нет — есть только напряжение. Это естественно вытекает из закона Ома — пока два проводника не соединены, между ними бесконечно большое сопротивление, а значит, бесконечно малый ток. Но ток потечет сразу же, как проводни­ки соединятся друг с другом или через электрический прибор. И чем меньше сопротивление, тем больше будет ток, а напряжение будет оставаться неизменным.

Сопротивление человеческого тела может меняться от 200-300 до 15 000-20 000 и более ом (все зависит от влажности, температуры окружающей среды, даже от эмоционального состояния), поэтому при контакте с током напряжением 220 вольт через разные части тела может пробегать ток силой от тысячных до десятых долей ампера.

Установлено, что человек начинает чувствовать воздействие тока силой от 0,001 ампер, токи в 0,01-0,05 ампер уже являются опасными, а ток выше 0,05 ампер может привести к смерти. Что касается напряжений, то опасность представляют величины от 40 вольт. Однако при некоторых условиях и 10-15 вольт могут стать смертельными, поэтому, например,

в лабораториях или учебных классах используют ток напряжением 12 вольт.

Как говорилось выше, иногда высокие напряжения оказываются совершенно безопасными для человека. Нетрудно догадать­ся, что это может случиться при очень малых токах и больших сопротивлениях. Например, известные всем пьезокристаллы (применяющиеся в зажигалках или в устройствах поджига в газовых плитах) могут создавать напряжение в десятки тысяч вольт, однако их действие на человека сводится лишь к кратковременному уколу. Все дело в том, что через искру при высоком напряжении протекает ток в миллионные доли ампера, а связано это с кратковременностью процесса — искра «живет» считанные доли секунды.

Подводя итог, можно сказать, что не всегда корректно говорить о том, что при повышении напряжения ток становится бо­лее опасным для человека. В некоторых условиях опасным может стать напряжение 10-15 вольт; и, напротив, токи напряжением 10 000 вольт могут не наносить абсолютно никакого вреда, потому что всегда необходимо учитывать не только напряжение, но и силу электрического тока.

Напряжение, как его понизить и повысить

Электрическое напряжение между точками A и B электрической цепи или электрического поля — физическая величина, значение которой равно работе эффективного электрического поля (включающего сторонние поля), совершаемой при переносе единичного пробного электрического заряда из точки A в точку B.

Напряжение и сила тока – две основных величины в электричестве. Кроме них выделяют и ряд других величин: заряд, напряженность магнитного поля, напряженность электрического поля, магнитная индукция и другие. Практикующему электрику или электронщику в повседневной работе чаще всего приходится оперировать именно напряжением и током – Вольтами и Амперами. В этой статье мы расскажем именно о напряжении, о том, что это такое и как с ним работать.

Определение физической величины

Напряжение это разность потенциалов между двумя точками, характеризует выполненную работу электрического поля по переносу заряда из первой точки во вторую. Измеряется напряжение в Вольтах. Значит, напряжение может присутствовать только между двумя точками пространства. Следовательно, измерить напряжение в одной точке нельзя.

Потенциал обозначается буквой “Ф”, а напряжение буквой “U”. Если выразить через разность потенциалов, напряжение равно:

U=Ф1-Ф2

Если выразить через работу, тогда:

U=A/q,

где A – работа, q – заряд.

Измерение напряжения

Напряжение измеряется с помощью вольтметра. Щупы вольтметра подключают на две точки напряжение, между которыми нас интересует, или на выводы детали, падение напряжения на которой мы хотим измерить. При этом любое подключение к схеме может влиять на её работу. Это значит, что при добавлении параллельно элементу какой-либо нагрузки ток в цепи изменить и напряжение на элементе измениться по закону Ома.

Вывод:

Вольтметр должен обладать максимально высоким входным сопротивлением, чтобы при его подключении итоговое сопротивление на измеряемом участке оставалось практически неизменным. Сопротивление вольтметра должно стремиться к бесконечности, и чем оно больше, тем большая достоверность показаний.

На точность измерений (класс точности) влияет целый ряд параметров. Для стрелочных приборов – это и точность градуировки измерительной шкалы, конструктивные особенности подвеса стрелки, качество и целостность электромагнитной катушки, состояние возвратных пружин, точность подбора шунта и прочее.

Для цифровых приборов – в основном точность подбора резисторов в измерительном делителе напряжения, разрядность АЦП (чем больше, тем точнее), качество измерительных щупов.

Для измерения постоянного напряжения с помощью цифрового прибора (например, мультиметра), как правило, не имеет значения правильность подключения щупов к измеряемой цепи. Если вы подключите положительный щуп к точке с более отрицательным потенциалом, чем у точки, к которой подключен отрицательный щуп – то на дисплее перед результатом измерения появится знак “–”.

А вот если вы меряете стрелочным прибором нужно быть внимательным, При неправильном подсоединении щупов стрелка начнет отклоняться в сторону нуля, упрется в ограничитель. При измерении напряжений близких к пределу измерений или больше она может заклинить или погнуться, после чего о точности и дальнейшей работе этого прибора говорить не приходится.

Для большинства измерений в быту и в электронике на любительском уровне достаточно и вольтметра встроенного в мультиметры типа DT-830 и подобных.

Чем больше измеряемые значения – тем ниже требования к точности, ведь если вы измеряете доли вольта и у вас погрешность в 0.1В – это существенно исказит картину, а если вы измеряете сотни или тысяч вольт, то погрешность и в 5 вольт не сыграет существенной роли.

Что делать если напряжение не подходит для питания нагрузки

Для питания каждого конкретного устройства или аппарата нужно подать напряжение определенной величины, но случается, так что имеющийся у вас источник питания не подходит и выдает низкое или слишком высокое напряжение. Решается эта проблема разными способами, в зависимости от требуемой мощности, напряжения и силы тока.

Как понизить напряжение сопротивлением?

Сопротивление ограничивает ток и при его протекании падает напряжение на сопротивление (токоограничивающий резистор). Такой способ позволяет понизить напряжение для питания маломощных устройств с токами потребления в десятки, максимум сотни миллиампер.

Примером такого питания можно выделить включение светодиода в сеть постоянного тока 12 (например, бортовая сеть автомобиля до 14.7 Вольт). Тогда, если светодиод рассчитан на питание от 3.3 В, током в 20 мА, нужен резистор R:

R=(14.7-3.3)/0.02)= 570 Ом

Но резисторы отличаются по максимальной рассеиваемой мощности:

P=(14.7-3.3)*0.02=0.228 Вт

Ближайший по номиналу в большую сторону – резистор на 0.25 Вт.

Именно рассеиваемая мощность и накладывает ограничение на такой способ питания, обычно мощность резисторов не превышает 5-10 Вт. Получается, что если нужно погасить большое напряжение или запитать таким образом нагрузку мощнее, придется ставить несколько резисторов т.к. мощности одного не хватит и ее можно распределить между несколькими.

Способ снижения напряжения резистором работает и в цепях постоянного тока и в цепях переменного тока.

Недостаток – выходное напряжение ничем нестабилизировано и при увеличении и снижении тока оно изменяется пропорционально номиналу резистора.

Как понизить переменное напряжение дросселем или конденсатором?

Если речь вести только о переменном токе, то можно использовать реактивное сопротивление. Реактивное сопротивление есть только в цепях переменного тока, это связно с особенностями накопления энергии в конденсаторах и катушках индуктивности и законами коммутации.

Дроссель и конденсатор в переменном токе могут быть использованы в роли балластного сопротивления.

Реактивное сопротивление дросселя (и любого индуктивного элемента) зависит от частоты переменного тока (для бытовой электросети 50 Гц) и индуктивности, оно рассчитывается по формуле:

где ω – угловая частота в рад/с, L-индуктивность, 2пи – необходимо для перевода угловой частоты в обычную, f – частота напряжения в Гц.

Реактивное сопротивление конденсатора зависит от его емкости (чем меньше С, тем больше сопротивление) и частоты тока в цепи (чем больше частота, тем меньше сопротивление). Его можно рассчитать так:

Пример использования индуктивного сопротивление – это питание люминесцентных ламп освещения, ДРЛ ламп и ДНаТ. Дроссель ограничивает ток через лампу, в ЛЛ и ДНаТ лампах он используется в паре со стартером или импульсным зажигающем устройством (пусковое реле) для формирования всплеска высокого напряжения включающего лампу. Это связано с природой и принципом работы таких светильников.

А конденсатор используют для питания маломощных устройств, его устанавливают последовательно с питаемой цепью. Такой блок питания называется “бестрансфоматорный блок питания с балластным (гасящим) конденсатором”.

Очень часто встречают в качестве ограничителя тока заряда аккумуляторов (например, свинцовых) в носимых фонарях и маломощных радиоприемниках. Недостатки такой схемы очевидны – нет контроля уровня заряда аккумулятора, их выкипание, недозаряд, нестабильность напряжения.

Как понизить и стабилизировать напряжение постоянного тока

Чтобы добиться стабильного выходного напряжения можно использовать параметрические и линейные стабилизаторы. Часто их делают на отечественных микросхемах типа КРЕН или зарубежных типа L78xx, L79xx.

Линейный преобразователь LM317 позволяет стабилизировать любое значение напряжения, он регулируемый до 37В, вы можете сделать простейший регулируемый блок питания на его основе.

Если нужно незначительно снизить напряжение и стабилизировать его описанные ИМС не подойдут. Чтобы они работали должна быть разница порядка 2В и более. Для этого созданы LDO(low dropout)-стабилизаторы. Их отличие заключается в том, что для стабилизации выходного напряжение нужно, чтобы входное его превышало на величину от 1В. Пример такого стабилизатора AMS1117, выпускается в версиях от 1.2 до 5В, чаще всего используют версии на 5 и 3.3В, например в платах Arduino и многом другом.

Конструкция всех вышеописанных линейных понижающих стабилизаторов последовательного типа имеет существенный недостаток – низкий КПД. Чем больше разница между входным и выходным напряжением – тем он ниже. Он просто «сжигает» лишнее напряжение, переводя его в тепло, а потери энергии равны:

Pпотерь = (Uвх-Uвых)*I

Компания AMTECH выпускает ШИМ аналоги преобразователей типа L78xx, они работают по принципу широтно-импульсной модуляции и их КПД равен всегда более 90%.

Они просто включают и выключают напряжение с частотой до 300 кГц (пульсации минимальны). А действующее напряжение стабилизируется на нужном уровне. А схема включения аналогичная линейным аналогам.

Как повысить постоянное напряжение?

Для повышения напряжения производят импульсные преобразователи напряжения. Они могут быть включены и по схеме повышения (boost), и понижения (buck), и по повышающе-понижающей (buck-boost) схеме. Давайте рассмотрим несколько представителей:

1. Плата на базе микросхемы XL6009

2. Плата на базе LM2577, работает на повышение и понижение выходного напряжения.

3. Плата преобразователь на FP6291, подходит для сборки 5 V источника питания, например powerbank. С помощью корректировке номиналов резисторов может перестраиваться на другие напряжения, как и любые другие подобные преобразователь – нужно корректировать цепи обратной связи.

4. Плата на базе MT3608

Здесь всё подписано на плате – площадки для пайки входного – IN и выходного – OUT напряжения. Платы могут иметь регулировку выходного напряжения, а в некоторых случая и ограничения тока, что позволяет сделать простой и эффективный лабораторный блок питания. Большинство преобразователей, как линейных, так и импульсных имеют защиту от КЗ.

Как повысить переменное напряжение?

Для корректировки переменного напряжения используют два основных способа:

1. Автотрансформатор;

2. Трансформатор.

Автотрансформатор – это дроссель с одной обмоткой. Обмотка имеет отвод от определенного количества витков, так подключаясь между одним из концов обмотки и отводом, на концах обмотки вы получаете повышенное напряжение во столько раз, во сколько соотносится общее количество витков и количество витков до отвода.

Промышленностью выпускаются ЛАТРы – лабораторные автотрансформаторы, специальные электромеханические устройства для регулировки напряжения. Очень широко применение они нашли в разработке электронных устройств и ремонте источников питания. Регулировка достигается за счет скользящего щеточного контакта, к которому подключается питаемое устройство.

Недостатком таких устройств является отсутствие гальванической развязки. Это значит, что на выходных клеммах может запросто оказаться высокое напряжение, отсюда опасность поражения электрическим током.

Трансформатор – это классический способ изменения величины напряжения. Здесь есть гальваническая развязка от сети, что повышает безопасность таких установок. Величина напряжения на вторичной обмотке зависит от напряжений на первичной обмотки и коэффициента трансформации.

Uвт=Uперв*Kтр

Kтр=N1/N2

Отдельный вид – это импульсные трансформаторы. Они работают на высоких частотах в десятки и сотни кГц. Используются в подавляющем большинстве импульсных блоках питания, например:

– Зарядное устройство вашего смартфона;

– Блок питания ноутбука;

– Блок питания компьютера.

За счет работы на большой частоте снижаются массогабаритные показатели, они в разы меньше чем у сетевых (50/60 Гц) трансформаторов, количество витков на обмотках и, как следствие, цена. Переход на импульсные блоки питания позволил уменьшить габариты и вес всей современной электроники, снизить её потребление за счет увеличения кпд (в импульсных схемах 70-98%).

В магазинах часто встречаются электронные траснформаторы, на их вход подаётся сетевое напряжение 220В, а на выходе например 12 В переменное высокочастотное, для использования в нагрузке которая питается от постоянного тока нужно дополнительно устанавливать на выход диодный мост из высокоскоростных диодов.

Внутри находится импульсный трансформатор, транзисторные ключи, драйвер, или автогенераторная схема, как изображена ниже.

Достоинства – простота схемы, гальваническая развязка и малые размеры.

Недостатки – большинство моделей, что встречаются в продаже, имеют обратную связь по току, это значит что без нагрузки с минимальной мощностью (указано в спецификациях конкретного прибора) он просто не включится. Отдельные экземпляры оборудованы уже ОС по напряжению и работают на холостом ходу без проблем.

Используются чаще всего для питания 12В галогенных ламп, например точечные светильники подвесного потолка.

Заключение

Мы рассмотрели базовые сведения о напряжении, его измерении, а также регулировки. Современная элементная база и ассортимент готовых блоков и преобразователей позволяет реализовывать любые источники питания с необходимыми выходными характеристиками. Подробнее о каждом из способов можно написать отдельную статью, в пределах этой я постарался уместить базовые сведения, необходимые для быстрого подбора удобного для вас решения.

Ранее ЭлектроВести писали о топе-5 самых безумных батарей будущего

По материалам: electrik.info.

 

Закон Ома

— пожалуй самый наиболее используемый закон в электронике.

Многих начанаяющих отпугивает его строгая книжная формулировка, за которой кроется простота его применения.

Закон Ома гласит: величина тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению, приложенному к этому участку, и обратно пропорциональна его сопротивлению:

 

U=IxR; R=U/I; I=U/R;
где I – это ток в цепи, измеряется в Амперах
   U – это напряжение, измеряется в Вольтах
   R – это сопротивление, измеряется в Омах

Данная формула очень проста, чтобы было проще её запомнить, вы можете нарисовать себе на лююбом листке бумаги треугольник, котрый вы видите ниже. Это магический треугольник закона Ома — закрыв величину, которую вам необходимо найти, на оставшейся части треугольника вы увидите необходимую вам формулу.

 

 

например, мы знаем рабочий ток и напряжение лампы (на лампочках для фонариков они указываются прямо на цоколе). Как же найти сопротивление нити накаливания этой лампы? Все просто, закрываем сопротивление в треугольнике и видим, что остается напряжение деленное на ток:

Дано:

Источник тока 6.3 В (Вольта) (Аккамулятор)

Лампа на 6.3 Вольта, 100 мА (мили Ампер)

 

Согластно формуле получаем ответ: 6.3/100 = 0.63 Верблюда.

 

Лирическое отступление 1:

Почему верблюды? Да потому что Вольты нужно делить на амперы, а мили Волты делить на мили амперы, а микро Вольты делать на микро Амперы. При несоблюдении данного условия итог у нас будет выражен верюлюдами и кол-вом съеденных вашей бабушкой яблок, на её шестнадцатилетие.

 

Ну так вот, сделаем правильно – 6.3 В / 0.1 А,если кому понравится 6300 мВ делим на 100 мА – должен получится искомый результат. А ежли уж и совсем невтерпёж всё это можно перевести микро Вольты и микро Амперы.

Лирическое отступление 2:

Для пытливых умов будет нелишним знать, что полученный результат будет верен для работающей (включенной) лампочки. Сопротивление же холодной нити накала будет гораздо меньше.

 

Лирическое отступление 3:

Кстати лампы накаливания иногда используются как стабилизаторы тока.

 

Чтобы лучше понять слова напряжение, сопротивление приведу пример:

Представим насос, у которого есть вход и выход для воды – пусть это будет у нас источником тока с производительностью 12 литров воды… Извиняюсь – 12 Вольт. Далее трубой соединяем вход с выходом помпы и заливаем в систему воду. Итак, мы получаем самую простую гидравлическую систему. Когда насос включен, вода начинает циркулировать по кругу, чем больше мы даем мощности насосу, тем быстрее эта вода циркулирует. Так вот в данном случае скорость воды на определенном участке – это ток, а толщина трубы, от которой зависит сколько воды пройдет через её сечение это сопротивление цепи, а напряжение это количество этой воды во всей системе, являющееся по своей сути мощностью насоса, выраженной в литрах на отрезок времени.

 


Данный пример я привел в качестве показательного и все характеристики цепи нельзя представить в виде воды и помпы.

Теперь есть такое понятие как мощность, P – эта величина характеризует количественный показатель выполняемой работы так сказать. P = UxI; P = I2xR, тоесть ток в квадрате.

 

А теперь давайте разберемся, что же это все-таки значат все эти примудрости в простой форумуле, а именно, два сложноватых для понимания выражения: прямо пропорциональна и обратно пропорциональна.

Что же значит «величина тока прямо пропорциональна напряжению»? А это значит, что при увеличении напряжения цепи, увеличивается и сила тока. То есть, чем больше напряжение, тем больше ток. Всё это справедливо для участка цепи при неменяющимся напряжении.

Что касается «обратно пропорциональна его сопротивлению», то здесь все наоборот. Чем больше сопротивление цепи, тем меньше в ней ток. Это справедливо при неизменяющимся сопротивлении.

Рассматривая этот закон применительно к фонарику с лампой накаливания и тремя круглыми батарейками начертаем схему:

 

Электрическая схема фонарикус-вульгарус (фонарик обыкновенный):

GB1 — GB3 — источник тока (три батарейки)

S1 — выключатель

HL1 — лампочка

Согластно закону Ома: величина тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению, приложенному к этому участку, и обратно пропорциональна его сопротивлению. Рассмотрим участок цепи, состоящий их лампочки.

Теперь простой вопрос: от чего зависит яркость лампочки? Правильно — от силы тока, проходящего через нить накаливания этой лампочки. То есть яркость свечения лампочки мы можем использовать как наглядный показатель силы тока в цепи фонарика.

И действительно, какова будет яркость лампочки если заменить одну батарейку перемычкой?

«Естественно… она будет гореть тусклее!» — скажите Вы и будете правы. Вот собственно это и есть демонстрация фразы: «величина тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению». Чем больше батареек мы подключим (то есть чем большее напряжение приложим) к одной и той же лампочке, тем ярче она будет гореть ( и тем больший ток по ней протекает).

Суть электрического сопротивления, что такое сопротивление электрического тока, его природа.

Многие слышали о таком понятии, встречаемом и широко используемом в сфере электричества, как электрическое сопротивление. Но не все знают, какова же природа его. В чём заключается суть, и что вообще оно собой представляет, от чего зависит. Предлагаю в этой статье разобраться, что же такое сопротивление тока. И так, под электрическим сопротивлением подразумевают две вещи. В одном понимании это физическая величина, в другом же, это электрический компонент, деталь, элемент.

Теперь про то, в чём именно заключается суть сопротивления тока. А начнём мы с основы, строения атома, его кристаллической решетки, и движения электричества внутри электрического проводника. Напомню, что атом является мельчайшей частицей вещества. Он устроен следующим образом: в центре находится так называемое ядро, состоящее из более мелких частиц, протонов и нейтронов. Вокруг этого атомного ядра с огромной скоростью вращаются еще одни частицы, называемые электронами (по размерам они гораздо меньше ядра).

Ядро атома имеет положительный электрический заряд (плюс), а электроны, соответственно, отрицательный заряд (минус). Любое вещество представлено множеством атомов, которые имеют свою определенную структурированность, именуемая таким понятием как кристаллическая решётка (если говорить о твердом состоянии вещества). Но перед тем как перейти к сути сопротивления тока стоит ещё добавить, что то пространство, по которому носятся электроны называется орбитой электрона (орбиталями). У разных веществ количество орбит может быть разным, и располагаются они одна выше другой (как луковица).

На самой отдалённой электронной орбите сила притяжения электрона к ядру атома минимально, что способствует легкому отрыву электрона от неё и перехода его к соседнему атому. В этом заключается суть движения электрических зарядов внутри вещества (проводника тока).

Когда мы подключаем к проводнику источник тока, прилаживая к его концам определенную разность потенциалов (электрическое напряжение), мы заставляем электроны упорядоченно двигаться с одного полюса источника энергии к другому. Возникает электрический ток зарядов внутри проводника, его кристаллической решетки.

А теперь уж можно перейти к вопросу о электрическом сопротивлении тока, его сути. И так, при прохождении электрических зарядов внутри проводника электроном не приходится двигаться по прямой траектории, их движения скорей напоминает перескоки с одного атома на другой. Естественно, что при таком движении будет расходоваться некоторая энергия (на преодоление препятствий). Кроме этого стоит учесть, что атомы не стоят на месте, они имеют свое внутреннее хаотическое движение внутри кристаллической решетки вещества. А чем больше это движение (зависящие также от температуры, чем она выше, тем движение атомов интенсивнее), тем большее препятствие возникает перед перемещением зарядов. Именно это препятствие движению тока и называется электрическим сопротивлением.

Также существует такое понятие как сверхпроводимость. Это когда электрическое сопротивление тока приравнивается к нулю. Электрический ток бежит по проводнику без потерь. Так сказать идеальный проводник. Этого эффекта можно достичь если определённые вещества довести до температуры абсолютного нуля (273 градуса по Цельсию). А как известно из физики, при сверхнизких температурах движения атома внутри кристаллической решетки вещества практически прекращается. На пути движения электронов, электрического тока заряженных частиц нет препятствий, что и дает эффект сверхпроводимости.

Электрическое сопротивление зависит от таких фундаментальных электрических величин как сила тока и напряжение. Все эти три электрические характеристики объединены общим законом, который называется закон Ома (сила тока равна напряжение деленное на сопротивление). Зависимость этой троицы следующая: чем больше сопротивление электрической цепи, тем меньше будет сила тока, при равном напряжении питания. Чем больше напряжение мы прилаживаем к цепи, тем больше сила тока будет протекать, при равном сопротивлении цепи. То есть, чем больше сопротивление, тем меньше сила тока, и наоборот. У сопротивления тока имеется своя единица измерения, это Ом (1 килоом равен 1000 ом). 1 Ом равен 1 Вольт поделить на 1 Ампер.

Это мы разобрали суть электрического сопротивления тока, как физической величины. Но очень часто говоря о сопротивлении подразумевается конкретная материальная вещь, деталь, функциональный элемент. То есть, обычный электрический резистор называют сопротивлением, поскольку прямое назначение этой детали заключается именно в образовании электрического сопротивления в определенной части цепи. Электрическое сопротивление тока ещё бывает активным и реактивным. Активное сопротивление существует у всех резистивных элементах (проводники имеющие нагревательную способность). Реактивным сопротивлением обладают различные катушки и емкости. Но про это уже в другой теме.

P.S. У новичка может возникнуть такой закономерный вопрос. Зачем нужно специально ставить сопротивление в электрическую цепь, ведь его суть заключается в препятствии движению тока? Нужно, даже необходимо, Так же, как и наличие у машины тормозов. Когда возникает необходимость снижению скорости или остановки без тормозов просто не обойтись. Примерно также, и в сфере электрики, электроники. В некоторых местах электрической цепи нужно наличие именно меньшего напряжения и тока, чем на входе источника питания, что и делает резистор (сопротивление).

Как вычислить сопротивление проводника формула. Расчет сопротивлений проводов

Электричество само по себе невидимо, хотя от этого его опасность ничуть не меньше. Даже наоборот: как раз потому и опаснее. Ведь если бы мы его видели, как видим, например, воду, льющуюся из крана, то наверняка бы избежали множества неприятностей.

Вода. Вот она, водопроводная труба, и вот закрытый кран. Ничего не течет, не капает. Но мы точно знаем: внутри вода. И если система исправно работает, то вода эта там находится под давлением. 2, 3 атмосферы, или сколько там? Неважно. Но давление там есть, иначе система бы не работала. Где-то гудят насосы, гонят воду в систему, создают это самое давление.

А вот наш провод электрический. Где-то далеко, на другом конце тоже гудят генераторы, вырабатывают электричество. И в проводе от этого тоже давление… Нет-нет, не давление, конечно, тут в этом проводе напряжение . Оно тоже измеряется, но в своих единицах: в вольтах.

Давит в трубах на стенки вода, никуда не двигаясь, ждет, когда найдется выход, чтобы ринуться туда мощным потоком. И в проводе молча ждет напряжение, когда замкнется выключатель, чтобы потоки электронов двинулись выполнять свое предназначение.

И вот открылся кран, потекла струя воды. По всей трубе течет, двигаясь от насоса к расходному крану. А как только замкнулись контакты выключателя, в проводах потекли электроны. Что это за движение? Это ток . Электроны текут . И это движение, этот ток тоже имеет свою единицу измерения: ампер.

И еще есть сопротивление . Для воды это, образно говоря, размер отверстия в выпускном кране. Чем больше отверстие, тем меньше сопротивление движению воды. В проводах почти также: чем больше сопротивление провода, тем меньше ток.

Вот, как-то так, если образно представлять себе основные характеристики электричества. А с точки зрения науки все строго: существует так называемый закон Ома. Гласит он следующим образом: I = U/R .
I – сила тока. Измеряется в амперах.
U – напряжение. Измеряется в вольтах.
R – сопротивление. Измеряется в омах.

Есть еще одно понятие – мощность, W. С ним тоже просто: W = U*I . Измеряется в ваттах.

Собственно, это вся необходимая и достаточная для нас теория. Из этих четырех единиц измерения в соответствии с вышеприведенными двумя формулами можно вывести некоторое множество других:

Задача Формула Пример
1 Узнать силу тока, если известны напряжение и сопротивление. I = U/R I = 220 в / 500 ом = 0.44 а.
2 Узнать мощность, если известны ток и напряжение. W = U*I W = 220 в * 0.44 а = 96.8 вт.
3 Узнать сопротивление, если известны напряжение и ток. R = U/I R = 220 в / 0.44 а = 500 ом.
4 Узнать напряжение, если известны ток и сопротивление. U = I*R U = 0.44 а * 500 ом = 220 в.
5 Узнать мощность, если известны ток и сопротивление. W = I 2 *R W = 0.44 а * 0.44 а * 500 ом = 96.8 вт.
6 Узнать мощность, если известны напряжение и сопротивление. W = U 2 /R W = 220 в * 220 в / 500 ом = 96.8 вт.
7 Узнать силу тока, если известны мощность и напряжение. I = W/U I = 96.8 вт / 220 в = 0,44 а.
8 Узнать напряжение, если известны мощность и ток. U = W/I U = 96.8 вт / 0.44 а = 220 в.
9 Узнать сопротивление, если известны мощность и напряжение. R = U 2 /W R = 220 в * 220 в / 96.8 вт = 500 ом.
10 Узнать сопротивление, если известны мощность и ток. R = W/I 2 R = 96.8 вт / (0,44 а * 0,44 а) = 500 ом.

Ты скажешь: – Зачем мне это все надо? Формулы, цифры… Я ж не собираюсь заниматься расчетами.

А я так отвечу: – Перечитай предыдущую статью . Как можно быть уверенным, не зная простейших истин и расчетов? Хотя, собственно, в бытовом практическом плане наиболее интересна только формула 7, где определяется сила тока при известных напряжении и мощности. Как правило, эти 2 величины известны, а результат (сила тока) безусловно необходим для определения допустимого сечения провода и для выбора защиты .

Есть еще одно обстоятельство, о котором следует упомянуть в контексте этой статьи. В электроэнергетике используется так называемый “переменный” ток. То есть, те самые электроны движутся в проводах не всегда в одном направлении, они постоянно меняют его: вперед-назад-вперед-назад… И эта смена направления движения – 100 раз в секунду.

Погоди, но ведь везде говорится, что частота 50 герц! Да, именно так и есть. Частота измеряется в количестве периодов за секунду, но в каждом периоде ток меняет свое направление дважды. Иначе сказать, в одном периоде две вершины, которые характеризуют максимальное значение тока (положительное и отрицательное), и именно в этих вершинах происходит смена направления.

Не будем вдаваться в подробности более глубоко, но все же: почему именно переменный, а не постоянный ток?

Вся проблема в передаче электроэнергии на большие расстояния. Тут как раз вступает в силу неумолимый закон Ома. При больших нагрузках, если напряжение 220 вольт, сила тока может быть очень большой. Для передачи электроэнергии с таким током потребуются провода очень большого сечения.

Выход здесь только один: поднять напряжение. Седьмая формула говорит: I = W/U . Совершенно очевидно, что если мы будем подавать напряжение не 220 вольт, а 220 тысяч вольт, то сила тока уменьшится в тысячу раз. А это значит, что сечение проводов можно взять намного меньше.

Поиск по сайту.
Вы можете изменить поисковую фразу.

Элементы электрической цепи можно соединить двумя способами. Последовательное соединение подразумевает подключение элементов друг к другу, а при параллельном соединении элементы являются частью параллельных ветвей. Способ соединения резисторов определяет метод вычисления общего сопротивления цепи.

Шаги

Последовательное соединение

    Определите, является ли цепь последовательной. Последовательное соединение представляет собой единую цепь без каких-либо разветвлений. Резисторы или другие элементы расположены друг за другом.

    Сложите сопротивления отдельных элементов. Сопротивление последовательной цепи равно сумме сопротивлений всех элементов, входящих в эту цепь. Сила тока в любых частях последовательной цепи одна и та же, поэтому сопротивления просто складываются.

  • Например, последовательная цепь состоит из трех резисторов с сопротивлениями 2 Ом, 5 Ом и 7 Ом. Общее сопротивление цепи: 2 + 5 + 7 = 14 Ом.
  • Если сопротивление каждого элемента цепи не известно, воспользуйтесь законом Ома: V = IR, где V – напряжение, I – сила тока, R – сопротивление. Сначала найдите силу тока и общее напряжение.

    Подставьте известные значения в формулу, описывающую закон Ома. Перепишите формулу V = IR так, чтобы обособить сопротивление: R = V/I. Подставьте известные значения в эту формулу, чтобы вычислить общее сопротивление.

    • Например, напряжение источника тока равно 12 В, а сила тока равна 8 А. Общее сопротивление последовательной цепи: R O = 12 В / 8 А = 1,5 Ом.

    Параллельное соединение

    1. Определите, является ли цепь параллельной. Параллельная цепь на некотором участке разветвляется на несколько ветвей, которые затем снова соединяются. Ток течет по каждой ветви цепи.

      Вычислите общее сопротивление на основе сопротивления каждой ветви. Каждый резистор уменьшает силу тока, проходящего через одну ветвь, поэтому она оказывает небольшое влияние на общее сопротивление цепи. Формула для вычисления общего сопротивления: , где R 1 – сопротивление первой ветви, R 2 – сопротивление второй ветви и так далее до последней ветви R n .

      • Например, параллельная цепь состоит из трех ветвей, сопротивления которых равны 10 Ом, 2 Ом и 1 Ом.
        Воспользуйтесь формулой 1 R O = 1 10 + 1 2 + 1 1 {\displaystyle {\frac {1}{R_{O}}}={\frac {1}{10}}+{\frac {1}{2}}+{\frac {1}{1}}} , чтобы вычислить R O
        Приведите дроби к общему знаменателю : 1 R O = 1 10 + 5 10 + 10 10 {\displaystyle {\frac {1}{R_{O}}}={\frac {1}{10}}+{\frac {5}{10}}+{\frac {10}{10}}}
        1 R O = 1 + 5 + 10 10 = 16 10 = 1 , 6 {\displaystyle {\frac {1}{R_{O}}}={\frac {1+5+10}{10}}={\frac {16}{10}}=1,6}
        Умножьте обе части на R O: 1 = 1,6R O
        R O = 1 / 1,6 = 0,625 Ом.
    2. Вычислите сопротивление по известной силе тока и напряжению. Сделайте это, если сопротивление каждого элемента цепи не известно.

      Подставьте известные значения в формулу закона Ома. Если известны значения общей силы тока и напряжения в цепи, общее сопротивление вычисляется по закону Ома: R = V/I.

      • Например, напряжение в параллельной цепи равно 9 В, а общая сила тока равна 3 А. Общее сопротивление: R O = 9 В / 3 А = 3 Ом.
    3. Поищите ветви с нулевым сопротивлением. Если у ветви параллельной цепи вообще нет сопротивления, то весь ток будет течь через такую ветвь. В этом случае общее сопротивление цепи равно 0 Ом.

    Комбинированное соединение

    1. Разбейте комбинированную цепь на последовательную и параллельную. Комбинированная цепь включает элементы, которые соединены как последовательно, так и параллельно. Посмотрите на схему цепи и подумайте, как разбить ее на участки с последовательным и параллельным соединением элементов. Обведите каждый участок, чтобы упростить задачу по вычислению общего сопротивления.

      • Например, цепь включает резистор, сопротивление которого равно 1 Ом, и резистор, сопротивление которого равно 1,5 Ом. За вторым резистором схема разветвляется на две параллельные ветви – одна ветвь включает резистор с сопротивлением 5 Ом, а вторая – с сопротивлением 3 Ом. Обведите две параллельные ветви, чтобы выделить их на схеме цепи.
    2. Найдите сопротивление параллельной цепи. Для этого воспользуйтесь формулой для вычисления общего сопротивления параллельной цепи: 1 R O = 1 R 1 + 1 R 2 + 1 R 3 + . . . 1 R n {\displaystyle {\frac {1}{R_{O}}}={\frac {1}{R_{1}}}+{\frac {1}{R_{2}}}+{\frac {1}{R_{3}}}+…{\frac {1}{R_{n}}}} .

      • В нашем примере параллельная цепь включает две ветви, сопротивления которых равны R 1 = 5 Ом и R 2 = 3 Ом.
        1 R p a r = 1 5 + 1 3 {\displaystyle {\frac {1}{R_{par}}}={\frac {1}{5}}+{\frac {1}{3}}}
        1 R p a r = 3 15 + 5 15 = 3 + 5 15 = 8 15 {\displaystyle {\frac {1}{R_{par}}}={\frac {3}{15}}+{\frac {5}{15}}={\frac {3+5}{15}}={\frac {8}{15}}}
        R p a r = 15 8 = 1 , 875 {\displaystyle R_{par}={\frac {15}{8}}=1,875} Ом.
    3. Упростите цепь. После того как вы нашли общее сопротивление параллельной цепи, ее можно заменить одним элементом, сопротивление которого равно вычисленному значению.

      • В нашем примере избавьтесь от двух параллельных ветвей и замените их одним резистором с сопротивлением 1,875 Ом.
    4. Сложите сопротивления резисторов, соединенных последовательно. Заменив параллельную цепь одним элементом, вы получили последовательную цепь. Общее сопротивление последовательной цепи равно сумме сопротивлений всех элементов, которые включены в эту цепь.

      • После упрощения цепи она состоит из трех резисторов со следующими сопротивлениями: 1 Ом, 1,5 Ом и 1,875 Ом. Все три резистора соединены последовательно: R O = 1 + 1 , 5 + 1 , 875 = 4 , 375 {\displaystyle R_{O}=1+1,5+1,875=4,375} Ом.
  • 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.

    В природе существует два основных вида материалов, проводящие ток и не проводящие (диэлектрики). Отличаются эти материалы наличием условий для перемещения в них электрического тока (электронов).

    Из токопроводящих материалов (медь, алюминий, графит, и многие другие), делают электрические проводники, в них электроны не связаны и могут свободно перемещаться.

    В диэлектриках электроны привязаны к атомам намертво, поэтому ток в них течь не может. Из них делают изоляцию для проводов, детали электроприборов.

    Для того чтобы электроны начали перемещаться в проводнике (по участку цепи пошел ток), им нужно создать условия. Для этого в начале участка цепи должен быть избыток электронов, а в конце – недостаток. Для создания таких условий используют источники напряжения – аккумуляторы, батарейки, электростанции.

    В 1827 году Георг Симон Ом открыл закон силы электрического тока. Его именем назвали Закон и единицу измерения величины сопротивления. Смысл закона в следующем.

    Чем толще труба и больше давление воды в водопроводе (с увеличением диаметра трубы уменьшается сопротивление воде) – тем больше потечет воды. Если представить, что вода это электроны (электрический ток), то, чем толще провод и больше напряжение (с увеличением сечения провода уменьшается сопротивление току) – тем больший ток будет протекать по участку цепи.

    Сила тока, протекающая по электрической цепи, прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна величине сопротивления цепи.

    Где I – сила тока, измеряется в амперах и обозначается буквой А ; U В ; R – сопротивление, измеряется в омах и обозначается .

    Если известны напряжение питания U и сопротивление электроприбора R , то с помощью выше приведенной формулы, воспользовавшись онлайн калькулятором, легко определить силу протекающего по цепи тока I .

    С помощью закона Ома рассчитываются электрические параметры электропроводки, нагревательных элементов, всех радиоэлементов современной электронной аппаратуры, будь то компьютер, телевизор или сотовый телефон.

    Применение закона Ома на практике

    На практике часто приходится определять не силу тока I , а величину сопротивления R . Преобразовав формулу Закона Ома, можно рассчитать величину сопротивления R , зная протекающий ток I и величину напряжения U .

    Величину сопротивления может понадобится рассчитать, например, при изготовлении блока нагрузок для проверки блока питания компьютера. На корпусе блока питания компьютера обычно есть табличка, в которой приведен максимальный ток нагрузки по каждому напряжению. Достаточно в поля калькулятора ввести данные величины напряжения и максимальный ток нагрузки и в результате вычисления получим величину сопротивления нагрузки для данного напряжения. Например, для напряжения +5 В при максимальной величине тока 20 А, сопротивление нагрузки составит 0,25 Ом.

    Формула Закона Джоуля-Ленца

    Величину резистора для изготовления блока нагрузки для блока питания компьютера мы рассчитали, но нужно еще определить какой резистор должен быть мощности? Тут поможет другой закон физики, который, независимо друг от друга открыли одновременно два ученых физика. В 1841 году Джеймс Джоуль, а в 1842 году Эмиль Ленц. Этот закон и назвали в их честь – Закон Джоуля-Ленца .

    Потребляемая нагрузкой мощность прямо пропорциональна приложенной величине напряжения и протекающей силе тока. Другими словами, при изменении величины напряжения и тока будет пропорционально будет изменяться и потребляемая мощность.

    где P – мощность, измеряется в ваттах и обозначается Вт ; U – напряжение, измеряется в вольтах и обозначается буквой В ; I – сила ток, измеряется в амперах и обозначается буквой А .

    Зная напряжения питания и силу тока, потребляемую электроприбором, можно по формуле определить, какую он потребляет мощность. Достаточно ввести данные в окошки ниже приведенного онлайн калькулятора.

    Закон Джоуля-Ленца позволяет также узнать силу тока, потребляемую электроприбором зная его мощность и напряжение питания. Величина потребляемого тока необходима, например, для выбора сечения провода при прокладке электропроводки или для расчета номинала .

    Например, рассчитаем потребляемый ток стиральной машины. По паспорту потребляемая мощность составляет 2200 Вт, напряжение в бытовой электросети составляет 220 В. Подставляем данные в окошки калькулятора, получаем, что стиральная машина потребляет ток величиной 10 А.

    Еще один пример, Вы решили в автомобиле установить дополнительную фару или усилитель звука. Зная потребляемую мощность устанавливаемого электроприбора легко рассчитать потребляемый ток и правильно подобрать сечение провода для подключения к электропроводке автомобиля. Допустим, дополнительная фара потребляет мощность 100 Вт (мощность установленной в фару лампочки), бортовое напряжение сети автомобиля 12 В. Подставляем значения мощности и напряжения в окошки калькулятора, получаем, что величина потребляемого тока составит 8,33 А.

    Разобравшись всего в двух простейших формулах, Вы легко сможете рассчитать текущие по проводам токи, потребляемую мощность любых электроприборов – практически начнете разбираться в основах электротехники.

    Преобразованные формулы Закона Ома и Джоуля-Ленца

    Встретил в Интернете картинку в виде круглой таблички, в которой удачно размещены формулы Закона Ома и Джоуля-Ленца и варианты математического преобразования формул. Табличка представляет собой несвязанные между собой четыре сектора и очень удобна для практического применения

    По таблице легко выбрать формулу для расчета требуемого параметра электрической цепи по двум другим известным. Например, нужно определить ток потребления изделием по известной мощности и напряжению питающей сети. По таблице в секторе тока видим, что для расчета подойдет формула I=P/U.

    А если понадобится определить напряжение питающей сети U по величине потребляемой мощности P и величине тока I, то можно воспользоваться формулой левого нижнего сектора, подойдет формула U=P/I.

    Подставляемые в формулы величины должны быть выражены в амперах, вольтах, ваттах или Омах.

    Электрическое сопротивление физическая величина, которая показывает, какое препятствие создается току при его прохождении по проводнику . Единицами измерения служат Омы, в честь Георга Ома. В своем законе он вывел формулу для нахождения сопротивления, которая приведена ниже.

    Рассмотрим сопротивление проводников на примере металлов. Металлы имеют внутреннее строение в виде кристаллической решетки. Эта решетка имеет строгую упорядоченность, а её узлами являются положительно заряженные ионы. Носителями заряда в металле выступают “свободные” электроны, которые не принадлежат определенному атому, а хаотично перемещаются между узлами решетки. Из квантовой физики известно, что движение электронов в металле это распространение электромагнитной волны в твердом теле. То есть электрон в проводнике движется со скоростью света (практически), и доказано, что он проявляет свойства не только как частица, но еще и как волна. А сопротивление металла возникает в результате рассеяния электромагнитных волн (то есть электронов) на тепловых колебаниях решетки и её дефектах. При столкновении электронов с узлами кристаллической решетки часть энергии передается узлам, вследствие чего выделяется энергия. Эту энергию можно вычислить при постоянном токе , благодаря закону Джоуля-Ленца – Q=I 2 Rt. Как видите чем больше сопротивление, тем больше энергии выделяется.

    Удельное сопротивление

    Существует такое важное понятие как удельное сопротивление, это тоже самое сопротивление, только в единице длины. У каждого металла оно свое, например у меди оно равно 0,0175 Ом*мм2/м, у алюминия 0,0271 Ом*мм2/м. Это значит, брусок из меди длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм2 будет иметь сопротивление 0,0175 Ом, а такой же брусок, но из алюминия будет иметь сопротивление 0,0271 Ом. Выходит что электропроводность меди выше чем у алюминия. У каждого металла удельное сопротивление свое, а рассчитать сопротивление всего проводника можно по формуле

    где p – удельное сопротивление металла, l – длина проводника, s – площадь поперечного сечения.

    Значения удельных сопротивлений приведены в таблице удельных сопротивлений металлов (20°C)

    Вещество

    p , Ом*мм 2 /2

    α,10 -3 1/K

    Алюминий

    0.0271

    Вольфрам

    0.055

    Железо

    0.098

    Золото

    0.023

    Латунь

    0.025-0.06

    Манганин

    0.42-0.48

    0,002-0,05

    Медь

    0.0175

    Никель

    Константан

    0.44-0.52

    0.02

    Нихром

    0.15

    Серебро

    0.016

    Цинк

    0.059

    Кроме удельного сопротивления в таблице есть значения ТКС, об этом коэффициенте чуть позже.

    Зависимость удельного сопротивления от деформаций


    При холодной обработке металлов давлением, металл испытывает пластическую деформацию. При пластической деформации кристаллическая решетка искажается, количество дефектов становится больше. С увеличением дефектов кристаллической решетки, сопротивление течению электронов по проводнику растет, следовательно, удельное сопротивление металла увеличивается. К примеру, проволоку изготавливают методом протяжки, это значит, что металл испытывает пластическую деформацию, в результате чего, удельное сопротивление растет. На практике для уменьшения сопротивления применяют рекристаллизационный отжиг, это сложный технологический процесс, после которого кристаллическая решетка как бы, “расправляется” и количество дефектов уменьшается, следовательно, и сопротивление металла тоже.

    При растяжении или сжатии, металл испытывает упругую деформацию. При упругой деформации вызванной растяжением, амплитуды тепловых колебаний узлов кристаллической решетки увеличиваются, следовательно, электроны испытывают большие затруднения, и в связи с этим, увеличивается удельное сопротивление. При упругой деформации вызванной сжатием, амплитуды тепловых колебаний узлов уменьшаются, следовательно, электронам проще двигаться, и удельное сопротивление уменьшается.

    Влияние температуры на удельное сопротивление

    Как мы уже выяснили выше, причиной сопротивления в металле являются узлы кристаллической решетки и их колебания. Так вот, при увеличении температуры, тепловые колебания узлов увеличиваются, а значит, удельное сопротивление также увеличивается. Существует такая величина как температурный коэффициент сопротивления (ТКС), который показывает насколько увеличивается, или уменьшается удельное сопротивление металла при нагреве или охлаждении. Например, температурный коэффициент меди при 20 градусах по цельсию равен 4.1 · 10 − 3 1/градус. Это означает что при нагреве, к примеру, медной проволоки на 1 градус цельсия, её удельное сопротивление увеличится на 4.1 · 10 − 3 Ом. Удельное сопротивление при изменении температуры можно вычислить по формуле

    где r это удельное сопротивление после нагрева, r 0 – удельное сопротивление до нагрева, a – температурный коэффициент сопротивления, t 2 – температура до нагрева, t 1 – температура после нагрева.

    Подставив наши значения, мы получим: r=0,0175*(1+0.0041*(154-20))=0,0271 Ом*мм 2 /м. Как видите наш брусок из меди длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм 2 , после нагрева до 154 градусов, имел бы сопротивление, как у такого же бруска, только из алюминия и при температуре равной 20 градусов цельсия.

    Свойство изменения сопротивления при изменении температуры, используется в термометрах сопротивления. Эти приборы могут измерять температуру основываясь на показаниях сопротивления. У термометров сопротивления высокая точность измерений, но малые диапазоны температур.

    На практике, свойства проводников препятствовать прохождению тока используются очень широко. Примером может служить лампа накаливания, где нить из вольфрама, нагревается за счет высокого сопротивления металла, большой длины и узкого сечения. Или любой нагревательный прибор, где спираль разогревается благодаря высокому сопротивлению. В электротехнике, элемент главным свойством которого является сопротивление, называется – резистор . Резистор применяется практически в любой электрической схеме.

    Расчет сечения кабеля | Таблицы, формулы и примеры

    Самое уязвимое место в сфере обеспечения квартиры или дома электрической энергией – это электропроводка. Во многих домах продолжают использовать старую проводку, не рассчитанную на современные электроприборы. Нередко подрядчики и вовсе стремятся сэкономить на материалах и укладывают провода, не соответствующие проекту. В любом из этих случаев необходимо сначала сделать расчет сечения кабеля, иначе можно столкнуться с серьезными и даже трагичными последствиями.

    Для чего необходим расчет кабеля

    В вопросе выбора сечения проводов нельзя следовать принципу «на глаз». Протекая по проводам, ток нагревает их. Чем выше сила тока, тем сильнее происходит нагрев. Эту взаимосвязь легко доказать парой формул. Первая из них определяет активную силу тока:

    где I – сила тока, U – напряжение, R – сопротивление.

    Из формулы видно: чем больше сопротивление, тем больше будет выделяться тепла, т. е. тем сильнее проводник будет нагреваться. Сопротивление определяют по формуле:

    R = ρ · L/S (2),

    где ρ – удельное сопротивление, L – длина проводника, S – площадь его поперечного сечения.

    Чем меньше площадь поперечного сечения проводника, тем выше его сопротивление, а значит выше и активная мощность, которая говорит о более сильном нагреве. Исходя из этого, расчет сечения необходим для обеспечения безопасности и надежности проводки, а также грамотного распределения финансов.

    Что будет, если неправильно рассчитать сечение

    Без расчета сечения проводника можно столкнуться с одной из двух ситуаций:

    • Слишком сильный перегрев проводки. Возникает при недостаточном диаметре проводника. Создает благоприятные условия для самовозгорания и коротких замыканий.
    • Неоправданные затраты на проводку. Такое происходит в ситуациях, когда были выбраны проводники избыточного диаметра. Конечно, опасности здесь нет, но кабель большего сечения стоит дороже и не столь удобен в работе.

    Что еще влияет на нагрев проводов

    Из формулы (2) видно, что сопротивление проводника зависит не только от площади поперечного сечения. В связи с этим на его нагрев будут влиять:

    • Материал. Пример – у алюминия удельное сопротивление больше, чем у меди, поэтому при одинаковом сечении проводов медь будет нагреваться меньше.
    • Длина. Слишком длинный проводник приводит к большим потерям напряжения, что вызывает дополнительный нагрев. При превышении потерь уровня 5% приходится увеличивать сечение.

    Пример расчета сечения кабеля на примере BBГнг 3×1,5 и ABБбШв 4×16

    Трехжильный кабель BBГнг 3×1,5 изготавливается из меди и предназначен для передачи и распределения электричества в жилых домах или обычных квартирах. Токопроводящие жилы в нем изолированы ПВХ (В), из него же состоит оболочка. Еще BBГнг 3×1,5 не распространяет горение нг(А), поэтому полностью безопасен при эксплуатации.

    Кабель ABБбШв 4×16 четырехжильный, включает токопроводящие жилы из алюминия. Предназначен для прокладки в земле. Защита с помощью оцинкованных стальных лент обеспечивает кабелю срок службы до 30 лет. В компании «Бонком» вы можете приобрести кабельные изделия оптом и в розницу по приемлемой цене. На большом складе всегда есть в наличии вся продукция, что позволяет комплектовать заказы любого ассортимента.

    Порядок расчета сечения по мощности

    В общем виде расчет сечения кабеля по мощности происходит в 2 этапа. Для этого потребуются следующие данные:

    • Суммарная мощность всех приборов.
    • Тип напряжения сети: 220 В – однофазная, 380 В – трехфазная.
    • ПУЭ 7. Правила устройства электроустановок. Издание 7.
    • Материал проводника: медь или алюминий.
    • Тип проводки: открытая или закрытая.

    Шаг 1. Потребляемую мощность электроприборов можно найти в их инструкции или же взять средние характеристики. Формула для расчета общей мощности:

    ΣP = (P₁ + Р₂ + … + Рₙ) · Кс · Кз,

    где P1, P2 и т. д. – мощность подключаемых приборов, Кс – коэффициент спроса, который учитывает вероятность включения всех приборов одновременно, Кз – коэффициент запаса на случай добавления новых приборов в доме. Кс определяется так:

    • для двух одновременно включенных приборов – 1;
    • для 3-4 – 0,8;
    • для 5-6 – 0,75;
    • для большего количества – 0,7.

    Кз в расчете кабеля по нагрузке имеет смысл принять как 1,15-1,2. Для примера можно взять общую мощность в 5 кВт.

    Шаг 2. На втором этапе остается по суммарной мощности определить сечение проводника. Для этого используется таблица расчета сечения кабеля из ПУЭ. В ней дана информация и для медных, и для алюминиевых проводников. При мощности 5 кВт и закрытой однофазной электросети подойдет медный кабель сечением 4 мм2.

    Правила расчета по длине

    Расчет сечения кабеля по длине предполагает, что владелец заранее определил, какое количество метров проводника потребуется для электропроводки. Таким методом пользуются, как правило, в бытовых условиях. Для расчета потребуются такие данные:

    • L – длина проводника, м. Для примера взято значение 40 м.
    • ρ – удельное сопротивление материала (медь или алюминий), Ом/мм2·м: 0,0175 для меди и 0,0281 для алюминия.
    • I – номинальная сила тока, А.

    Шаг 1. Определить номинальную силу тока по формуле:

    I = (P · Кс) / (U · cos ϕ) = 8000/220 = 36 А,

    где P – мощность в ваттах (суммарная всех приборов в доме, для примера взято значение 8 кВт), U – 220 В, Кс – коэффициент одновременного включения (0,75), cos φ – 1 для бытовых приборов. В примере получилось значение 36 А.

    Шаг 2. Определить сечение проводника. Для этого нужно воспользоваться формулой (2):

    R = ρ · L/S.

    Потеря напряжения по длине проводника должна быть не более 5%:

    dU = 0,05 · 220 В = 11 В.

    Потери напряжения dU = I · R, отсюда R = dU/I = 11/36 = 0,31 Ом. Тогда сечение проводника должно быть не меньше:

    S = ρ · L/R = 0,0175 · 40/0,31 = 2,25 мм2.

    В случае с трехжильным кабелем площадь поперечного сечения одной жилы должна составить 0,75 мм2. Отсюда диаметр одной жилы должен быть не менее (S/ π) · 2 = 0,98 мм. Кабель BBГнг 3×1,5 удовлетворяет этому условию.

    Как рассчитать сечение по току

    Расчет сечения кабеля по току осуществляется также на основании ПУЭ, в частности, с использованием таблиц 1.3.6. и 1.3.7. Зная суммарную мощность электроприборов, можно по формуле определить номинальную силу тока:

    I = (P · Кс) / (U · cos ϕ).

    Для трехфазной сети используется другая формула:

    I=P/(U√3cos φ),

    где U будет равно уже 380 В.

    Если к трехфазному кабелю подключают и однофазных, и трехфазных потребителей, то расчет ведется по наиболее нагруженной жиле. Для примера с общей мощностью приборов, равной 5 кВт, и однофазной закрытой сети получается:

    I = (P · Кс) / (U · cos ϕ) = (5000 · 0,75) / (220 · 1) = 17,05 А, при округлении 18 А.

    BBГнг 3×1,5 – медный трехжильный кабель. По таблице 1.3.6. для силы тока 18 А ближайшее в значение – 19 А (при прокладке в воздухе). При номинальной силе тока 19 А сечение его токопроводящей жилы должно составлять не менее 1,5 мм2. У кабеля BBГнг 3×1,5 одна жила имеет сечение S = π · r2 = 3,14 · (1,5/2)2 = 1,8 мм2, что полностью соответствует указанному требованию.

    Если рассматривать кабель ABБбШв 4×16, необходимо брать данные из таблицы 1.3.7. ПУЭ, где указаны значения для алюминиевых проводов. Согласно ей, для четырехжильных кабелей значение тока должно определяться с коэффициентом 0,92. В рассматриваемом примере к 18 А ближайшее значение по таблице 1.3.7. составляет 19 А.

    С учетом коэффициента 0,92 оно составит 17,48 А, что меньше 18 А. Поэтому необходимо брать следующее значение – 27 А. В таком случае сечение токопроводящей жилы кабеля должно составлять 4 мм2. У кабеля ABБбШв 4×16 сечение одной жилы равно:

    S = π · r2 = 3,14 · (4,5/2)2 = 15,89 мм2.

    Согласно таблице 1.3.7. этот кабель рациональнее использовать при номинальном токе 60 А (при прокладке по воздуху) и до 90 А (при прокладке в земле).

    Больше напряжения для газонного оборудования лучше?

    По мере того как уход за газонами и OPE (наружное энергетическое оборудование) продолжают переходить на более беспроводные продукты, ориентироваться в ландшафте становится непросто. Большие газовые двигатели означают большую мощность. Похоже, что более высокое напряжение батареи – это то, что профессионалы и потребители считают эквивалентным измерением. Однако проблема не так проста. Чтобы разрешить спор, давайте подробнее рассмотрим вольты, амперы и сопротивление.

    Вольт и Ампер

    Ни вольт, ни ампер не описывают мощность сами по себе.Это название относится к ваттам, и расчет довольно прост:

    Вольт (В) x Амперы (А) = Ватты (Вт)

    Допустим, нам нужно 2200 Вт для работы газонокосилки. Есть несколько способов добраться туда.

    • 36 В x 61,1 A = 2200 Вт
    • 56 В x 39,3 A = 2200 Вт
    • 108 В x 20,4 A = 2200 Вт

    Если вы можете потреблять от батареи достаточно тока (ампер), вы можете получить такое же количество мощности из многих напряжений.

    Таким образом, теоретически более высокое напряжение само по себе не означает большей мощности.

    Краткое примечание о вольтах
    Числа напряжения, такие как 40 В, 80 В и 120 В, часто представляют пиковые (максимальные) вольты. Это напряжение, которое вы можете измерить прямо на зарядном устройстве. Как только вы начнете их использовать, они установятся на свое номинальное напряжение: 36 В, 72 В и 108 В. Как только вы это поймете, вы увидите, что 18 В = 20 В макс., 36 В = 40 В макс. И так далее. В Pro Tool Reviews есть более подробная статья под названием 20V Max Vs 18V: Setting the Record Straight.

    Code Embed: Невозможно использовать CODE1 в качестве глобального кода, поскольку он используется для хранения 374 уникальных фрагментов кода в 436 сообщениях

    Присоединяйтесь к сопротивлению

    Когда энергия достигает двигателя, наше уравнение V x A = W описывает, как он получает большую мощность. Однако сопротивление сводит на нет уравнение и не дает ему быть простым делом.

    Возьмем для примера топливопровод. Более тонкая трубка ограничивает легкость попадания топлива в двигатель. Аналогичная проблема существует и с электрической энергией.

    Более тонкая проволока и материалы более низкого качества ограничивают поток электронов. Толстая проволока и материалы более высокого качества позволяют электронам плавно течь. Возможно, вы столкнулись с падением напряжения при использовании слишком тонкого удлинителя на электроинструментах на 15 А. Или вы могли заметить, что ваш свет мигает, когда в вашем доме включается кондиционер.

    Именно здесь в игру вступает парень по имени Ом . Он отвечает за уравнение сопротивления и за единицу под названием «Ом».

    Ом обнаружил, что сопротивление больше влияет на ток (амперы или амперы), чем на напряжение.Если вы попытаетесь передать одно и то же количество энергии через два разных напряжения, более высокое напряжение имеет меньшее сопротивление.

    Краткое исследование

    Вольт 2 / Сопротивление = Вт
    2 / R = W)

    или

    Ток 2 x Сопротивление = Вт
    (I 2 x R = W)

    Примечание. В законе Ома для обозначения тока используется «I», а не «A».

    Давайте вернемся к нашему примеру с 56 В и посмотрим, как все меняется, когда мы применяем закон Ома.

    56 В x 39,3 A = 2200 Вт

    В этом примере сопротивление равно 1,42 Ом. (56 В / 39,3 А = 1,42 Ом)

    Увеличение напряжения

    Вот что происходит, когда мы увеличиваем напряжение на 20% (67,2 В):

    (67,2 В x 67,2 В) / 1,42 Ом = 3180,2 Вт

    A Увеличение напряжения на 20% дает увеличение мощности на 44,6% при том же сопротивлении.

    Увеличение тока

    Теперь вернемся назад и вместо этого увеличим ток на 20%.

    47.2 ампера x 47,2 ампера x 1,42 Ом = 3163,5 Вт

    Это увеличение тока на 20% привело к увеличению мощности на 43,8%. Хотя это и похоже на этот пример, для получения большей выходной мощности требуется большее увеличение тока, чем увеличение напряжения. Однако это еще не все.

    Назад к обсуждению

    Одним из последствий сопротивления является то, что оно имеет штраф энергии. Система с более высоким напряжением более эффективна, чем система с более низким напряжением, поскольку она испытывает меньшие потери энергии из-за сопротивления при том же количестве потребляемой мощности.

    Это все хорошо, но что, если вы можете снизить сопротивление, чтобы обеспечить более эффективную передачу энергии в системах с более низким напряжением?

    Можно!

    Аккумулятор на 18 В – отличный тому пример. Используя литий-ионные элементы 18650 и технологию стандартных корпусов, эти блоки обеспечивают мощность 800 Вт. Это означает, что производители уверены, что пропускают через него до 44,4 ампер тока и рассчитывают, что он прослужит 3 года или более.

    Когда они модернизируют блоки для использования литий-ионных элементов 21700, большее количество медных компонентов и более толстые провода обеспечивают меньшее сопротивление.Теперь эти блоки достигают мощности до 1440 Вт. Вы получаете такое же точное напряжение, но с током 80 ампер. Это на 80% больше энергии!

    Теперь удвойте это количество, чтобы покрыть систему на 36 В, и в этом пакете доступно 2 880 Вт – более чем достаточно для нашей газонокосилки мощностью 2200 Вт.

    Примечание автора: Типичная домашняя электрическая розетка работает от 120 вольт и 15 ампер. Посчитайте, и вы можете получить только 1800 Вт из вашей домашней розетки. Аккумуляторы теперь могут помочь вам! Единственным препятствием остается время выполнения.

    Не забывайте емкость батареи

    То же уравнение, которое мы используем для мощности, работает и для потенциальной мощности . Просто возьмите номинальное напряжение аккумулятора и умножьте его на общее количество ампер-часов батареи, чтобы получить ватт-часы. Это общее количество энергии в батарее.

    • 18V x 9Ah = 162Wh
    • 36V (40V Max) x 5Ah = 180Wh
    • 56V x 2.5Ah = 140Wh
    • 72V (80V max) x 2,0 Ah = 144 Wh

    Фактически возможно иметь больше электричества топливо доступно в системе с более низким напряжением.Конечно, это не всегда так, но теперь у вас есть ключ, чтобы открыть для себя реальный потенциал!

    Заключительные мысли

    В целом, более низкое сопротивление систем с более высоким напряжением делает их более электрически эффективными и более простыми в сборке. Системы OPE, которые действительно конкурируют по производительности при более низких напряжениях, должны снижать свое сопротивление за счет лучшей конструкции аккумуляторных батарей и / или использовать для этого модернизированные литий-ионные элементы.

    Дело в том, что на некоторых уровнях проще работать с более высоким напряжением.Само собой разумеется, что вы можете даже отказаться от компонентов более низкого качества, выбрав этот путь. Чтобы иметь достаточно мощности, чтобы конкурировать с системами с более высоким напряжением, системы с более низким напряжением должны создавать лучший аккумулятор. По всей видимости, в результате им также придется создать более качественную систему.

    Рассматривая доступные варианты, помните, что напряжение – это еще не все. По нашему опыту, беспроводные продукты OPE в диапазоне от 36 до 54 В (от 40 до 60 В) обладают достаточной мощностью для выполнения своей работы.Подойдет и более высокое напряжение.

    Только не гонитесь за максимально возможным числом.

    Измерение падения напряжения и сопротивления

    Измерение падения напряжения и сопротивления

    Поиск и устранение неисправностей базовой электрической диагностики

    Каждый раз, когда вы приближаетесь к поиску и устранению неисправностей электрической диагностики, полезно вернуться к основам. Как вы знаете, назначение напряжения в цепи – обеспечить необходимую силу тока для работы нагрузки.Когда ток проходит через нагрузку, он преобразуется в свет, тепло или электромагнитное движение. При измерении напряжения в цепи вы обнаружите, что после нагрузки (сопротивления) оно ниже, чем было до нагрузки. «Падение напряжения» или величина, на которую напряжение падает при прохождении через нагрузку, является показателем или мерой того, сколько электроэнергии было использовано при преобразовании в другую форму энергии (свет, тепло или электромагнитное движение).

    Что мы проверяем? Причины многих распространенных проблем в цепи – обрыв, утечка тока или короткое замыкание.

    Открытые схемы

    Для протекания электричества цепь должна быть под напряжением (требуется напряжение) и находиться в замкнутом контуре.

    Обрыв цепи вызывает остановку работы компонентов или систем и возникает при перебоях в подаче электроэнергии. Обычно достаточно «разрыва», чтобы остановить поток электронов в цепи. Обрыв может быть обрывом провода, ослабленным соединителем или неисправным компонентом (обрыв «внутренней» цепи), в котором нет пути для прохождения тока между двумя точками в цепи.

    Короткие замыкания

    Нагрузкой можно назвать все, что вызывает сопротивление. Мы знаем, что в наших автомобилях это провода и устройства, такие как переключатели, диоды, лампы или двигатели и т. Д. Но сопротивление также может быть создано из-за частичного соединения, вызванного ослабленными клеммами, ослабленными соединениями или даже коррозией. Короткое замыкание – это ненормальное соединение между двумя точками цепи. Если это происходит, это может создать путь с низким сопротивлением, по которому может протекать чрезмерный ток, в результате чего системы или компоненты будут работать неправильно или даже перестать работать, потому что для работы нагрузки доступно меньшее напряжение.Если протертая проволока, трущаяся о металлический корпус, содержит только несколько жил, она все равно может пройти проверку на непрерывность. Но в то же время это может вызвать короткое замыкание, из-за которого предохранитель «перегорит» или периодически отключается.

    Симптомами короткого замыкания могут быть: тусклый свет или даже нагревание проводов. Когда происходит короткое замыкание, ток электричества «сокращается» где-то в цепи. Обычно это приводит к «сгоранию» предохранителя, поскольку он предназначен для защиты цепи.Сильный ток на землю вызывает перегорание предохранителей. Короткое замыкание может позволить току обойти намеченную «нагрузку» (компонент, для работы в котором предназначена схема). В худшем случае это может привести к повреждению электрической цепи. Это известно как «замыкание на землю».

    Использование вольтметра

    ‘Series’ соединение VOM:

    Вольтметр можно использовать для проверки питания нагрузки (фары и т. Д.), Подключив его последовательно с частью цепи питания и заземлением аккумуляторной батареи.Показание счетчика, равное напряжению батареи, указывает на целостность цепи. Это хороший первый шаг при устранении неполадок.

    «Параллельное» соединение VOM:

    Вольтметр может быть подключен параллельно или «поперек» различных частей подозрительного компонента или цепи. Падение напряжения – это способ определения или проверки величины напряжения (или потери) в этой части цепи.

    Этот метод лучше, чем просто «проверка целостности (сопротивления)», потому что он проверяет цепь под нагрузкой во время ее работы.

    Всегда проверяйте разъемы, которые являются частью схемы, с которой вы работаете, просто чтобы убедиться, что они чистые и правильно соединены. Если свет тусклый, начните с самой простой проверки: лампочки. Пока вы занимаетесь этим, не упускайте из виду возможные ошибки из-за прошлых ремонтов. Возможно, лампочка исправна, но ранее была установлена ​​не та лампочка. С помощью простой проверки электрического счетчика цепь под нагрузкой можно легко проверить на предмет любых нежелательных ограничений с помощью теста на падение напряжения.Падение напряжения – это способ определения или проверки величины напряжения, используемого в цепи. Помните, что один вольт – это величина электрического давления, необходимая для того, чтобы пропустить один ампер тока через один ом сопротивления.

    Испытание на падение напряжения

    Значение «падения напряжения» – это величина напряжения, потребляемого нагрузкой во время работы схемы. Сумма всех падений напряжения в цепи равна доступному напряжению. При испытании на падение напряжения перед снятием показаний падения напряжения необходимо проверить напряжение источника.Проверка падения напряжения выполняется при наличии тока в цепи. Другими словами, цепь должна быть активирована или включена при протекании тока. Вольтметр используется для измерения разности потенциалов между двумя точками. Падение напряжения – это разница в измеренном напряжении между любыми двумя разными точками полной цепи во время работы нагрузки. Измерение падения напряжения выполняется путем измерения напряжения перед входом в нагрузку и напряжения на выходе из нагрузки. Электропроводка и соединения цепи не должны иметь сопротивления или иметь небольшое сопротивление, а все напряжение должно проходить через нагрузку.«Нагрузка» – это любое устройство, использующее энергию, такое как освещение, стартер, стеклоподъемники, звуковые сигналы, топливные форсунки и т. Д. Измерьте после нагрузки, и доступное напряжение ниже, чем до нагрузки.

    Испытание падения напряжения предоставляет метод определения величины напряжения, которое используется проводом или компонентом во время работы системы. Помните, что плохие соединения, ослабленные клеммы, обжим и / или коррозия соединений могут быть причиной того, что устройство не работает должным образом.Любое сопротивление в цепи снижает электрическое давление. Эти условия не могут быть обнаружены при измерении напряжения, если в цепи не приложена правильная нагрузка, т. Е. Фара включена и т. Д.

    Испытания на падение напряжения используются для поиска компонентов или цепей с чрезмерным сопротивлением. Положительный вывод VOM должен быть подключен к цепи в направлении источника питания, а отрицательный вывод – к земле.

    Когда вы помещаете вольтметр «поперек» или подключаете параллельно к проверяемой цепи, вы предоставляете другой путь для прохождения напряжения.Положительный провод должен быть подключен к цепи в направлении источника питания, а отрицательный провод – к земле. Включите или приведите в действие цепь. Напряжение всегда будет следовать по пути наименьшего сопротивления. Таким образом, если в цепи, которую вы тестируете, наблюдается чрезмерное сопротивление, ваш измеритель становится «путем наименьшего сопротивления» и будет давать показания напряжения.

    При тестировании цепей вам часто нужно определять напряжения в различных точках. Падение напряжения может произойти в любой части цепи при ее работе.В зависимости от сопротивления каждая нагрузка будет иметь разное падение напряжения. Измеритель может указывать величину напряжения, используемого той частью цепи, которую вы тестируете. При проверке падения напряжения на нагрузке нагрузка использует большую часть доступного напряжения. Если в цепи возникает сопротивление, для работы нагрузки доступно меньшее напряжение. Если схема работает нормально, все напряжение будет поступать непосредственно на нагрузку, и ваш счетчик будет регистрировать приемлемые показания.

    Падение напряжения – это величина потери или потребления электрического давления, когда напряжение проходит через нагрузку или сопротивление.Приемлемое показание для большинства цепей, кроме систем управления подачей топлива (форсунки, датчики и т. Д.), Составляет менее 0,400 вольт, хотя предпочтительнее 0,100 вольт или меньше. Некоторые схемы стартера могут допускать напряжение до 0,500 вольт во время испытания на падение напряжения. Все, что выше этих значений, указывает на необходимость ремонта. При подозрении на неисправность следует проверить обе стороны цепи. Поскольку для схемы требуются источник, нагрузка и заземление, всегда проверяйте сторону заземления схемы. Возможный ремонт в этом случае обычно включает в себя очистку соединений от коррозии, ремонт неисправных клеммных обжимов, затяжку креплений и разъемов или обеспечение достаточного заземления для компонента.

    падения напряжения – хорошо или плохо?

    Испытания падения напряжения обычно выполняются, когда нагрузка не работает должным образом. Исходя из этого, можно предположить, что падение напряжения нехорошо. Но падение напряжения может быть хорошим или плохим; все зависит от того, где они происходят.

    Очень важно хорошее падение напряжения. Без них нагрузки не пойдут. Доступное напряжение должно падать на нагрузке, иначе она не сможет работать.

    Высокие перепады напряжения позволят «упасть» доступному напряжению при высоком сопротивлении в другом месте цепи; это отнимает у нагрузки электрическую энергию.Высокое падение напряжения в цепи преобразует электрическую энергию в тепло.

    У всего есть сопротивление

    Поймите, что сопротивление и непрерывность – противоположности. Мультиметр измеряет сопротивление в омах; он не может измерить непрерывность. Когда сопротивление невелико, существует большая преемственность. Итак, когда есть большое сопротивление, мало преемственности. Одним из важных измерений, которое можно выполнить с помощью мультиметра, является измерение сопротивления.Провода, соединители и контакты переключателя, составляющие цепь, имеют некоторое сопротивление. В нормально работающей цепи нормальное сопротивление достаточно мало, чтобы не препятствовать нормальной работе нагрузки. Если вы попытаетесь измерить сопротивление компонента в работающей цепи, вы получите ложные показания и можете повредить мультиметр. Отсоедините компонент, а затем измерьте сопротивление. Нежелательное или чрезмерное сопротивление в цепи снижает количество доступной электрической энергии, подаваемой на нагрузку.Функция омметра цифрового мультиметра работает от внутренней батареи. Он используется для подачи небольшого напряжения на схему или компонент и измерения силы тока, протекающего через него, а затем для отображения результатов в виде сопротивления.

    На изображении выше показание выше, чем указано в спецификации, указывает на неисправный компонент. Если цепь имеет чрезмерное сопротивление, это препятствует тому, чтобы провод или компонент пропускали достаточный ток в условиях высокой нагрузки. Сопротивление может быть вызвано коррозией, ослабленными контактами проводки, ямками на контактах реле и другими физическими повреждениями.Эти условия могут привести к измерениям постоянного или даже переменного сопротивления. Чрезмерное падение напряжения, вызванное высоким сопротивлением, можно определить по неработающим компонентам, более медленным, чем обычно, оборотам электродвигателя, или даже по тусклым или прерывистым мерцаниям ламп.

    Для измерения сопротивления компонента не следует включать его в цепь. Если вы попытаетесь измерить сопротивление компонента в цепи, вы получите ложные показания (даже если источник питания отключен), и вы можете повредить мультиметр.Отсоедините компонент, а затем измерьте сопротивление.

    При проверке сопротивления важно знать, каким должно быть значение сопротивления проверяемого компонента. В идеале падение напряжения на нагрузке должно быть таким же, как и напряжение на нагрузке. В этом случае падение напряжения хорошее. Падение напряжения на нагрузке часто бывает ниже доступного. Это не проблема, пока падает достаточно напряжения для работы нагрузки.Если падение напряжения на нагрузке намного ниже доступного напряжения, то нагрузка не будет работать должным образом. Это указывает на то, что где-то в цепи наблюдается чрезмерное падение напряжения, что лишает нагрузку необходимой мощности.

    Всегда ли практично тестировать прямо под нагрузкой?

    Нет, у вас не всегда может быть прямой доступ к нагрузке. Например, вы не можете подключить провода измерителя к клеммам топливного насоса в баке. Вы можете выполнить проверку падения напряжения только на тех частях цепи, которые доступны для проводов вашего измерителя.Тестирование переключателей или реле – еще одно распространенное применение тестирования сопротивления. Когда напряжение источника для компонента низкое из-за неисправного переключателя, вы должны проверить каждую из возможных неисправностей с помощью теста падения напряжения. При проверке переключателя используйте тест на падение напряжения. Падение напряжения на переключателе никогда не должно превышать 0,300 вольт (300 мВ).

    Всегда проверяйте ESM

    В некоторых цепях транспортного средства может быть намеренно установлен резистор для уменьшения напряжения и тока, доступных для нагрузки.Примеры включают реостат, который затемняет приборную панель, балластные резисторы в некоторых цепях топливных форсунок и резисторы двигателя, используемые для ограничения скорости нагнетательного вентилятора и электрического топливного насоса. Убедитесь, что вы знаете свою схему и определите любое «преднамеренное» падение напряжения, проверив конструкцию схемы на электрической схеме в ESM.

    Осень 2011 г. Авторские права © 2011 Nissan North America, Inc.

    Содержание


    Электрическое сопротивление | Энциклопедия.com

    Электрическое сопротивление провода или цепи – это сопротивление протеканию электрического тока. Объект, сделанный из хорошего электрического проводника, например медь, будет иметь низкое сопротивление по сравнению с идентичным объектом из плохого проводника. Хорошие изоляторы, такие как резиновые или стеклянные изоляторы, обладают высоким сопротивлением. Сопротивление измеряется в омах (Ом) и связано с током в цепи и напряжением в цепи по закону Ома, В = IR (где В, – напряжение, I – ток, а R – это напряжение. сопротивление, все в соответствующих единицах).Иногда желательно сопротивление, например, в электронных компонентах, называемых резисторами, которые имеют определенное сопротивление. С другой стороны, сопротивление иногда нежелательно, как в проводах, предназначенных для передачи сигналов или мощности от одной точки к другой.

    Когда ток течет через объект с ненулевым сопротивлением, энергия рассеивается в виде тепла. Количество мощности (энергия в единицу времени) P , рассеиваемая сопротивлением R , несущим ток I, определяется как P = I 2 R .Мощность рассеивается в виде тепла. Потери мощности из-за резистивного нагрева являются причиной того, почему протяженные линии электропередач спроектированы так, чтобы иметь минимально возможное сопротивление и работать при возможном высоком напряжении; по закону Ома высокое напряжение означает низкий ток, а по закону силы тока низкий ток означает низкое рассеивание мощности.

    Сопротивление данного куска провода зависит от трех факторов: длины провода, площади поперечного сечения провода и удельного сопротивления материала, из которого он состоит.Чтобы понять, как это работает, представьте себе воду, текущую по шлангу. Количество воды, протекающей по шлангу, аналогично току в проводе. Подобно тому, как через толстый пожарный шланг может пройти больше воды, чем через тонкий садовый шланг, толстый провод может пропускать больше тока, чем тонкий. Для провода чем больше площадь поперечного сечения, тем меньше сопротивление; чем меньше площадь поперечного сечения, тем выше сопротивление. Теперь рассмотрим длину. По очень длинному шлангу труднее протекать воде просто потому, что она должна течь дальше.Точно так же току труднее проходить по более длинному проводу. Более длинный провод будет иметь большее сопротивление. Удельное сопротивление – это свойство материала в проводе, которое зависит от химического состава материала, но не от количества материала или формы (длины, площади поперечного сечения) материала. Медь имеет низкое удельное сопротивление, но сопротивление данной медной проволоки зависит от ее длины и площади. Замена медного провода на провод той же длины и площади, но с более высоким удельным сопротивлением приведет к более высокому сопротивлению.В аналогии со шлангом это похоже на наполнение шланга песком. Через шланг с песком будет течь меньше воды, чем через такой же свободный шланг. Фактически песок имеет более высокое сопротивление потоку воды. Таким образом, полное сопротивление провода представляет собой удельное сопротивление материала, составляющего провод, умноженное на длину провода, деленное на площадь поперечного сечения провода.

    Чем выше напряжение, тем больше мощность? – Mvorganizing.org

    Чем выше напряжение, тем больше мощность?

    Вольт и Ампер Есть несколько способов добраться туда.Пока вы можете потреблять от батареи достаточный ток (в амперах), вы можете получать такое же количество энергии от многих напряжений. Таким образом, теоретически более высокое напряжение само по себе не означает большей мощности.

    Что происходит при повышении напряжения?

    Закон

    Ома гласит, что электрический ток (I), протекающий в цепи, пропорционален напряжению (V) и обратно пропорционален сопротивлению (R). Следовательно, если напряжение увеличивается, ток будет увеличиваться при условии, что сопротивление цепи не изменится.

    Почему более высокое напряжение лучше?

    Батарея с более высоким напряжением может «протолкнуть» больший ток, то есть больше электронов, для заданного сопротивления. Это означает способность выполнять большую работу, что равносильно увеличению мощности. Более высокое напряжение также означает меньший ток для выполнения того же объема работы, что увеличивает срок службы батареи.

    Как напряжение влияет на энергопотребление?

    Чем выше напряжение, тем выше потребляемая мощность в случае чисто резистивной нагрузки.Снижение напряжения не влияет на энергию, используемую бытовыми приборами, использующими резистивные нагрузки, за исключением таких устройств, как чайники и тостеры, которым требуется больше времени для выполнения своей работы из-за атмосферных потерь.

    Приводит ли падение напряжения к увеличению энергопотребления?

    Снижение напряжения не вызывает увеличения потребляемой мощности. Однако для двигателей, мощность которых определяет подключенная нагрузка, может произойти увеличение тока. При той же мощности ток должен увеличиваться, если напряжение снижается.

    Как можно сэкономить энергию дома?

    17 советов по энергосбережению в доме

    1. Остерегайтесь устройств для отвода энергии.
    2. Интеллектуальные удлинители
    3. помогают рационально управлять использованием.
    4. Используйте вместе крупную бытовую технику, чтобы снизить потребление энергии.
    5. Холодная стирка, когда есть возможность – это не хуже!
    6. Сушите одежду и посуду естественным способом.
    7. Обновите, когда придет время для повышения энергоэффективности.

    Какие приборы потребляют больше всего электроэнергии?

    Вот десять самых распространенных бытовых приборов, перечисленных в порядке потребления энергии:

    • Сушильная машина: 75 кВтч / мес.
    • Духовка Диапазон: 58 кВтч / месяц.
    • Освещение 4-5 комнатных домов: 50 кВтч / мес.
    • Посудомоечная машина: 30 кВтч / мес.
    • Телевидение: 27 кВтч / мес.
    • Микроволновая печь: 16 кВтч / мес.
    • Стиральная машина
    • : 9 кВтч / мес.

    Как узнать, какое устройство потребляет больше электроэнергии?

    Чтобы узнать, сколько ватт электроэнергии потребляет устройство, просто подключите монитор к электрической розетке, которую использует устройство, а затем подключите устройство к монитору.Он покажет, сколько ватт потребляет устройство.

    Что мне делать, если мой счет за электричество слишком высок?

    Если счетчик не двигается при отключении сети, то следующее, что вы можете сделать, это выключить все приборы и включить сеть. Если счетчик перемещается, это означает, что в вашей установке неисправна проводка, которая вызывает утечку электричества, и вам необходимо обратиться к электрику, чтобы найти и исправить это.

    Электрические цепи – последовательные и параллельные цепи, Закон об Омах

    Электрические цепи

    7 из 31


    ЧТО ЗАКОН ОМА?
    Существует простая взаимосвязь между напряжением, током, и сопротивление в электрических цепях.Понимание этих отношений важен для быстрой и точной диагностики и ремонта электрических проблем.

    ОМ ЗАКОН
    Закон Ома гласит: ток в цепи прямо пропорционален приложенное напряжение и обратно пропорционально величине сопротивления. Это означает, что если напряжение повышается, ток будет расти, наоборот. Кроме того, когда сопротивление растет, ток падает, наоборот.Закон Ома можно найти хорошее применение при поиске и устранении неисправностей в электрической сети. Но расчет точных значений напряжения, тока и сопротивления не всегда практично … да и действительно не нужно. Более практичный, менее трудоемкое использование закона Ома будет заключаться в простом применении концепций задействовано:

    ИСТОЧНИК НАПРЯЖЕНИЕ не зависит ни от тока, ни от сопротивления. Это либо слишком низкий, нормальный или слишком высокий. Если он слишком низкий, ток будет низким.Если это нормально, ток будет высоким, если сопротивление низкое, или ток будет низким, если сопротивление высокое. Если напряжение слишком высокое, ток будет под кайфом.

    ТОК зависит от напряжения или сопротивления. Если напряжение высокое или сопротивление низкое, ток будет высоким. Если напряжение низкое или сопротивление высокое, ток будет низким.

    СОПРОТИВЛЕНИЕ не зависит ни от напряжения, ни от тока.Либо слишком низко, хорошо, или слишком высоко. Если сопротивление слишком низкое, ток будет высоким при любое напряжение. Если сопротивление слишком велико, ток будет низким, если напряжение хорошо.

    ПРИМЕЧАНИЕ: Когда напряжение остается неизменным, например, в автомобильной цепи … ток увеличивается по мере уменьшения сопротивления, а ток уменьшается по мере уменьшения сопротивления Продолжается. Обходные устройства уменьшают сопротивление, вызывая большой ток. Свободный соединения увеличивают сопротивление, вызывая низкий ток.

    Hitachi FAQ | Что такое сопротивление? (Здесь также упоминаются напряжение и ток)

    A: Сопротивление (которое измеряется в Ом) – это способность материала сопротивляться (не препятствовать) прохождению электрического тока (измеряемого в Амперах). Электрическое сопротивление аналогично трению в механической системе. Трение, как и сопротивление, преобразует энергию в тепло и рассеивает ее в окружающую среду. Следовательно, электрическое сопротивление иногда можно рассматривать как тормозной или демпфирующий механизм цепи.И это важно, потому что истинной потери энергии нет. Вместо этого энергия преобразуется и перенаправляется. Когда достаточное количество тока затруднено (то есть сопротивляется), эта энергия может даже быть преобразована непосредственно в свет, что уменьшает ток. Именно так в лампочке светится резистивный провод.

    Устойчивость к воздействию нескольких факторов. Характер материала, его толщина и длина, а также температура имеют значение. Сопротивление естественно низкое в материалах с высокой проводимостью, таких как металлы.Частично причиной этого являются сильно структурированные кристаллические свойства металла и способность электронов свободно переходить из зоны проводимости одного атома в другой, встречая при этом небольшое сопротивление.

    И наоборот, в нем много материалов, которые являются изоляторами, такими как пластик и резина. Однако не все высокоструктурированные материалы обладают низким сопротивлением. Если структура очень однородная, но сложная, то электроны все равно будут сталкиваться с многочисленными столкновениями, что затрудняет их движение через материал.Стекло имеет аналогичную структуру и как изолятор имеет чрезвычайно высокое удельное сопротивление, но это связано в первую очередь с тем, что в их зонах проводимости практически нет свободного пространства, которое позволяло бы электронам перемещаться через них. Они слишком плотно упакованы.

    Итак, в материалах, в которых атомная структура хорошо выровнена с мин. столкновения и электроны слабо удерживаются, тогда меньше вероятность того, что электроны текущего потока столкнутся с другими атомами и создадут сопротивление.В этом случае мы бы сказали, что проводимость обычно высока, как в случае с металлами и некоторыми жидкостями, содержащими свободные ионы. Именно эти «натыкания» создают разрушение (также известное как сопротивление), и именно «множественные пути, свободные от баррикад», стимулируют проводимость.

    Таким образом, длина сильно влияет на сопротивление; чем больше длина, тем выше сопротивление. Представьте себе материал толщиной в один атомный слой, но невероятно длинный. Есть только один путь вперед с множеством препятствий, если предположить, что это плохой проводник.Теперь, когда материал стал толще, он освобождает больше путей и уменьшает количество препятствий. Таким образом, более толстые вещества обычно имеют более низкое сопротивление и большую емкость.

    Итак, имея это в виду, чем длиннее вещество, тем больше шансов на усиление «столкновения» из-за очевидного увеличения общего количества атомов. То же самое и с толщиной вещества. Чем его больше, тем больше шансов на сопротивление. Но теперь представьте, что вы находитесь на юге. Очень жарко, и жар заставляет замедлиться и не хочется ничего, кроме высокого стакана лимонада.

    То же самое и с нашими бедными электронами. По мере того, как происходит выброс тепла от неровностей барьера и температура материала увеличивается, увеличивается и сопротивление. Этим электронам просто нужен высокий стакан лимонада. Таким образом, материалы с более низкой проводимостью (то есть с высоким сопротивлением) нуждаются в более высоком напряжении (или электродвижущей силе), чтобы выполнять свою работу и перемещать электроны вперед. А более высокое напряжение означает большую мощность (иначе говоря, больший аккумулятор или привод).

    Итак, это имеет смысл, если посмотреть на определение напряжения.Это количество «потенциальной энергии», которое электроны имеют относительно другой точки, обычно называемой «землей», которая определяется как имеющая потенциал 0 вольт.

    P = V x I = VI

    Здесь P – мощность (измеряется в ваттах. Ватты равны 1 джоуль в секунду передачи энергии), I – ток (измеряется в амперах), а V – напряжение.

    Таким образом, Вт = Вольт x Ампер

    Отличная аналогия для этого – сравнение со шлангом (т.е.е. материал (длина / ширина) и резервуар для воды, к которому прикреплен шланг. Когда резервуар полон, на столб воды оказывается большее давление, и вода выходит из шланга с большей силой, чем когда резервуар почти пустой.

    В случае электричества, если вы увеличиваете напряжение (через стабилизатор напряжения) (например, в резервуаре для воды), вы, как правило, пропускаете больше тока (например, воды) через резистивный шланг. И наоборот, если шланг больше (то есть материал толще и менее резистентен), то это имеет тот же эффект, что и подача большего количества воды с большей силой, чем при использовании более тонкого шланга.Все – это компромисс, чтобы найти только правильное сочетание материалов и свойств, которое снижает стоимость и отвечает требованиям производительности.

    Следующая формула прекрасно резюмирует это:

    В = I x r = Ir

    Здесь V – напряжение, «I» – ток в амперах, а r – сопротивление тела.

    Итак, напряжение – это произведение силы тока, протекающего в материале, и его сопротивления. Другими словами, ток (амперы) – это напряжение, деленное на сопротивление тела.А закон Ома гласит, что R = V / I, поэтому, если вы знаете напряжение и ток (которые уже являются фактором сопротивления / проводимости материала), вы автоматически знаете сопротивление.

    Так опасен ли ток (сила тока) или напряжение? Ответ: на самом деле ЭТО ЗАВИСИТ от условий. Ну, в электротехнике есть пара популярных пословиц, которые стоит повторить.

    V не убьет вас, но я убью. А также …

    Я пойду по пути наименьшего сопротивления.

    Тем не менее, несмотря на эти истины, Никола Тесла, изобретатель переменного тока, утверждал, что через тело можно пропустить несколько миллионов вольт тока, когда частота превышает 700 Гц. Частота – это скорость, с которой электроны накачиваются в цепи переменного тока, создавая чередующиеся положительные и отрицательные формы волны. DC (постоянный ток) не имеет частоты или формы волны. Это постоянный и асинхронный сигнал с плоской линией, поэтому приведенные выше пословицы верны. Никола заявил, что все, что превышает 700 Гц, просто протекает по телу.Очаровательно, если правда!

    Фактически, почти любое напряжение может выдерживаться до тех пор, пока человек никогда не соединяется с землей, поэтому обычно V не убьет вас. Это просто потенциал. Вот так птицы садятся на электрические провода. Это заземление (или соединение с землей), которое высвобождает потенциал напряжения и позволяет протекать электрическому току.

    Кроме того, критически важно время, в течение которого ток проходит через вашу систему. Кратковременный момент иногда можно терпеть, но слишком долгий – это катастрофа.Люди были поражены молнией, которая может пропускать через тело ток от 100 до 1000 ампер, и они выжили. Помните, что напряжение – это «потенциал», который стоит на месте, в то время как ток (сила тока) – это напряжение, которое теперь движется к земле, и это напряжение определяет силу тока.

    Хороший способ взглянуть на это: напряжение – это калибр пули, а сила тока – это пуля, которую выстреливает. Таким образом, подобно пуле, когда сила тока проходит через что-то, этот объект или вещество создает сопротивление.И чем большее сопротивление он встречает, тем больший ущерб он может нанести. Если создаваемая сила и тепло будут слишком сильными и слишком внезапными, объект может буквально взорваться. Это часто наблюдается при ударе молнии по дереву. Деревья – плохие проводники и отличные изоляторы, следовательно, у них высокое сопротивление. Внезапный большой ток, протекающий из-за сильного падения напряжения на землю, заставляет энергию двигаться во всех направлениях, поэтому дерево взрывается. С другой стороны, человек является относительно хорошим проводником электричества и, следовательно, имеет меньшее общее сопротивление, поэтому возможно пережить удар молнии.

    Но в целом, когда он не парит в воздухе, не поражен молнией или пулей, можно с уверенностью предположить, что с увеличением потока электронов увеличивается и риск получения травмы. Если напряжение, проходящее через наши тела, имеет низкую скорость (то есть низкий ток / поток), мы почти ничего не чувствуем. Но когда они текут с очень высокой скоростью из-за повышенного потенциала и внезапного высвобождения, тогда происходят плохие вещи. Пока электрические заряды проходят через ваше тело со скоростью менее 1/1000 ампера (или одного миллиампера), они не опасны.Но любое напряжение выше 45 вольт может быть смертельным.

    Обычно считается, что большее напряжение принесет больше вреда, чем меньшее. Но на самом деле именно ток, протекающий между двумя точками, в конечном итоге является причиной поражения электрическим током. Это не само по себе напряжение, а сам фактический поток, ведущий к земле. По мере увеличения потенциала напряжения результат для большего тока также увеличивается, особенно если сопротивление объекта остается постоянным. Это из-за приведенной выше формулы: V = IR, выше напряжение; сильнее удар.

    Итак, если сопротивление материала достаточно низкое (например, человек с мокрыми ногами или руками), то даже небольшое напряжение может произвести ток, достаточный для создания приличного электрошока. В этом вопросе нет общепринятого стандарта безопасности, но можно с уверенностью предположить, что все, что превышает 40 мА, опасно.

    Минимальный ток, который может почувствовать человек, зависит от типа тока (переменного или постоянного тока) и частоты (при условии переменного тока).

    Обычно для нормального 68 кг (150 фунтов.) человеческое применение (переменный ток при 60 Гц):

    1 мА (миллиампер) или (0,001 А) тока может быть войлок . Это уровень восприятия, вызывающий легкое покалывание. Это может быть опасно при определенных условиях.

    5 мА тока может быть тревожным или болезненным с учетом уровня толерантности. Обычный человек может отпустить. Однако сильные непроизвольные реакции могут привести к другим травмам.

    6 мА – 16 мА вызовет болевой шок и человек начнет терять контроль над мышцами .Это обычно называется диапазоном тока замерзания или диапазоном отпускания.

    17–99 мА , вызовет сильную боль, остановку дыхания, сильные схватки, и люди не смогут расслабиться. Смерть возможна .

    100 мА – 2 000 мА вызывает фибрилляцию желудочков (неравномерное, нескоординированное сердцебиение). Начинаются сокращения мышц и повреждение нервов. Смерть вероятна .

    > 2000 мА вызовет остановку сердца, повреждение внутренних органов и тяжелые ожоги. Смерть почти неизбежна .

    Переменный ток (AC) и постоянный ток (DC) несколько по-разному влияют на организм человека, но оба опасны при превышении определенного напряжения. С увеличением напряжения сопротивление нашего тела падает. По сути, тело менее невосприимчиво к силе и времени, когда оно может противостоять силе. За достаточное количество времени ток может быстро разрушить кожу и создать более благоприятный путь с низким сопротивлением, который позволяет беспрепятственно проходить сильному току и увеличивает риск смерти.

    Обычный нормальный человек (при * нормальных условиях) выше уровня земли может выдерживать напряжение около 26 В постоянного тока и 60 В переменного тока, поскольку 1 DCV ≈ 2,23 ACV. * Нормальные условия относятся к прочной сухой коже, без прямого контакта с землей, низкой силе тока (около 10 мА) и нормальному функционированию организма. Обратите внимание, что, поскольку величина переменного тока примерно в 2 раза больше, чем постоянного тока, обычно считается, что переменный ток более опасен, поскольку требуется больше постоянного тока (примерно в два-четыре раза больше), чтобы вызвать те же вредные эффекты, что и переменный ток.С DC сравнительно легче «отпустить» «живые» части, которые были захвачены, что противоречит распространенному мнению и экспериментальным данным. И постоянный ток не влияет на сердце так сильно, как переменный ток, из-за формы волны переменного тока, которая вызывает нарушение.

    Подумайте также об этом: человек может разрядить порядка 50 000 В, когда его сбивает с ковра или от прикосновения к меховой одежде. Но они не особо чувствуют себя из-за очень небольшого тока (потока), который возник за очень короткий промежуток времени при разрядке.

    С другой стороны, человек испытает сильнейший болезненный шок, если он коснется сети 220/110 В, из-за большего тока. Любое из этих непрерывных действий почти наверняка приведет к смерти. В общем, напряжение выше 50 В способно обеспечить достаточный ток, чтобы убить, при условии, что в это время сопротивление кожи достаточно низкое и имеется подходящий обратный путь.

    L1: напряжение, ток и сопротивление

    Содержание

    1. Краткий обзор
      1. Гидравлическая аналогия
    2. Что такое ток?
      1. Развитие интуиции при работе с током
      2. Что такое обычный ток по сравнению сэлектронный поток?
      3. Общие рабочие токи в цепях
    3. Что такое напряжение?
      1. Более точное определение
      2. Общие рабочие напряжения
      3. Относительные напряжения и заземление
      4. Опасно: высокое напряжение!
      5. Как увеличить давление?
    4. Что такое электрическое сопротивление?
      1. Электрическое сопротивление
      2. Повышение проводимости за счет увеличения обхвата провода
      3. Что такое резисторы?
    5. Некоторые общие вопросы
      1. Что такое короткое замыкание?
      2. Что такое обрыв?
      3. В чем разница между переменным и постоянным током?
    6. Activity
    7. Ресурсы
      1. Симуляторы цепей
      2. Текстовые ссылки в Интернете
      3. Ссылки на видео
    8. Следующий урок

    В этом уроке мы узнаем о трех ключевых концепциях электричества: текущий , Напряжение и сопротивление , которые составляют основу электроники и схем.Мы также будем использовать онлайн-симулятор схем, чтобы поиграть с базовыми компонентами и углубить понимание.


    ПРИМЕЧАНИЕ

    Этот материал важен. В зависимости от вашего предыдущего опыта работы в области физики или инженерии, некоторые из этих концепций могут быть совершенно новыми и запутанными. Не торопитесь, чтобы понять (и перечитать) разделы – этот материал поможет вам понять , как работают схемы , и , как и , почему мы подключаем и используем электронные компоненты так, как мы.Но это также , а не курс схем или курс физики, поэтому я в основном сосредоточусь на том, что, по моему мнению, является наиболее важным для физических вычислений.


    Краткий обзор

    Итак, что такое напряжение, ток и сопротивление?

    Короче говоря, напряжение «проталкивает» электронов, через проводящий материал (, например, провод). Количество электронного потока называется током (измеряется в амперах). Некоторые материалы лучше проводят ток, чем другие.Резисторы специально разработаны для сопротивления потоку электронов (сопротивление измеряется в омах).

    Рисунок. Юмористическое, но полезное изображение взаимосвязи между напряжением (измеряется в вольтах), током (измеряется в амперах) и сопротивлением (измеряется в омах). Желтый символ «вольт» пытается протолкнуть зеленый символ «amp» через трубку (, т. Е. – провод), но красный символ «ом» препятствует этому, ограничивая размер трубки (затягивая веревку, уменьшение его обхвата).Источник изображения неизвестен, но в Интернете есть много примеров и альтернатив.

    Какие единицы измерения напряжения, тока и сопротивления?

    Так же, как мы измеряем вес в килограммах и температуру в градусах Цельсия, у нас также есть стандартные единицы измерения тока, напряжения и сопротивления (называемые единицами СИ в Международной системе единиц ). Мы будем часто использовать эти величины и измерения в физических вычислениях, поэтому уделите время изучению приведенной ниже таблицы.

    Количество Символ Единица измерения Аббревиатура единицы измерения
    Ток \ (I \) Ампер (или Ампер) A A Напряжение A (В \) Вольт В
    Сопротивление \ (R \) Ом Ом

    Гидравлическая аналогия

    В схемах мы часто используем гидравлические аналогии для облегчения понимания.Например, мы можем рассматривать напряжение как аналог давления воды в водопроводной системе. Увеличение давления воды дает больше силы для продвижения молекул воды по трубам. Вода течет от высокого давления (подача) до низкого давления (из открытого клапана). Точно так же увеличение напряжения обеспечивает большую силу для «проталкивания» электронов с высокого электрического потенциала на низкого электрического потенциала через цепь.

    Как более широкая водопроводная труба может пропускать больше воды, так и более толстый проводящий провод может пропускать больший ток. Препятствия в трубе, такие как песок или, что еще хуже, глина, могут замедлить течение воды. Эти препятствия похожи на резисторы, которые мы можем вставлять в цепи, чтобы препятствовать прохождению тока (резисторы – это электронные компоненты с менее смещаемыми электронами).

    9702
    Электрический Гидравлический
    Скорость потока Ток, ампер (колумбов / сек) Скорость потока, GPM 9036 галлонов / минуту Напряжение, В Давление, фунт / кв. Дюйм (фунт на квадратный дюйм)
    Сопротивление Сопротивление, Ом (вольт / ампер) Сопротивление, фунт / дюйм2
    Рисунок. Вот аналогия с гидравлической системой, которая немного отличается от описанной выше водопроводной системы. Здесь у нас есть резервуар для воды, наполненный водой с отверстием на дне: по мере увеличения уровня воды давление (напряжение) на воду на дне резервуара также увеличивается, что соразмерно увеличивает количество воды, вытекающей из дыра. Если мы увеличим размер отверстия (уменьшим сопротивление), будет течь больше воды (тока). Примечание: направление анимации показывает условный ток .Водная диаграмма основана на иллюстрации из книги Платта « Make: Electronics ».

    Давайте углубимся в каждую из этих концепций, начиная с текущей.

    Что сейчас?

    Рисунок. Ток – это поток заряженных частиц, в данном случае электронов, через проводник. На приведенной выше анимации мы иллюстрируем «поток электронов» в виде пунктирной зеленой линии, которая течет от отрицательной клеммы батареи 9 В через светодиод и резистор, а затем обратно к батарее 9 В к ее положительной клемме.Обратите внимание, что это на самом деле противоположно стандартному текущему потоку , но мы вернемся к этому ниже. Анимация из инженерного мировоззрения.

    Ток – это поток заряженных частиц по проводнику. В цифровых схемах эти заряженные частицы представляют собой электрона, (отрицательно заряженные частицы), движимые электродвижущей силой (напряжением) для перехода от «высокого давления» к «низкому давлению» в цепи.

    Электрический ток подобен току воды, движущемуся по трубе.Как и в случае с водой, где мы можем направлять поток воды по трубам различной конфигурации и использовать ее кинетическую энергию (, например, , вращая турбину), мы также можем использовать провода для направления потока электронов и использовать их для питания ламп, поворота двигатели, и т. д.

    Чтобы измерить поток воды, мы могли бы подсчитать количество молекул воды, проходящих мимо данного поперечного сечения трубы за время \ (t \). Точно так же мы можем измерить электрический ток, «подсчитав» количество зарядов, протекающих по проводу.{19} \) электронов в секунду! “- вместо этого мы используем единицу измерения электрического тока в системе СИ, называемую ампер или ампер (A), что просто равно 1 столбцу в секунду:

    \ [1 A = 1 C / s \]

    Хотя вам не нужно этого делать при создании прототипов схем, вы, конечно, можете использовать эти формулы для расчета количества электронов, проходящих через поперечное сечение провода за время \ (t \). Мы делаем это ниже на изображении просто для иллюстративных целей: сколько электронов проходит через заданную точку за 3 секунды, если проводник переносит ток 2 А? Ответ: \ (6C \) (6 знаков) или \ (3.{19} \) электроны.

    Используя приведенные выше формулы, мы можем вычислить количество электронов, которые проходят через поперечное сечение провода за три секунды, если провод проходит через ток 2А. Изображение из главы 2 книги «Практическая электроника для изобретателей » Шерца и Монка.

    Создание интуиции для тока

    Важно, как и в вашей домашней водопроводной системе, где вода мгновенно вытекает из крана, когда вы открываете клапан (например, под давлением воды из водонапорной башни), так же мгновенно течет и ток. когда приложено напряжение (например, от аккумулятора).И, что очень важно, молекулы воды, которые касаются вашей руки, не проходят через вашу водопроводную систему в одно мгновение. Вместо этого ваши трубы полностью заполнены водой под давлением – так же, как проводящая проволока заполнена атомами. Когда вы открываете кран, молекулы воды, которые касаются ваших рук, являются молекулами, которые толкают кран этого крана (что-то вроде очереди «первым пришел – первым вышел»).

    Это похоже на ток в цепи – атомы плотно упакованы в материал с вращающимися электронами.Когда подается напряжение, эти электроны начинают «прыгать» от одного атома к другому через проводник, но не мгновенно перемещаются от A к B (см. Видео).

    Анимация прыжков зарядов (электронов) от атома к атому под действием приложенного напряжения. Это упрощенная модель, показывающая провод (проводник) толщиной всего в один атом, но помогающий проиллюстрировать каскадное движение электронов в потоке тока. Изображение из Что такое электричество? пользователя Sparkfun.com.

    Другой способ думать о текущем потоке – это как трубка, заполненная шариками встык.Если шарик вставлен слева, другой шарик немедленно выйдет из трубки справа. Несмотря на то, что каждый шарик проходит лишь небольшое расстояние, передача движения происходит почти мгновенно. В случае электричества общий эффект от одного конца проводника до другого происходит со скоростью света; однако каждый отдельный электрон проходит через проводник гораздо медленнее. Действительно, средняя скорость, с которой электроны движутся по проводу из-за приложенного электрического поля, например, от батареи, составляет порядка сантиметров в час (называемая скоростью дрейфа)!

    Рисунок. Вы можете представить электроны, текущие по цепи, как шарики, плотно упакованные в трубку. Для создания движения шарику не нужно пересекать всю трубу. Вместо этого, когда шарик вставляется в левую сторону трубки, шарик с правой стороны мгновенно выходит. Изображение из All About Circuits. Смотрите также это видео от Afrotechmods.

    Что такое обычный ток по сравнению с потоком электронов?

    Рисунок. В приведенной выше анимации мы показываем две электрические цепи , те же , но различие между потоком электронов и потоком тока .В цепях отрицательно заряженные частицы (электроны) перемещаются от отрицательных выводов батареи (или источника напряжения) к положительным – это называется потоком электронов ; однако при моделировании цепей (и использовании схемных формул) мы используем условный ток , , который движется в противоположном направлении.

    В электрических цепях мы используем условный ток для моделирования потока заряда от положительного вывода источника напряжения к отрицательному; однако электроны на самом деле движутся в направлении , противоположном направлению (так называемый поток электронов , ).Это вызывает большое недоумение!

    Почему? Во всем виноват Бенджамин Франклин. В ранних экспериментах (середина 1740-х годов) Франклин определил, что электричество кажется «текущим», как если бы жидкость в твердом материале. Он предположил, что текущие заряды имеют положительный знак и перешли от положительного к отрицательному. Однако только в 1897 году сэр Джозеф Томсон определил, что реальным носителем заряда в проводе был электрон и что электроны движутся от катода (отрицательного) к аноду (положительному).

    Рисунок. Франклин считал, что положительные носители заряда перемещаются в проводнике от положительного к отрицательному. Это называется направлением обычного тока , которое используется до сих пор. Вместо этого, как обнаружил Томсон, в проводнике (отрицательно заряженном) движутся электроны, переходящие от отрицательного к положительному. Это называется потоком электронов . Изображение из главы 2 книги «Практическая электроника для изобретателей » Шерца и Монка.

    Несмотря на эту путаницу, оказывается, что пока вы последовательны, это не имеет значения: отрицательные электроны, движущиеся в одну сторону, эквивалентны моделированию положительных зарядов, движущихся в другую.Итак, мы склонны использовать условный ток (моделирование потока заряда от положительного к отрицательному) в электронике (, например, в диаграммах, формулах, и т. Д., ). Математика все равно будет работать, и даже мнемоника, такая как правило правой руки, основана на обычном токе (наведите указатель пальца в направлении тока \ (I \), см. Направление электрического поля \ (B \)).

    Общие рабочие токи в цепях

    Когда вы начнете работать с физическими вычислениями, вы лучше поймете « Что такое большой ток? vs.{17} \) электронов / сек.

    Большинство USB-портов обеспечивают питание 5 В с максимальным током 0,5 А (500 мА). Некоторым электрическим компонентам, таким как двигатели или длинная цепочка светодиодных ламп, требуется больший ток (так называемые «сильноточные нагрузки»), чем может обеспечить микроконтроллер или порт USB. В этих случаях мы можем использовать внешний источник питания, управляемый транзистором.

    Что такое напряжение?

    Рисунок. Вы можете думать о напряжении как о том, что «толкает» электроны по цепи.Анимация из видео с объяснением напряжения от The Engineering Mindset.

    Хорошо, так если ток течет заряда в цепи? Что заставляет эти обвинения двигаться?

    Подобно магнитам, заряды с одинаковым знаком и отталкиваются друг от друга (, например, электрона отталкиваются друг от друга, потому что все они заряжены отрицательно), а заряды с противоположными знаками притягивают друг друга (, например, электронов и протонов. ). Батарея использует химические реакции, чтобы вызвать скопление электронов на отрицательном полюсе – это создает «давление» или электрическую разницу между двумя выводами батареи.

    Когда вы подключаете клеммы батареи (, т.е. замыкают цепь), потоки электронов изменяют этот дисбаланс с отрицательной клеммы на положительную. Но помните, что с обычным током мы моделируем движение заряда в другом направлении, поэтому мы показываем ток, идущий от положительного вывода к отрицательному; в этом случае мы называем заряды на положительном выводе имеющими высокую потенциальную энергию, а заряды на отрицательном выводе – как имеющие низкую потенциальную энергию.

    Короче говоря, вы можете представить себе напряжение как давление в водопроводной трубе: чем больше давление, тем больше воды проходит через трубу.Точно так же, увеличивая напряжение, мы можем «протолкнуть» больше электронов через провод.

    Действительно, Википедия ссылается на Voltage как на «электрическое давление», «электродвижущую силу» и «разность электрических потенциалов», чтобы зафиксировать этот толкающий (или отталкивающий) эффект. Это разумное концептуальное приближение: вы можете думать о напряжении как о мере «давления», которое вызывает протекание тока. Между двумя компонентами, если существует разность электрических потенциалов 0 В, ток не будет течь.

    Более точное определение

    Точнее, напряжение – это работа, необходимая для переноса заряда из одного места в другое в электрическом поле. Напряжение дает нам представление о том, сколько «толкающей» силы имеет электрическое поле, и определяется как электрическая потенциальная энергия на единицу заряда (, например, электрона), которая измеряется в джоулях на столбец (вольты):

    \ [ 1 \ V = 1 \ джоуль \ (из \ работы) / 1 \ кулон \ (из \ заряда) \]

    Поскольку джоуль является единицей энергии , напряжение вводит очень важную и необходимую концепцию: потенциал делать работа ( эл.г., для питания лампочки, раскрутки мотора)!

    Рисунок. Анимация, показывающая аналогию между электрической цепью и «водяной» цепью. В батарее электрический потенциал зарядов увеличивается по мере их движения к положительному выводу (более высокое напряжение) – этот потенциал падает по мере выполнения работы ( например, протекает через резистор). Точно так же молекулы воды, перекачиваемые на более высокие высоты, имеют на более высокий потенциал для выполнения работы; этот потенциал уменьшается, когда вода течет на более низкие высоты или используется для выполнения работ ( e.г., раскрутить турбину). Обратите внимание, что в этих системах не теряются заряды (или молекулы воды), но потенциальная энергия этих частиц преобразуется в другие формы (, например, кинетическая, тепловая).

    И точно так же, как мы можем использовать «энергию» проточной воды для выполнения работы – например, для вращения турбины, – мы также можем использовать протекающий ток для выполнения работы. Когда электроны движутся по цепи и выполняют работу (приводят в движение двигатель, нагревают провод, включают свет), они начинают терять свой «электрический потенциал».См. Анимацию выше.

    Стандартные рабочие напряжения

    В цифровых схемах обычные рабочие напряжения относительно малы – например, 3,3 В или 5 В – по сравнению с напряжением, подаваемым вашей настенной розеткой (которое в США составляет 120 В!). Популярный микроконтроллер ESP32 работает от 3,3 В, а платы Arduino Uno и Arduino Leonardo работают от 5 В. Зарядное устройство для моего Apple iPhone выдает 5 В и может обеспечивать ток до 2 А. Важно отметить, что вы не хотите подавать напряжение, выходящее за пределы указанного входного напряжения электрического компонента, иначе вы рискуете повредить вещи.Поэтому очень важно, чтобы вы прочитали техническое описание компонента перед его использованием (что мы узнаем, как это сделать на следующих уроках).

    Относительные напряжения и земля

    По определению, напряжение – это разность электрического потенциала между двумя точками . Когда мы фактически начнем измерять напряжения в цепи (с помощью мультиметра), вы заметите, что мы не можем просто разместить в цепи один щуп. Вместо этого мы должны разместить два зонда в разных местах, чтобы измерить разницу напряжений между ними (также называемую падением напряжения ).

    Для упрощения расчетов мы выбираем какую-либо точку в цепи – обычно точку с наименьшим электрическим потенциалом (, например, провода, подключенные к отрицательной клемме батареи) – как 0 вольт. Как отмечает Бартлетт (глава 4.3), « Эта« нулевая точка »имеет несколько названий, наиболее популярным из которых является земля (часто сокращенно GND ). Он называется заземлением, потому что исторически физическое заземление часто использовалось в качестве опорного напряжения для цепей .

    Возвращаясь к аналогии гравитационного напряжения, сколько потенциальной энергии имеет скала, достигнув земли? Никто! Чтобы камень получил потенциальную энергию, нам нужно выполнить работу и поднять камень.

    Опасно: высокое напряжение!

    Вы могли видеть такие предупреждения, как: ОПАСНОСТЬ: ВЫСОКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ , но вы также могли слышать противоречивые фразы вроде « убивает не напряжение, а ток. »Как оба могут быть правдой?

    Ну, в некотором смысле: они есть.Высокое напряжение может протолкнуть через ваше тело больше тока, чем низкое напряжение, и именно ток может сжигать ткани, препятствовать контролю над мышцами и вызывать фибрилляцию сердца. Действительно, люди могут чувствовать, что через их тела проходят токи постоянного тока величиной 0,6–1,0 мА, токи 40–60 мА вызывают боль, а ток ~ 90 мА и более достаточен для остановки сердца / дыхания.

    Но – и это важное но – наши тела обладают довольно высоким сопротивлением. И напряжения, с которыми мы работаем (обычно 3.3 В и 5 В) просто недостаточно высоки, чтобы «протолкнуть» ток через наши тела. Однако влажная кожа может снизить вашу сопротивляемость, а металлические украшения могут вызвать случайное короткое замыкание (и, возможно, термические ожоги). Так что будь осторожен.

    Как правило, самая опасная электрическая вещь в вашем доме – это линейное напряжение, выходящее из ваших домашних розеток (120 В при 60 Гц в США и 240 В при 50 Гц во многих других странах). Никогда не открывайте какое-либо электронное устройство, пока оно подключено к сети, и даже в этом случае будьте осторожны (заряженные конденсаторы могут еще какое-то время поддерживать высокое напряжение).

    Дополнительные сведения об электробезопасности см. В этой статье на AllAboutCircuits.com или в разделе «Безопасность» (глава 7.1) книги «Практическая электроника для изобретателей».

    Вы также можете посмотреть это видео популярного ютубера ElectroBOOM, в котором исследуется его переносимость боли между переменным и постоянным током.

    Как мы можем увеличить давление?

    Аккумулятор имеет несбалансированный электрический заряд между положительным и отрицательным выводами. Когда цепь подключена, электрические заряды (электроны) текут, чтобы «исправить» этот дисбаланс.Чем больше дисбаланс (, то есть , тем выше напряжение), тем больше «толчок» и тем больше электронов течет (более высокий ток).

    Если вы соедините две батареи последовательно (, т. Е. ), вы увеличите их способность «толкать» электроны – фактически, вы суммируете напряжения батарей. Итак, две стандартные щелочные батареи AA на 1,5 В, соединенные последовательно, будут иметь разность потенциалов 3 В, что может «протолкнуть» больше электронов по цепи – см. Анимацию ниже.

    Рисунок. Когда вы подключаете батареи последовательно, вы увеличиваете «толкающую» силу – действительно, вы суммируете напряжения батарей (итого 1,5 В + 1,5 В = 3 В в сумме). Больше напряжения, больше давления. Чем больше давление, тем больше электронов «проталкивается» через цепь. Анимация из видео с объяснением напряжения от The Engineering Mindset.


    ПРИМЕЧАНИЕ: БАЗОВЫЕ МОДУЛИ

    Когда вы изучите и начнете анализировать электрические схемы, важно обратить внимание на единицы . Базовая единица измерения напряжения – вольт (В), базовая единица измерения тока – амперы или амперы (А), а базовая единица сопротивления – омы (Ом).Как уже отмечалось, с цифровыми схемами мы часто работаем с напряжениями от 0 до 5 В (а иногда и с 9 В или 12 В), но сила тока часто находится в миллиамперном диапазоне, например 0,02 А или 0,1 А, а общие сопротивления включают 220 Ом, 1000 Ом, 2200 Ом. , и даже 10000 Ом. Однако, как правило, они записываются как 20 мА, 100 мА и 1 кОм, 2,2 кОм и 10 кОм соответственно. Таким образом, важно внимательно отслеживать единицы измерения и преобразовывать значения в базовые единицы для анализа. Мы поговорим об этом подробнее на уроке закона Ома.


    Что такое электрическое сопротивление?

    Рисунок. При движении электронов в материале они могут сталкиваться с некоторыми атомами или другими электронами. Эти столкновения создают сопротивление. На приведенной выше анимации обратите внимание на то, что у железной проволоки больше столкновений, чем у медной. Железо на ~ 17% электропроводнее, чем медь. При 20 ° C удельное электрическое сопротивление железа составляет 96,1 наноом-метра, а удельное сопротивление меди – 16,8 наноом-метра. Обратите внимание на ореол вокруг железной проволоки: это показано, как часть «кинетической» энергии или энергии движения электронов преобразуется в тепло или свет в результате этих столкновений.Действительно, вот как работают лампы накаливания, тостеры и электрические обогреватели! Анимация из видеофильма “Как работает электричество” от The Engineering Mindset.

    Когда электроны движутся через материал, они могут сталкиваться с некоторыми атомами или другими электронами. Эти столкновения создают сопротивление электрическому току. Примечательно и важно то, что это сопротивление замедляет все движения заряда (тока) в цепи, а не только те заряды, которые проходят через резистивный материал.

    Распространенная, но несовершенная аналогия для электрического сопротивления: механическое трение ; резистор преобразует электрическую энергию в тепловую (и вызывает падение напряжения) так же, как трение преобразует кинетическую механическую энергию в тепло.

    В зависимости от атомного состава некоторые материалы имеют более низкое сопротивление, чем другие. Металлы, такие как серебро, медь и золото, являются хорошими проводниками – они предлагают низкое сопротивление – потому что они имеют слабосвязанные электроны во внешних оболочках своих атомов.Эти электроны легко перемещаются и с помощью приложенного электрического поля могут «выталкиваться» от атома к атому в материале с образованием тока.

    В системе СИ единицей электрического сопротивления является ом (Ом). Прямая инверсия сопротивления – это , проводимость . Материалы с низким сопротивлением называются проводниками . Напротив, такие материалы, как стекло, резина и воздух, обладают высоким сопротивлением и плохой проводимостью («низкая подвижность электронов») – эти материалы называются изоляторами .

    Рисунок. На изображении показан медный провод с ПВХ изоляцией.

    Сопротивление \ (R \) объекта определяется как отношение напряжения \ (V \) на нем к току \ (I \) через него, в то время как проводимость \ (G \) является обратной величиной:

    \ ( R = \ frac {V} {I} \), \ (G = \ frac {1} {R} \)

    При достаточном напряжении (давлении) почти любой материал может проводить электрический ток (даже воздух, как видно из молния). Сопротивление (или проводимость) провода зависит не только от типа материала, но также от его температуры и размера (как длины, так и толщины).Короче говоря, для металлической проволоки сопротивление падает с увеличением диаметра проволоки или температуры. И сопротивление увеличивается с увеличением длины провода.

    Википедия дает хорошую аналогию на водной основе:

    «прохождение тока через материал с высоким сопротивлением подобно проталкиванию воды по трубе, заполненной песком. Напротив, прохождение тока через материал с низким удельным сопротивлением похоже на проталкивание воды через пустую трубу. Если трубы одинакового размера и формы, у трубы, заполненной песком, будет более высокое сопротивление потоку.Однако сопротивление определяется не только наличием или отсутствием песка. Это также зависит от длины и ширины трубы: короткие или широкие трубы имеют меньшее сопротивление, чем узкие или длинные трубы ».

    Чтобы помочь наглядно проиллюстрировать эту идею, профессор Сквайер создал несколько полезных эскизов – см. Подпись для более подробной информации:

    Рисунок. Продолжая наши аналогии с водой: представьте две трубы, заполненные резистивными материалами, одну – гравием (меньшее сопротивление), а другую – глиной (большее сопротивление).Обе трубы имеют равное количество воды под давлением (напряжением), «проталкивая» воду через них. Труба с меньшим сопротивлением (гравий) будет иметь больший поток воды (ток). Изображение из учебника по электричеству профессора Ричарда Сквайера.

    Электрическое сопротивление

    Поскольку сопротивление – это не только внутреннее свойство материала (, например, на основе его атомного состава), но также основанное на форме и размере материала, мы используем удельное электрическое сопротивление \ (\ rho \) , который не зависит от размеров материала (при условии, что температура постоянна).

    Более конкретно, при постоянной температуре удельное электрическое сопротивление \ (\ rho \) провода можно рассчитать по формуле:

    \ (\ rho = R {\ frac {A} {\ ell}} \),

    где \ (R \) – электрическое сопротивление однородного образца материала, \ (ℓ \) – длина образца, а \ (A \) – площадь поперечного сечения образца. Единица измерения удельного сопротивления в системе СИ – ом-метры (Ом · м).

    Подобно сопротивлению и проводимости, мы также можем описать удельное сопротивление в терминах его обратной величины, которая равна проводимости \ (\ sigma \):

    \ [\ sigma = \ frac {1} {\ rho} \]

    В системе СИ проводимость измеряется в сименсах на метр (См / м).{-14}

    Увеличение проводимости за счет увеличения обхвата провода

    Как отмечалось выше, мы можем увеличить проводимость провода на , увеличив его диаметр («труба большего размера» для протекания тока). Снова опираясь на нашу аналогию с водой: точно так же, как труба большего диаметра может выдерживать большее количество воды, так и более толстая проволока может поддерживать больший поток.

    Поскольку диаметр проволоки очень важен для текущей допустимой нагрузки, существует стандартизированная система измерения.В США мы используем систему American Wire Gauge или AWG. Провод диаметром 5,2 мм (AWG 4) имеет ток 59,6 А. Для сравнения: стандартный провод для прототипирования схемы (0,64 мм или AWG 22) – см. Рисунок ниже – имеет допустимую нагрузку по току 0,9 А.

    Рисунок. Пример одножильного провода AWG, обычно используемого при прототипировании схем. Коробка с проволокой слева стоит 29,95 доллара за десять 25-футовых катушек от Adafruit.

    Как ни странно, увеличивающиеся номера AWG обозначают уменьшающиеся диаметров провода (и, как ни странно, калибры AWG всегда целые числа, но могут быть меньше 1 с ‘0’, ’00’ или даже ‘000’ для очень толстого провода) .

    Если пропустить через провод больше тока, чем его допустимая емкость, он начнет нагреваться и, в конце концов, сгорит. Действительно, так устроены предохранители и на работу! Предохранители содержат тонкие провода, которые защищают вашу цепь от опасно высокого тока и «сгорают», чтобы мгновенно отключить вашу цепь (создавая «разрыв цепи»), если приложен большой ток. Затем вы можете заменить предохранитель, что намного дешевле и проще, чем замена вашего электрического устройства или прибора. В Интернете есть много отличных видеороликов об этом, в том числе здесь и здесь.

    Рисунок. Если мы попытаемся пропустить через провод большое количество тока и превысить его пропускную способность (например, путем подключения источника высокого напряжения), то провод нагреется и может вызвать пожар. Это может произойти почти мгновенно, что является принципом действия предохранителя (показан выше). Плавкий предохранитель предназначен для сгорания , что приводит к отключению вашей цепи при подаче очень большого тока. Видео с Robinson Auto.

    Что такое резисторы?

    Рисунок. На этой анимации показано, как резистор можно разместить между двумя проводами, чтобы уменьшить ток. Обратите внимание, как электроны свободно проходят по медному проводу. С резистором эти электроны «сталкиваются» с другими атомами и самими собой, что ограничивает поток электронов (а также преобразует некоторую энергию в тепло). Анимация из инженерного мировоззрения.

    Резисторы – это специально разработанные электрические компоненты, которые ограничивают ток с определенной скоростью в зависимости от их состава материала и конструкции.В схемах мы размещаем резисторы между компонентами, чтобы снизить ток. Зачем нам ограничивать ток? Короче говоря, для защиты компонентов в нашей цепи, которым требуется более низкий ток (например, светодиодов).

    Подобно тому, как происходит падение давления после перегиба шланга, возникает падение напряжения после резистора. То есть электрические заряды перед резистором имеют более высокий электрический потенциал, чем заряды после него.

    Некоторые общие вопросы

    Прежде чем перейти к следующему уроку, давайте рассмотрим некоторые общие вопросы.

    Что такое короткое замыкание?

    Рисунок. Короткое замыкание – это когда есть путь с нулевым сопротивлением обратно к источнику питания. Это никогда не бывает хорошо! Анимация сделана в среде моделирования Phet.

    Короткое замыкание – это короткое замыкание с нулевым сопротивлением между двумя сторонами источника питания, например, если положительный и отрицательный полюсы батареи напрямую соприкасаются. Это плохо, и этого следует избегать. Короткое замыкание может вызвать чрезмерный ток, привести к сгоранию компонентов, воспламенению или даже к взрыву.Вот видео о закорачивании четырех батареек AA, новостной сюжет о том, как начался пожар в результате короткого замыкания двух батарей 9 В, и сообщение Stack Exchange о замыкании одной щелочной батареи AA.

    Когда мы создаем схемы, мы, очевидно, не пытаемся создать короткие замыкания , но они могут, случайно, произойти. Например, мы можем непреднамеренно подключить источник 5 В к земле, соприкоснуться двумя проводами или даже случайно соединить две точки в цепи с помощью отвертки или другого металлического инструмента.При работе с вашей схемой всегда убедитесь, что это без питания , чтобы предотвратить случайное короткое замыкание во время сборки.

    Как узнать, что что-то закорочено? Вы можете почувствовать запах гари или прикоснуться к проводу или другому горячему электрическому компоненту. Если это произойдет – а это в конечном итоге произойдет со всеми нами – немедленно отключите источник питания!

    Обратите внимание, что ваш USB-порт и микроконтроллеры Arduino имеют определенный уровень защиты от короткого замыкания. Например, если вы начнете потреблять слишком много тока от USB, он (надеюсь) автоматически отключится.И в ваших домах, конечно же, есть встроенные «автоматические выключатели», которые автоматически срабатывают при потреблении избыточного тока (например, при коротком замыкании). Посмотрите, как автоматический выключатель работает в замедленном режиме, здесь и здесь.

    Когда срабатывает автоматический выключатель, он создает разрыв цепи , который мы опишем далее!

    Что такое обрыв?

    В то время как замкнутая цепь представляет собой полную цепь («круг» для протекания тока), разомкнутая цепь представляет собой незавершенную цепь .Например, когда нет пути от положительной клеммы аккумулятора к отрицательной. Это может произойти намеренно (, например, из-за размыкания переключателя) или непреднамеренно (, например, цепь отключается из-за перегорания предохранителя).

    Рисунок. Замкнутая цепь – это когда нет пути между положительной и отрицательной клеммами вашего источника питания. Это неполная схема. Анимация сделана в среде моделирования Phet.

    В чем разница между переменным и постоянным током?

    В цифровых схемах используется постоянный ток (DC), который питается от батарей или адаптеров переменного тока, которые преобразуют переменный ток из сетевой розетки в постоянный ток, используемый зарядными устройствами вашего телефона или ноутбука.

    На YouTube есть много отличных видеороликов, объясняющих разницу между переменным и постоянным током, например, от AddOhms и от KEMET Electronics.

    Activity

    Чтобы лучше понять общие рабочие напряжения / токи, мы хотели бы, чтобы вы задокументировали входные напряжения / ток переменного тока и выходные напряжения / ток постоянного тока устройств в вашем доме. Выберите пять устройств и сделайте снимок устройства и его адаптера переменного / постоянного тока с видимой рабочей информацией о переменном / постоянном токе (если вы не можете найти эту наклейку, она может быть на самом устройстве, что тоже нормально).В свои журналы прототипов включите эти изображения вместе с таблицей рабочих входных / выходных напряжений / тока и кратким описанием того, что вы обнаружили.

    Рисунок. Вот пример входа переменного и постоянного тока трех устройств в моем доме.

    Ресурсы

    Имитаторы цепей

    Мы рекомендуем следующие базовые имитаторы цепей (они не предназначены для расширенного анализа):

    • Falstad’s CircuitJS.Полностью бесплатная веб-платформа с открытым исходным кодом для моделирования схем с помощью анимации схем.
    • EveryCircuit.com. Подобно CircuitJS в поддержке имитированных анимаций текущего, но более мощного (а также не бесплатного, хотя есть бесплатная пробная версия). Нет никакого «проводного» компонента; вам нужно щелкнуть один узел, а затем другой узел, чтобы установить соединение.
    • Circuitlab.com. Более традиционный симулятор схем, который не так доступен для новичков / производителей. Вы можете использовать пробную версию, но количество схем, которые вы можете создать, ограничено без платной учетной записи.

    Текстовые ссылки в Интернете

    • Глава 2: Схема Thoery, Scherz & Monk, Практическая электроника для изобретателей, 4-е издание
    • Основные электрические величины: ток, напряжение, мощность
    • Напряжение, ток, сопротивление и закон Ома, Sparkfun .com
    • Электрическое сопротивление и проводимость, Википедия
    • Электродвижущая сила, opentextbc.ca

    Ссылки на видео

    • Введение в разность потенциалов и напряжение, Академия Хана
    • Электроника для начинающих, афротехмоды.com
    • Напряжение, ток, сопротивление, mathandscience.com
    • Что такое закон Ома ?, mathandscience.

    Оставить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *