Как найти u в физике: Закон Ома онлайн - формулы и калькулятор - Санкт-Петербургское государственное бюджетное учреждение социального обслуживания населения

Содержание

Как найти мощность, зная силу тока, напряжение и сопротивление

Статья
Видео

В физике достаточно много внимания уделено энергии и мощности устройств, веществ или тел. В электротехнике эти понятия играют не менее важную роль чем в других разделах физики, ведь от них зависит насколько быстро установка выполнит свою работу и какую нагрузку понесут линии электропередач. Исходя из этих сведений подбираются трансформаторы для подстанций, генераторы для электростанций и сечение проводников передающих линий. В этой статье мы расскажем, как найти мощность электрического прибора или установки, зная силу тока, напряжение и сопротивление.

Определение
Формулы для расчётов цепи постоянного тока
Для переменного тока
Пример расчёта полной мощности для электродвигателя
Расчет для параллельного и последовательного подключения
Заключение

Определение

Мощность – это скалярная величина. В общем случае она равна отношению выполненной работы ко времени:

P=dA/dt

Простыми словами эта величина определяет, как быстро выполняется работа. Она может обозначаться не только буквой P, но и W или N, измеряется в Ваттах или киловаттах, что сокращенно пишется как Вт и кВт соответственно.

Электрическая мощность равна произведению тока на напряжение или:

P=UI

Как это связано с работой? U – это отношение работы по переносу единичного заряда, а I определяет, какой заряд прошёл через провод за единицу времени. В результате преобразований и получилась такая формула, с помощью которой можно найти мощность, зная силу тока и напряжение.

Формулы для расчётов цепи постоянного тока

Проще всего посчитать мощность для цепи постоянного тока. Если есть сила тока и напряжение, тогда нужно просто по формуле, приведенной выше, выполнить расчет:

P=UI

Но не всегда есть возможность найти мощность по току и напряжению. Если вам они не известны – вы можете определить P, зная сопротивление и напряжение:

P=U²/R

Также можно выполнить расчет, зная ток и сопротивление:

P=I²*R

Последними двумя формулами удобен расчёт мощности участка цепи, если вы знаете R элемента I или U, которое на нём падает.

Для переменного тока

Однако для электрической цепи переменного тока нужно учитывать полную, активную и реактивную, а также коэффициент мощности (соsФ). Подробнее все эти понятия мы рассматривали в этой статье: https://samelectrik.ru/chto-takoe-aktivnaya-reaktivnaya-i-polnaya-moshhnost.html.

Отметим лишь, что чтобы найти полную мощность в однофазной сети по току и напряжению нужно их перемножить:

S=UI

Результат получится в вольт-амперах, чтобы определить активную мощность (ватты), нужно S умножить на коэффициент cosФ. Его можно найти в технической документации на устройство.

P=UIcosФ

Для определения реактивной мощности (вольт-амперы реактивные) вместо cosФ используют sinФ.

Q=UIsinФ

Или выразить из этого выражения:

И отсюда вычислить искомую величину.

Найти мощность в трёхфазной сети также несложно, для определения S (полной) воспользуйтесь формулой расчета по току и фазному напряжению:

S=3U_фI_ф

А зная Uлинейное:

S=1,73*U_лI_л

1,73 или корень из 3 – эта величина используется для расчётов трёхфазных цепей.

Тогда по аналогии чтобы найти P активную:

P=3U_фI_ф*cosФ=1,73*U_лI_л*cosФ

Определить реактивную мощность можно:

Q=3U_фI_ф*sinФ=1,73*U_лI_л*sinФ

На этом теоретические сведения заканчиваются и мы перейдём к практике.

Пример расчёта полной мощности для электродвигателя

Мощность у электродвигателей бывает полезная или механическая на валу и электрическая. Они отличаются на величину коэффициента полезного действия (КПД), эта информация обычно указана на шильдике электродвигателя.

Отсюда берём данные для расчета подключения в треугольник на Uлинейное 380 Вольт:

P_{на валу}=160 кВт = 160000 Вт
n=0,94
cosФ=0,9
U=380

Тогда найти активную электрическую мощность можно по формуле:

P=P_{на валу}/n=160000/0,94=170213 Вт

Теперь можно найти S:

S=P/cosφ=170213/0,9=189126 Вт

Именно её нужно найти и учитывать, подбирая кабель или трансформатор для электродвигателя. На этом расчёты окончены.

Расчет для параллельного и последовательного подключения

При расчете схемы электронного устройства часто нужно найти мощность, которая выделяется на отдельном элементе. Тогда нужно определить, какое напряжение падает на нём, если речь идёт о последовательном подключении, или какая сила тока протекает при параллельном включении, рассмотрим конкретные случаи.

Здесь Iобщий равен:

I=U/(R1+R2)=12/(10+10)=12/20=0,6

Общая мощность:

P=UI=12*0,6=7,2 Ватт

На каждом резисторе R1 и R2, так как их сопротивление одинаково, напряжение падает по:

U=IR=0,6*10=6 Вольт

И выделяется по:

P_{на резисторе}=UI=6*0,6=3,6 Ватта

Тогда при параллельном подключении в такой схеме:

Сначала ищем I в каждой ветви:

I₁=U/R₁=12/1=12 Ампер

I₂=U/R₂=12/2=6 Ампер

И выделяется на каждом по:

P_R₁=12*6=72 Ватта

P_R₂=12*12=144 Ватта

Выделяется всего:

P=UI=12*(6+12)=216 Ватт

Или через общее сопротивление, тогда:

R_общее=(R₁*R₂)/( R₁+R₂)=(1*2)/(1+2)=2/3=0,66 Ом

I=12/0,66=18 Ампер

P=12*18=216 Ватт

Все расчёты совпали, значит найденные значения верны.

Заключение

Как вы могли убедиться найти мощность цепи или её участка совсем несложно, неважно речь идёт о постоянке или переменке. Важнее правильно определить общее сопротивление, ток и напряжение. Кстати этих знаний уже достаточно для правильного определения параметров схемы и подбора элементов – на сколько ватт подбирать резисторы, сечения кабелей и трансформаторов. Также будьте внимательны при расчёте S полной при вычислении подкоренного выражения. Стоит добавить лишь то, что при оплате счетов за коммунальные услуги мы оплачиваем за киловатт-часы или кВт/ч, они равняются количеству мощности, потребленной за промежуток времени. Например, если вы подключили 2 киловаттный обогреватель на пол часа, то счётчик намотает 1 кВт/ч, а за час – 2 кВт/ч и так далее по аналогии.

Напоследок рекомендуем просмотреть полезное видео по теме статьи:

Также читают:

Как определить потребляемую мощность приборов
Как рассчитать сечения кабеля
Маркировка резисторов по мощности и сопротивлению

Adblock
detector

способы на практике узнать значение с помощью приборов и расчетных формул

Передвижение положительно заряженных частиц, движущихся в едином направлении, в физике называют силой тока. По своей сути это физическая величина, демонстрирующая заряд, происходящий в определенное время через специальный проводник. Найти силу тока можно несколькими способами. Первый — это расчет величины по выведенным готовым формулам при наличии первоначальных данных. Второй — это использование специальных измерительных приборов.

Зачем нужна сила тока
Расчет величины по формулам
Вычисление значений приборными системами
Измерение амперметром

Зачем нужна сила тока

Работа любой электротехники напрямую связана с физической величиной заряженных частиц. Знание того, как найти силу тока, позволяет понимать нюансы работы такого оборудования, отдельной цепи либо схемы. Расчет подобного значения у настоящего профессионала не вызовет особых трудностей, а вот у начинающих электриков это может вызвать некоторые проблемы. Для этого стоит знать определенные расчетные формулы или иметь под рукой специальный измерительный прибор.

По своей сути различают несколько разновидностей тока — это постоянный (содержащийся в аккумуляторных батарейках) и переменный (находящийся в розетке). Именно второй вид отвечает за освещение в помещении, работу электроприборов. Особенность переменного тока заключается в быстрой передаче и трансформации, ярким примером тому может служить работа люминесцентных лампочек (движение токовых частиц при включении).

Расчет величины по формулам

Так как самым распространенным видом тока, использующимся в быту, является переменный, то для его расчета используется известная каждому школьнику формула расчета «Закон Ома».

Выглядит она следующим образом — I = U / R (найти ток можно, разделив напряжение на сопротивление), где:

I — это переменное токовое значение;
U — это напряжение;
R — это сопротивление.

Из этой формулы тока можно вывести и другие, не менее полезные вычисления, позволяющие определить другие значения, имея только фактические показатели двух других величин (R = U / I и U = I * R). При расчете рекомендуется использовать основные единицы измерения — амперы, вольты и омы. Данная расчетная формула чаще всего используется для вычисления силы в цепях с активной нагрузкой, например, нагревательных приборах, электрочайниках, светодиодах и т. д.

В других же случаях используется иная вычислительная формула, содержащая в себе мощность и напряжение. Выглядит она следующим образом — I = P / U. Также сила тока рассчитывается по формуле I = q / t, где q — это заряд, идущий по проводнику, измеряющийся в кулонах, а t — это время прохождения электрического заряда, вычисляющееся в секундах.

Вычисление значений приборными системами

Помимо формул при отсутствии четких показателей необходимых значений используются специальные приборные системы. Преимущество такого метода заключается в быстроте и точности получаемых данных, минус — в необходимости покупать требуемые устройства. К основным способам, как определить силу тока, стоит отнести:

Магнитоэлектрический метод вычисления, отличающийся высокой чувствительностью, точностью показаний, минимальным потреблением электроэнергии. Используется он зачастую для определения значения силы постоянного тока.
Электромагнитный, основным вычислительным элементом которого становится магнитомодульный датчик, на который из магнитного поля поступает сигнал. Таким способом можно узнать силу постоянного и переменного тока.

Косвенный, где по старинке используется вольтметр, определяющий показания напряжения на определенном сопротивлении.

Стоит отметить, что подобные методы редко применяются самими электрикам, так как они отнимают много времени. Гораздо проще использовать специальные приборы, а не приборные системы.

Измерение амперметром

Самым простым способом узнать силу тока является измерение показаний амперметром. Особенности его использования заключаются в подключении прибора к разрывам электрической цепи. Для этого выбирается подходящее место, после чего остается дождаться, когда на экране амперметра высветится значение силы тока (заряда), прошедшего через кабельное сечение через определенное время.

Помимо классического прибора используются похожие на них аналоги, предназначенные для того, чтобы быстро найти силу тока малого электричества — это миллиамперметры, микроамперметры, гальванометры. Процедура подключения установки мало чем отличается от обычных измерительных приборов, их нужно зафиксировать на том участке цепи, где требуется узнать значение заряда.

Подключение осуществляется несколькими методами — последовательным и параллельным. Условно весь процесс можно разделить на несколько этапов:

подготовка прибора, из которого выходит провод с двумя кабелями питания;
выставление необходимого измерительного диапазона на вычислительной установке;
прикладывание одного щупа к проводу питания прибора;
подключение второго щупа к любому контакту электропитания;
подсоединение оставшегося провода ко второму щупу;
включение измерительного прибора;

получение величины токовой силы, показанной на измерителе.

При измерении токовой силы нельзя забывать о том, что особую роль в этом деле играет его вид (переменный либо постоянный). Особое внимание следует уделить постоянному типу тока, например, если внутри устройства установлен блок питания, снижающий сетевое напряжение до меньших значений.

В таком случае необходимо измерять токовую силу в той части цепи, где установлен выпрямляющий мост диодов.

Немаловажную роль в измерении играет напряжение, в таком случае измерительные щипы прибора прикладываются не к разрыву цепи, а к параллельным контактам электропитания. Тут также стоит уделить внимание типу напряжения, которое бывает переменным и постоянным.

8.3 Сохранение энергии | University Physics Volume 1

В этом разделе мы уточняем и расширяем результат, полученный нами в статье «Потенциальная энергия системы», где мы переписали теорему о работе-энергии в терминах изменения кинетической и потенциальной энергий частицы. Это приведет нас к обсуждению важного принципа сохранения механической энергии. Продолжая изучать другие темы физики, в следующих главах этой книги вы увидите, как этот закон сохранения обобщается, чтобы охватить другие типы энергии и передачи энергии. В последнем разделе этой главы представлен предварительный просмотр.

Термины «сохраняющаяся величина» и «закон сохранения» имеют в физике особое научное значение, которое отличается от повседневного значения, связанного с использованием этих слов. (То же замечание верно и в отношении научного и повседневного использования слова «работа».) В повседневном использовании вы можете сохранить воду, не используя ее, или используя меньше ее, или используя ее повторно. Вода состоит из молекул, состоящих из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Соедините эти атомы вместе, чтобы сформировать молекулу, и вы создадите воду; диссоциируйте атомы в такой молекуле, и вы разрушите воду. Однако в научном использовании сохраняющаяся величина для системы остается постоянной, изменяется на определенную величину, которая передается другим системам и/или преобразуется в другие формы этой величины. Сохраняющаяся величина в научном смысле может быть преобразована, но не строго создана или уничтожена. Таким образом, физического закона сохранения воды не существует.

Системы с одной частицей или объектом

Сначала рассмотрим систему с одной частицей или объектом. Возвращаясь к нашему развитию (рис.), вспомним, что сначала мы разделили все силы, действующие на частицу, на консервативные и неконсервативные виды, а работу, совершаемую каждым видом сил, записали в отдельный член теоремы о работе-энергии. Затем мы заменили работу консервативных сил на изменение потенциальной энергии частицы, соединив ее с изменением кинетической энергии частицы, чтобы получить (рисунок). Теперь запишем это уравнение без промежуточного шага и определим сумму кинетической и потенциальной энергий [латекс] K+U=E; [/латекс] быть механическая энергия частицы.

Сохранение энергии

Механическая энергия E частицы остается постоянной, если только внешние силы или неконсервативные силы не совершают над ней работу, и в этом случае изменение механической энергии равно работе, совершаемой неконсервативные силы:

[латекс] {W}_{\text{nc},AB}=\text{Δ}{(K+U)}_{AB}=\text{Δ}{E} _{АВ}. [/latex]

Это утверждение выражает концепцию энергосбережения для классической частицы, пока нет неконсервативной работы. Вспомним, что классическая частица — это просто точечная масса, она нерелятивистская и подчиняется законам движения Ньютона. В теории относительности мы увидим, что закон сохранения энергии по-прежнему применим к неклассической частице, но для того, чтобы это произошло, мы должны внести небольшую поправку в определение энергии.

Иногда бывает удобно отделить случай, когда работа неконсервативных сил равна нулю, либо потому, что такие силы не предполагаются, либо, подобно нормальной силе, они совершают нулевую работу, когда движение параллельно поверхности . Затем

[латекс] 0={W}_{\text{nc},AB}=\text{Δ}{(K+U)}_{AB}=\text{Δ}{E}_{AB} . [/latex]

В этом случае закон сохранения механической энергии можно выразить следующим образом: Механическая энергия частицы не изменяется, если все неконсервативные силы, которые могут действовать на нее, не совершают работы. Важно понимать концепцию сохранения энергии, а не конкретное уравнение, которое вы используете для ее выражения.

Стратегия решения проблем: сохранение энергии

Идентифицировать тело или тела, подлежащие изучению (систему). Часто в приложениях к закону сохранения механической энергии мы одновременно изучаем несколько тел.
Определите все силы, действующие на тело или тела.
Определите, является ли каждая работающая сила консервативной. Если неконсервативная сила (например, трение) совершает работу, то механическая энергия не сохраняется. Затем система должна быть проанализирована с помощью неконсервативной работы (рисунок).

Для каждой силы, которая совершает работу, выберите точку отсчета и определите функцию потенциальной энергии силы. Контрольные точки для различных потенциальных энергий не обязательно должны находиться в одном и том же месте.
Примените принцип сохранения механической энергии, уравняв сумму кинетической и потенциальной энергий в каждой интересующей точке.

Пример

Простой маятник

Частица массой м подвешена к потолку на безмассовой нити длиной 1,0 м, как показано на (рис.). Частица выходит из состояния покоя, когда угол между струной и вертикальным направлением вниз составляет [латекс] 30\текст{°.} [/латекс] Какова будет ее скорость, когда она достигнет нижней точки своей дуги?

Рис. 8.7 Частица, подвешенная на веревке, представляет собой простой маятник. Он отображается при выходе из состояния покоя вместе с некоторыми расстояниями, используемыми при анализе движения.

Стратегия

Используя нашу стратегию решения проблем, первым шагом будет определение того, что нас интересует система частица-Земля. Во-вторых, на частицу действует только гравитационная сила, что является консервативным (шаг 3). Сопротивлением воздуха в задаче пренебрегаем, и работа натяжения струны, перпендикулярной дуге движения, не совершается. Следовательно, механическая энергия системы сохраняется, как показано на рисунке (рис. ), [латекс] 0=\text{Δ}(K+U) [/латекс]. Поскольку частица стартует из состояния покоя, увеличение кинетической энергии равно кинетической энергии в самой нижней точке. Это увеличение кинетической энергии равно уменьшению гравитационной потенциальной энергии, которую мы можем вычислить из геометрии. На шаге 4 мы выбираем точку отсчета для нулевой гравитационной потенциальной энергии, чтобы она находилась в самой нижней вертикальной точке, которую достигает частица, то есть в середине движения. Наконец, на шаге 5 мы устанавливаем сумму энергий в самой высокой точке (начальной) колебания до самой низкой точки (конечной) колебания, чтобы в конечном итоге определить конечную скорость.

Решение

Мы пренебрегаем неконсервативными силами, поэтому запишем формулу сохранения энергии, связывающую частицу в высшей (начальной) и низшей (конечной) точках колебания как

[латекс] {K}_ {\text{i}}+{U}_{\text{i}}={K}_{\text{f}}+{U}_{\text{f}}. [/latex]

Поскольку частица выходит из состояния покоя, начальная кинетическая энергия равна нулю. В самой нижней точке мы определяем гравитационную потенциальную энергию как нулевую. Поэтому наша формула сохранения энергии сводится к 9{2}+0\hfill \\ \hfill v& =\hfill & \sqrt{2gh}.\hfill \end{array} [/latex]

Высота частицы по вертикали непосредственно в задаче не указана. Это можно решить с помощью тригонометрии и двух данных: длины маятника и угла, на который частица поднимается вертикально вверх. На диаграмме вертикальная пунктирная линия — это длина струны маятника. Высота по вертикали обозначена как h . Другая частичная длина вертикальной струны может быть рассчитана с помощью тригонометрии. Эта часть решается на

[латекс] \text{cos}\,\theta =x\text{/}L,x=L\,\text{cos}\,\theta . [/latex]

Следовательно, взглянув на две части строки, мы можем найти высоту h ,

[latex] \begin{array}{ccc}\hfill x+h& =\hfill & L\hfill \\ \hfill L\,\text{cos}\,\theta +h& =\hfill & L\hfill \\ \hfill h& =\hfill & L-L\,\text{cos}\,\theta = L(1-\text{cos}\,\theta ). \hfill \end{array} [/latex]

Подставим эту высоту в предыдущее выражение для скорости, чтобы вычислить наш результат: 9{2})(1\,\текст{м})(1-\текст{cos}\,30\текст{°})}=1,62\,\текст{м/с}. [/latex]

Значение

Мы нашли скорость непосредственно из закона сохранения механической энергии, без необходимости решать дифференциальное уравнение движения маятника (см. Колебания). Мы можем подойти к этой проблеме с точки зрения гистограмм полной энергии . Изначально частица обладает всей потенциальной энергией, находясь в высшей точке, и не имеет кинетической энергии. Когда частица пересекает самую низкую точку в нижней части качелей, энергия перемещается из столба потенциальной энергии в столбец кинетической энергии. Следовательно, мы можем представить последовательность этого переноса, когда частица перемещается между своей высшей точкой, самой низкой точкой колебания и обратно в самую высокую точку ((рисунок)). По мере того, как частица движется от самой низкой точки колебания к самой высокой точке в правой части диаграммы, энергетические столбцы перемещаются в обратном порядке от (c) к (b) и (a).

Рисунок 8.8 Гистограммы, представляющие полную энергию (E), потенциальную энергию (U) и кинетическую энергию (K) частицы в различных положениях. (а) Полная энергия системы равна потенциальной энергии, а кинетическая энергия равна нулю, которая находится в высшей точке, которой достигает частица. (b) Частица находится посередине между самой высокой и самой низкой точками, поэтому гистограммы кинетической энергии плюс потенциальная энергия равны полной энергии. (c) Частица находится в самой низкой точке качания, поэтому гистограмма кинетической энергии является самой высокой и равна полной энергии системы.

Проверьте свое понимание

Как высоко над основанием своей дуги находится частица в простом маятнике вверху, когда ее скорость [латекс] 0,81\,\текст{м}\текст{/}\текст{с}? [/latex]

Показать решение