Ток и напряжение являются количественными параметрами, используемыми в электрических схемах. В большинстве случаев эти величины изменяются со временем, по другому не было бы смысла в действии электрической схемы.
Напряжение
Условно напряжение обозначается буковкой «U». Работа, затраченная на перемещение единицы заряда из точки, имеющей малый потенциал в точку с огромным потенциалом, является напряжением между этими 2-мя точками. Другими словами, это энергия, освобождаемая после перехода единицы заряда от высокого потенциала к малому.
Напряжение еще могут именовать разностью потенциалов, также электродвижущей силой. Этот параметр измеряется в вольтах. Дабы переместить 1 кулон заряда между 2-мя точками, которые имеют напряжение 1 вольт, необходимо выполнить работу в 1 джоуль. Кулонами измеряются электрические заряды. 1 кулон равен заряду 6х10 18 электронов.
Напряжение делится на некоторое количество видов, зависимо от видов тока:
- Неизменное напряжение. Оно находится в электростатических цепях и цепях неизменного тока.
- Переменное напряжение. Этот вид напряжения имеется в цепях с синусоидальными и переменными токами. В случае синусоидального тока рассматриваются такие свойства напряжения, как:
— амплитуда колебаний напряжения – это наибольшее его отклонение от оси абсцисс;
— секундное напряжение, которое выражается в определенный момент времени;
— действующее напряжение, определяется по выполняемой активной работе 1-го полупериода;
— средневыпрямленное напряжение, определяемое по модулю величины выпрямленного напряжения за один гармонический период.
При передаче электроэнергии по воздушным линиям устройство опор и их размеры зависят от величины используемого напряжения. Величина напряжения между фазами именуется линейным напряжением, а напряжение между землей и каждой из фаз – фазным напряжением. Такое правило применимо для всех типов воздушных линий. В Рф в электрических бытовых сетях, стандартным является трехфазное напряжение с линейным напряжением 380 вольт, и фазным значением напряжения 220 вольт.
Электрический ток
Ток в электрической цепи является скоростью движения электронов в определенной точке, измеряется в амперах, и обозначается на схемах буковкой «I». Также применяются и производные единицы ампера с надлежащими приставками милли-, микро-, нано и т.д. Ток размером в 1 ампер появляется передвижением единицы заряда в 1 кулон за 1 секунду.
Условно считается, что ток в электрической цепи течет по направлению от положительного потенциала к отрицательному. Но, из курса физики понятно, что электрон движется в обратном направлении.
Следует знать, что напряжение измеряется между 2-мя точками на схеме, а ток течет через одну определенную точку схемы, или через ее элемент. Потому, если кто-то употребляет выражение «напряжение в сопротивлении», то это ошибочно и безграмотно. Но нередко речь идет о напряжении в определенной точке схемы. При всем этом имеется ввиду напряжение между землей и этой точкой.
Напряжение появляется от воздействия на электрические заряды в генераторах, батареях, солнечных элементах и других устройствах. Ток появляется методом приложения напряжения к двум точкам на схеме.
Дабы осознать, что такое ток и напряжение, вернее будет пользоваться осциллографом. На нем можно узреть ток и напряжение, которые меняют свои значения во времени. На практике элементы электрической цепи соединены проводниками. В определенных точках элементы цепи имеют свое значение напряжения.
Ток и напряжение подчиняются правилам:
- Сумма токов, входящих в точку, приравнивается сумме токов, выходящих из точки (правило сохранения заряда). Такое правило является законом Кирхгофа для тока. Точка входа и выхода тока в данном случае именуется узлом. Следствием из этого закона является следующее утверждение: в последовательной электрической цепи группы частей величина тока для всех точек одинакова.
- В параллельной схеме частей напряжение на всех элементах идиентично. По другому говоря, сумма падений напряжений в замкнутом контуре равна нулю. Этот закон Кирхгофа применяется для напряжений.
- Работа, выполненная в единицу времени схемой (мощность), выражается следующим образом: Р = U*I. Мощность измеряется в ваттах. Работа величиной 1 джоуль, выполненная за 1 секунду, равна 1 ватту. Мощность распространяется в виде теплоты, расходуется на совершение механической работы (в электродвигателях), преобразуется в излучение различного вида, скапливается в емкостях либо батареях. При проектировании сложных электрических систем, одной из заморочек является термическая нагрузка системы.
Черта электрического тока
Неотклонимым условием существования тока в электрической цепи является замкнутый контур. Если контур цепи разрывается, то ток прекращается.
По такому принципу действуют все защиты и выключатели в электротехнике. Они разрывают электрическую цепь подвижными механическими контактами, и этим прекращают течение тока, выключая устройство.
В энергетической индустрии электрический ток появляется снутри проводников тока, которые выполнены в виде шин, кабелей, проводов и других частей, проводящих ток.
Также есть другие методы сотворения внутреннего тока в:
- Жидкостях и газах за счет передвижения заряженных ионов.
- Вакууме, газе и воздухе при помощи термоэлектронной эмиссии.
- Полупроводниках, вследствие движения носителей заряда.
Условия появления электрического тока:
- Нагревание проводников (не сверхпроводников).
- Приложение к носителям заряда разности потенциалов.
- Хим реакция с выделением новых веществ.
- Воздействие магнитного поля на проводник.
Формы сигнала тока:
- Ровная линия.
- Переменная синусоида гармоники.
- Меандром, схожий на синусоиду, но имеющий острые углы (время от времени углы могут сглаживаться).
- Пульсирующая форма 1-го направления, с амплитудой, колеблющейся от нуля до большей величины по определенному закону.
Виды работы электрического тока:
- Световое излучение, создающееся устройствами освещения.
- Создание тепла при помощи нагревательных частей.
- Механическая работа (вращение электродвигателей, действие других электрических устройств).
- Создание электромагнитного излучения.
Отрицательные явления, вызываемые электрическим током:
- Перегрев контактов и токоведущих частей.
- Появление вихревых токов в сердечниках электрических устройств.
- Электромагнитные излучения во внешнюю среду.
Создатели электрических устройств и разных схем при проектировании должны учесть перечисленные выше характеристики электрического тока в собственных разработках. К примеру, вредное воздействие вихревых токов в электродвигателях, трансформаторах и генераторах понижается методом шихтовки сердечников, используемых для пропускания магнитных потоков. Шихтовка сердечника – это его изготовка не из цельного кусочка металла, а из набора отдельных тонких пластинок специальной электротехнической стали.
Но, с другой стороны, вихревые токи применяют для работы микроволновых печей, духовок, действующих по принципу магнитной индукции. Потому, можно сказать, что вихревые токи оказывают не только лишь вред, но и пользу.
Переменный ток с сигналом в форме синусоиды может различаться частотой колебаний за единицу времени. В нашей стране промышленная частота тока электрических устройств стандартная, и равна 50 герцам. В некоторых странах применяется частота тока 60 герц.
Для разных целей в электротехнике и радиотехнике применяют другие значения частоты:
- Низкочастотные сигналы с наименьшей величиной частоты тока.
- Высокочастотные сигналы, которые намного выше частоты тока промышленного применения.
Считается, что электрический ток появляется при движении электронов снутри проводника, потому он именуется током проводимости. Но существует и другой вид электрического тока, который получил название конвекционного. Он появляется при движении заряженных макротел, к примеру, капель дождика.
Электрический ток в металлах
Движение электронов при воздействии на них неизменной силы ассоциируют с парашютистом, который понижается на землю. В этих 2-ух случаях происходит равномерное движение. На парашютиста действует сила тяжести, а противоборствует ей сила сопротивления воздуха. На движение электронов действует сила электрического поля, а сопротивляются этому движению ионы решеток кристаллов. Средняя скорость электронов добивается неизменного значения, так же как и скорость парашютиста.
В железном проводнике скорость движения 1-го электрона равна 0,1 мм за секунду, а скорость электрического тока около 300 тыщ км за секунду. Это разъясняется тем, что электрический ток течет только там, где к заряженным частичкам приложено напряжение. Потому достигается большая скорость протекания тока.
При перемещении электронов в кристаллической решетке существует такая закономерность. Электроны сталкиваются не со всеми встречными ионами, а только с каждым десятым из них. Это разъясняется законами квантовой механики, которые можно упрощенно разъяснить следующим образом.
Движению электронов мешают огромные ионы, которые оказывают сопротивление. Это в особенности приметно при нагревании металлов, когда томные ионы «качаются», растут в размерах и уменьшают электропроводность решеток кристаллов проводника. Потому при нагревании металлов всегда возрастает их сопротивление. При понижении температуры увеличивается электрическая проводимость. При понижении температуры металла до абсолютного нуля можно достигнуть эффекта сверхпроводимости.
Что такое ток и напряжение ординарными словами
Электрическое напряжение: разъяснение ординарными словами
Электрическим напряжением обозначается физическая величина, равная разности потенциалов между 2-мя точками электрического поля при перемещении единичного заряда. Для обычных юзер такое обозначение не всегда понятно. Потому в этой статье мы попытаемся обычным, легкодоступным языком поведать, что собой представляет электрическое напряжение, как оно измеряется и зачем это необходимо.
Что такое разность потенциалов?
Для начала проанализируем набросок:
В первой бутылке вода находится на уровне 300 мм, а во 2-ой – на отметке 150 мм. Разница между уровнями воды в обоих емкостях составляет 150 мм. Если рассматривать это исходя из убеждений науки об электричестве, это и есть разность потенциалов.
Но, что будет, если соединить обе бутылки шлангом, а вовнутрь поместить обыденный пластмассовый шарик?
Из школьного урока физики о принципе соединяющихся сосудах знаем, что из бутылки, где уровень воды больше, жидкость равномерно перетечет в бутылку с более низким уровнем. Под воздействием потока воды шарик снутри соединяющего шланга будет передвигаться. Процесс перетекания закончится после того, как в обоих бутылках уровень воды уравновесится, станет одинаковым.
Другими словами, в ситуации, когда в соединенных между собой емкостях уровень воды станет одинаковым, результатом разности потенциалов станет ноль. Шарик остается на месте за счет электродвижущей силы, которая, по итогам опыта, равна нулю.
Что такое электродвижущая сила?
Аналогично напряжению, единицей измерения электродвижущей силы (ЭДС) является Вольт.
Для проведения следующего опыта пригодится вольтметр (устройство, измеряющий вольты) и рядовая батарейка.
При начальном замере устройство покажет 1.5 В (Вольта). Но это не является напряжением – значение показывает на величину электродвижущей силы.
На следующем шаге опыта к батарейке подключаются две лампочки. А напряжение измеряется в различных участках электроцепи.
Внимание следует уделить следующим показателям: напряжение для одной лампочки составляет 1 Вольт, для другой же это значение 0.3 Вольта.
Напряжение в применяемых нами осветительных устройствах впрямую находится в зависимости от их мощности, измеряемой в Ваттах.
Мощность=Напряжение*ток (Р=U*I)
Из этого следует, что чем больше будет значение мощности лампы, тем большее напряжение будет на ней.
Но, как выходит: если мощность батарейки 1.5 Вольта, к которой подключены лампочки, разбита на 1 Вольт и 0.3 Вольта, куда направились еще 0.2 Вольта? Дело в том, что любая батарейка наделена своим внутренним сопротивлением, потому недостающие 0.2 Вольта были ориентированы конкретно сюда.
Резюме
Электродвижущей силой определена физическая величина, характеризующая в источниках тока работу посторониих силовых ресурсов. Средством электродвижущей силы мы можем определять, как переносится заряд от источника тока по всей электрической цепи. Напряжение указывает этот процесс только на отдельном участке этой цепи. Если проще: напряжение – это наружное силовое воздействие, способствующее перемещению шарика в шланге, соединяющим сосуды из выше приведенного примера. В электричестве напряжение обозначено силой, которая обеспечивает перемещение электронов между атомами.
Разглядим очередной пример
Представьте, что для вас по силам будет поднять камень, вес которого составляет 40 кг. Это значит, что вы обладаете подъемной силой, равной 40 кг – в электричестве это обозначается как электродвижущая сила. Вы следуете и на собственном пути для вас попадается камень весом 20 кг. Вы его также берете и переносите на расстояние 10 метров. Для воплощения этого деяния для вас пригодилось определенное количество энергии, что в электричестве представляется как напряжение. Дальше для вас попадается камень весом в 30 кг. Поэтому, для его переноса из 1-го места в другое для вас пригодится больше энергии, чем для камня, масса которого не превосходила 20 кг. Но подъемная сила (в электричестве ЭДС), независимо от веса переносимого вами камня, остается всегда одинаковой. При всем этом, вес камня определяет количество энергии, которая тратится на проведение этого деяния (в электричестве это обозначено напряжением). Таким макаром, на каждом отрезке вашего пути вы будете испытывать различное напряжение зависимо от веса камня, который вы хотят перенести.
Ток находится в зависимости от напряжения
Исходя из приведенной формулы следует: ток является прямо пропорциональным напряжению и назад пропорциональным сопротивлению. Другими словами, чем больше величина электрического тока, тем больше напряжение, и напротив.
Действующее напряжение и амплитудное напряжение — что это, и в чем отличие
Все знают, что действующее напряжение в розетке 220 Вольт (230 по новым нормам, но для данной темы это не имеет особенного значения). Это просто проверить с помощью мультиметра, который определит разность потенциалов между фазой и рабочим нулевым проводником. Другими словами, при безупречных критериях, потенциал на нулевом проводе 0, а на фазном 220 Вольт. По сути все незначительно не так — переменный ток имеет синусоидальную форму с потенциалом на пиках 310 и -310 Вольт (амплитудное напряжение). Для того дабы это узреть, нужно пользоваться осциллографом.
Синусоида действующего и амплитудного напряжения
Понятно, что данный материал в основном нацелен на ординарную аудиторию, у которой не то, что осциллографа нет, даже мультиметр наверное не у каждого есть. Потому все примеры будут браться из среды программы Electronics Workbench, доступной каждому.
И 1-ое, что нам необходимо поглядеть — это синусоиду напряжения фазы из розетки. Для этого в программке отрисуем трехфазную сеть и подключим осциллограф к одной из фаз:
Как видно при показании вольтметра 219,4 Вольт между одной из фаз и PEN проводником, осциллограф показал синусоиду с амплитудой 309,1 Вольт. Это значение напряжения именуется наибольшим (амплитудным). А 219,4 Вольт, которые указывает вольтметр — это действующее напряжение. Его также именуют среднеквадратичным либо действенным. И до того как перейти к рассмотрению данной особенности, коротко, ординарными словами пройдемся по отрисованной схеме трехфазной сети и разберемся в природе синусоиды.
Начнем со схемы:
- Слева на право — три источника переменного напряжения с фазовыми углами 0, 120, 240 градусов и соединенными звездой.
- Резистор 4 Ом — это заземление нейтрали трансформатора.
- Резисторы по 0,8 Ом — условное сопротивление проводов, зависящее от сечения провода и длины полосы.
- Резисторы 15, 10 и 20 Ом — нагрузка потребителей по трем фазам.
- К одной из фаз подключен осциллограф, показывающий амплитуду 309,1 Вольт.
Сейчас разглядим синусоиду. Переменное напряжение в отличие от неизменного, график которого ровная на осциллографе, безпрерывно меняется как по величине, так и по направлению. При этом конфигурации эти происходят временами, другими словами точно повторяются через равные промежутки времени.
Переменное напряжение генерируется на электрических станциях и средством повышающих и понижающих распределительных трансформаторов попадает к конечному потребителю. При всем этом трансформация по пути никак не сказывается на синусоиде напряжения.
Видео — действующее напряжение и амплитудное
С полным и приятным изложением рассматриваемого вопроса вы сможете ознакомиться в следующем видео:
Работа генератора трехфазного переменного тока
Разглядим упрощенно работу генератора трехфазного переменного тока. Обмотки статора (фазы А, В и С) генератора размещены под углом 120 градусов относительно друг дружку. Ротор с магнитом вращаясь индуцирует в обмотках статора временами изменяющиеся ЭДС. Смотрится это следующим образом:
Такое вращение происходит с частотой 50 оборотов за секунду, другими словами с частотой 50 Герц. Это означает, что электроны движутся в течение 1 секунды 50 раз в одном направлении (положительный полупериод синусоиды), и 50 — в оборотном (отрицательный полупериод), 100 раз проходя чрез нулевое значение. Выходит, что например рядовая лама накаливания, включенная в сеть с таковой частотой, будет затухать и вспыхивать приблизительно 100 раз в секунду, но мы этого не замечаем в силу особенностей собственного зрения.
Определение действующего напряжения
Сейчас конкретно о том, почему произошел переход от наибольшего, амплитудного значения напряжения 310 Вольт к действующему 220 Вольт. Ответ можно отыскать в самом определении.
Действующее (действенное либо среднеквадратичное) значение напряжения — это такое напряжение неизменного тока, которое на таковой же резистивной нагрузке выделит такую же мощность, как измеряемое переменное напряжение. Соответственно, действующее значение силы тока — такое значение силы неизменного тока, при прохождении которого через резистивную нагрузку выделится такая же мощность, что и при прохождении измеряемого тока.
Можно сконструировать и малость по другому. Действующее значение переменного тока равно величине такового неизменного тока, который за время, равное одному периоду переменного тока, произведет такую же работу (термический либо электродинамический эффект), что и рассматриваемый переменный ток.
Общая формула расчета действующего напряжения случайной формы такая:
Разъяснение действующего напряжения
Определение и формула — это отлично. Но лучше все осознать на приятном примере. Разъяснить все можно через мощность. При этом есть непростой для восприятия метод и поболее обычной, который мы и разглядим дальше.
Нам необходимо взять один период синусоиды переменного напряжения, на этом промежутке выстроить синусоиду переменного тока и проанализировать мощность. Начнем с периода синусоиды переменного напряжения. Тут же построим синусоиду переменного тока с учетом условной резистивной нагрузки (к примеру, лампочки). По закону Ома сила тока равна напряжению, деленному на сопротивление.
Четкие значения в определенный момент при данном разъяснении не принципны, потому все построения ориентировочные. Естественно необходимо осознавать, что деля напряжение на сопротивление, мы получим синусоиду переменного тока с амплитудой в R раз наименьшей, чем у напряжения. R – это значение сопротивления.
Сейчас по двум синусоидам строим график мощности по формуле мощность равна силе тока умноженной на напряжение (P = I × U). Так как напряжение и ток имеют общие нулевые точки, то график мощности не будет входить в отрицательную область. Другими словами сила тока со знаком «+» и напряжение со знаком «+» дадут мощность со знаком «+», так же как и сила тока со знаком «-» и напряжение со знаком «-» дадут мощность со знаком «+».
Анализируя приобретенный график можно отметить, что мощность пульсирующая. Она подымается до наибольшего значения и падает до нуля, позже снова подымается и опять падает. Как на эти колебания мощности реагируют электроприборы? Никак. Так как частота переменного тока 50 Герц, то эти колебания происходят очень стремительно. Электроприборы отзываются не на наибольшие и малые значения мощности, а на усредненные. Другими словами берется наибольшее значение мощности и делится на два. Это значение именуется действующим и находится по следующей формуле:
Pд = (Imax × Umax) / 2, где Pд — мощность действующая, Imax — сила тока наибольшая, Umax — напряжение наибольшее.
Двойку можно представить в виде корень из 2-ух помножить на корень из 2-ух. Получаем Действующее значение мощности = сила тока наибольшая деленная на корень из 2-ух умноженная на напряжение наибольшее деленное на корень из 2-ух (Pд = (Imax/√2) × (Umax/√2)).
Соответственно сила тока наибольшая деленная на корень из 2-ух — это действующее значение силы переменного тока, а напряжение наибольшее деленное на корень из 2-ух – это действующее значение переменного напряжения.
И вправду, если мы возьмем наибольшее напряжение из предшествующего примера 309,1 Вольт и разделим на корень из 2-ух, то получим действующее напряжение (то, которое указывает вольтметр) 219,4 Вольт.
