Электричество, ток, напряжение, сопротивление и мощность
Не имея определенных начальных знаний об электричестве, тяжело себе представить, как работают электрические приборы, почему вообще они работают, почему надо включать телевизор в розетку, чтобы он заработал, а фонарику хватает маленькой батарейки, чтобы он светил в темноте.
И так будем разбираться во всем по порядку.
Электричество
Электричество – это природное явление, подтверждающее существование, взаимодействие и движение электрических зарядов. Электричество впервые было обнаружено еще в VII веке до н.э. греческим философом Фалесом. Фалес обратил внимание на то, что если кусочек янтаря потереть о шерсть, он начинает притягивать к себе легкие предметы. Янтарь на древнегреческом – электрон.
Вот так и представляю себе, сидит Фалес, трет кусок янтаря о свой гиматий (это шерстяная верхняя одежда у древних греков), а затем с озадаченным видом смотрит, как к янтарю притягиваются волосы, обрывки ниток, перья и клочки бумаги.
Данное явление называется статическим электричеством. Вы можете повторить данный опыт. Для этого хорошенько потрите шерстяной тканью обычную пластмассовую линейку и поднесите ее к мелким бумажным кусочкам.
Следует отметить, что долгое время это явление не изучалось. И только в 1600 году в своем сочинении «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле» английский естествоиспытатель Уильям Гилберт ввел термин – электричество. В своей работе он описал свои опыты с наэлектризованными предметами, а также установил, что наэлектризовываться могут и другие вещества.
Далее на протяжении трех веков самые передовые ученые мира исследуют электричество, пишут трактаты, формулируют законы, изобретают электрические машины и только в 1897 году Джозеф Томсон открывает первый материальный носитель электричества – электрон, частицу, благодаря которой возможны электрические процессы в веществах.
Электрон – это элементарная частица, имеет отрицательный заряд примерно равный -1,602·10 -19 Кл (Кулон). Обозначается е или е – .
Напряжение
Чтобы заставить перемещаться заряженные частицы от одного полюса к другому необходимо создать между полюсами разность потенциалов или – Напряжение. Единица измерения напряжения – Вольт (В или V). В формулах и расчетах напряжение обозначается буквой V. Чтобы получить напряжение величиной 1 В нужно передать между полюсами заряд в 1 Кл, совершив при этом работу в 1 Дж (Джоуль).
Для наглядности представим резервуар с водой расположенный на некоторой высоте. Из резервуара выходит труба. Вода под естественным давлением покидает резервуар через трубу. Давайте условимся, что вода – это электрический заряд, высота водяного столба (давление) – это напряжение, а скорость потока воды – это электрический ток.
Таким образом, чем больше воды в баке, тем выше давление. Аналогично с электрической точки зрения, чем больше заряд, тем выше напряжение.
Начнем сливать воду, давление при этом будет уменьшаться. Т.е. уровень заряда опускается – величина напряжения уменьшается. Такое явление можно наблюдать в фонарике, лампочка светит все тусклее по мере того как разряжаются батарейки. Обратите внимание, чем меньше давление воды (напряжение), тем меньше поток воды (ток).
Электрический ток
Электрический ток – это физический процесс направленного движения заряженных частиц под действием электромагнитного поля от одного полюса замкнутой электрической цепи к другому. В качестве частиц, переносящих заряд, могут выступать электроны, протоны, ионы и дырки. При отсутствии замкнутой цепи ток невозможен. Частицы способные переносить электрические заряды существуют не во всех веществах, те в которых они есть, называются проводниками и полупроводниками. А вещества, в которых таких частиц нет – диэлектриками.
Принято считать направление тока от плюса к минусу, при этом электроны движутся от минуса к плюсу!
Единица измерения силы тока – Ампер (А). В формулах и расчетах сила тока обозначается буквой I. Ток в 1 Ампер образуется при прохождении через точку электрической цепи заряда в 1 Кулон (6,241·10 18 электронов) за 1 секунду.
Вновь обратимся к нашей аналогии вода – электричество. Только теперь возьмем два резервуара и наполним их равным количеством воды. Отличие между баками в диаметре выходной трубы.
Откроем краны и убедимся, что поток воды из левого бака больше (диаметр трубы больше), чем из правого. Такой опыт – явное доказательство зависимости скорости потока от диаметра трубы. Теперь попробуем уравнять два потока. Для этого добавим в правый бак воды (заряд). Это даст большее давление (напряжение) и увеличит скорость потока (ток). В электрической цепи в роли диаметра трубы выступает сопротивление.
Проведенные эксперименты наглядно демонстрируют взаимосвязь между напряжением, током и сопротивлением. Подробнее о сопротивлении поговорим чуть позже, а сейчас еще несколько слов о свойствах электрического тока.
Если напряжение не меняет свою полярность, плюс на минус, и ток течет в одном направлении, то – это постоянный ток и соответственно постоянное напряжение. Если источник напряжения меняет свою полярность и ток течет то в одном направлении, то в другом – это уже переменный ток и переменное напряжение. Максимальные и минимальные значения (на графике обозначены как Io) – это амплитудные или пиковые значения силы тока. В домашних розетках напряжение меняет свою полярность 50 раз в секунду, т.е. ток колеблется то туда, то сюда, получается, что частота этих колебаний составляет 50 Герц или сокращенно 50 Гц. В некоторых странах, например в США принята частота 60 Гц.
Сопротивление
Электрическое сопротивление – физическая величина, определяющая свойство проводника препятствовать (сопротивляться) прохождению тока. Единица измерения сопротивления – Ом (обозначается Ом или греческой буквой омега Ω). В формулах и расчетах сопротивление обозначается буквой R. Сопротивлением в 1 Ом обладает проводник к полюсам которого приложено напряжение 1 В и протекает ток 1 А.
Проводники по-разному проводят ток. Их проводимость зависит, в первую очередь, от материала проводника, а также от сечения и длины. Чем больше сечение, тем выше проводимость, но, чем больше длина, тем проводимость ниже. Сопротивление – это обратное понятие проводимости.
На примере водопроводной модели сопротивление можно представить как диаметр трубы. Чем он меньше, тем хуже проводимость и выше сопротивление.
Сопротивление проводника проявляется, например, в нагреве проводника при протекании в нем тока. Причем, чем больше ток и меньше сечение проводника – тем сильнее нагрев.
Мощность
Электрическая мощность – это физическая величина, определяющая скорость преобразования электроэнергии. Например, вы не раз слышали: «лампочка на столько-то ватт». Это и есть мощность потребляемая лампочкой за единицу времени во время работы, т.е. преобразовании одного вида энергии в другой с некоторой скоростью.
Источники электроэнергии, например генераторы, также характеризуется мощностью, но уже вырабатываемой в единицу времени.
Единица измерения мощности – Ватт (обозначается Вт или W). В формулах и расчетах мощность обозначается буквой P. Для цепей переменного тока применяется термин Полная мощность, единица измерения – Вольт-ампер (В·А или V·A), обозначается буквой S.
И в завершение про Электрическую цепь. Данная цепь представляет собой некоторый набор электрических компонентов, способных проводить электрический ток и соединенных между собой соответствующим образом.
Что мы видим на этом изображении – элементарный электроприбор (фонарик). Под действием напряжения U (В) источника электроэнергии (батарейки) по проводникам и другим компонентам обладающих разными сопротивлениями R (Ом) от плюса к минусу течет электрический ток I (А) заставляющий светиться лампочку мощностью P (Вт). Не обращайте внимания на яркость лампы, это из-за плохого давления и малого потока воды батареек.
Фонарик, что представлен на фотографии, собран на базе конструктора « Знаток ». Данный конструктор позволяет ребенку в игровой форме познать основы электроники и принцип работы электронных компонентов. Поставляется в виде наборов с разным количеством схем и разного уровня сложности.
Про электрический ток, напряжение и мощность из советской книжки для детей: просто и понятно
В Советском Союзе, который достиг очень серьезных успехов в развитии науки и техники, широкий размах получило радиолюбительское движение. В радиокружках и радиоклубах, располагающих специальной технической литературой, приборами и инструментами, под руководством инструкторов изучали радиотехнику многие тысячи молодых граждан. Многие из них в будущем стали квалифицированными инженерами, конструкторами, учёными.
Для таких радиокружков выпускалась научно-популярная литература, в которой простым языком с большим количеством иллюстраций очень качественно и подробно объяснялись различные вопросы физики, механики, электротехники и электроники.
Одним из примеров таких книг является книга Чеслова Климчевского «Азбука радиолюбителя», выпущенная в издательстве «Связьиздат» в 1962-м году. Первый раздел книги называется «Электротехника, второй раздел «Радиотехника», третитй — «Практические советы», четвертый раздел — «Монтируем сами».
Саму книгу можно скачать здесь: Азбука радиолюбителя (divu)
Такого типа книги в 60-х годах не относились к узкоспециализированной литературе. Они выпускались тиражами в десятки тысяч экземпляров и были рассчитаны на массового читателя.
Р аз радио столь всесторонне применя лось в повседневной жизни людей, то в то время считалось, что нельзя ограничиваться одним только умением вращать ручки приём ника. И любой образованный человек должен изучить радио так, чтобы понимать, как осуществляются радиопередача и радиоприём, ознакомиться с основными электрическими и магнитными явлениями, представляющими собой ключ к теории радиотехники. Нужно также, хотя бы в общих чертах, ознакомиться с системами и конструкциями приёмных устройств.
Давайте посмотрим вместе и оценим, как в то время умели объяснять сложные вещи простыми картинками.
Начинающий радиолюбитель нашего времени:
Об электрическом токе
Все вещества в мире и, следовательно, все окружающие нас предметы, горы, моря, воздух, растения, животные, люди состоят из неизмеримо малых частиц, молекул, а последние в свою очередь — из атомов. Кусок железа, капля воды, ничтожно малое количество кислорода представляют собой скопление миллиардов атомов, одного рода в железе, иного — в воде или в кислороде.
Если смотреть на лес издали, то он кажется тёмной полосой, представляющей собой одно целое (сравним его, например, с куском железа). Когда подходят к краю леса, видны отдельные деревья (в куске железа — атомы железа). Лес состоит из деревьев; подобно этому вещество (например, железо) состоит из атомов.
В хвойном лесу деревья иные, чем в лиственном ; равным образом молекулы какого-либо одного химического элемента состоят из иных атомов, чем молекулы других химических элементов. Итак, атомы железа иные, чем, например, атомы кислорода.
Подойдя еще ближе к деревьям, мы видим, что каждое из них состоит из ствола и листьев. Подобно этому и атомы вещества состоят из так называемого ядра (ствола) и электронов (листьев).
Ствол тяжелый, и ядро тяжелое ; оно составляет положительный электрический заряд (+) атома. Листья легкие, и электроны легкие ; они образуют отрицательный электрический заряд (—) атома.
У разных деревьев стволы имеют неодинаковое количество ветвей, и количество листьев у них неодинаковое. Равным образом и атом в зависимости от химического элемента, который он представляет, состоит (в простейшем его виде) из ядра (ствола) с несколькими положительными зарядами — так называемыми протонами (ветвями) и некоторого количества отрицательных зарядов — электронов (листьев).
В лесу, на земле между деревьями, скапливается много опавших листьев. Ветер поднимает с земли эти листья, и они кружатся между деревьями. Так и в веществе (например, металле) среди отдельных атомов находится некоторое количество свободных электронов, не принадлежащих ни одному из атомов; эти электроны беспорядочно движутся среди атомов.
Если к концам куска металла (например, стального крюка) присоединить провода, идущие от электрической батарейки: один его конец соединить с плюсом батарейки — подвести к нему так называемый положительный электрический потенциал (+), а другой конец с минусом батарейки — подвести отрицательный электрический потенциал (—), то свободные электроны (отрицательные заряды) начнут продвигаться между атомами внутри металла, устремляясь к плюсу батарейки.
Это объясняется следующим свойством электрических зарядов: разноимённые заряды, т. е. положительный и отрицательный заряды притягиваются друг к другу; одноимённые заряды, т. е. положительные заряды или отрицательные заряды, наоборот, отталкиваются друг от друга.
Свободные электроны (отрицательные заряды) в металле притягиваются к положительно заряженному (+) выводу батарейки (источника тока) и поэтому движутся внутри металла уже не хаотически, а по направлению к плюсу источника тока.
Как нам уже известно, электрон представляет собой электрический заряд. Большое количество электронов, движущихся внутри металла в одном направлении, составляет поток электронов, т. е. электрических зарядов. Эти перемещающиеся внутри металла электрические заряды (электроны) образуют электрический ток.
Как уже говорилось, электроны движутся в проводах от минуса к плюсу. Однако условились считать, что ток течёт в обратном направлении: от плюса к минусу, т. е. как бы по проводам перемещаются не отрицательные, а положительные заряды (такие положительные заряды притягивались бы к минусу источника тока).
Чем больше листьев в лесу гонит ветер, тем гуще они заполняют воздух; подобно этому, чем большее количество зарядов протекает в металле, тем больше величина электрического тока.
Не во всяком веществе электрический ток может протекать с одинаковой лёгкостью. Свободные электроны легко перемещаются, например, в металлах.
Материалы, в которых электрические заряды движутся легко, называют проводниками электрического тока. В некоторых же материалах, называемых изоляторами, свободных электронов нет, и поэтому электрический ток через изоляторы не протекает. К изоляторам принадлежат, в числе других материалов, стекло, фарфор, слюда, пластмассы.
Свободные электроны, которые имеются в веществе, проводящем электрический ток, можно также сравнить с каплями воды.
Отдельные капли, находящиеся в состоянии покоя, не создают водного потока. Большое количество их в движении образует ручей или реку, текущую в одном направлении. Капли воды в этом ручье или реке движутся потоком, сила которого тем больше, чем больше разность уровней русла на его пути и, следовательно, чем больше разность «потенциалов» (высоты) отдельных отрезков этого пути.
Величина электрического тока
Чтобы помочь понять явления, вызываемые электрическим током, сравним его с потоком воды. В ручьях протекают незначительные количества воды, в реках — большие ее массы.
Положим, что величина водного потока в ручье равна 1; величину потока в речке примем, например, за 10. Наконец, у мощной реки величина водного потока равна, скажем, 100, т. е. в сто раз больше величины потока в ручье.
Слабый водный поток может приводить в движение колесо лишь одной мельницы. Величину этого потока примем равной 1.
Вдвое больший водный поток может приводить в действие две такие мельницы. Величина водного потока при этом равна 2.
Впятеро больший водный поток может приводить в действие пять таких же мельниц; величина водного потока равна теперь 5. Течение водного потока в реке можно наблюдать; электрический же ток протекает по проводам невидимо для наших глаз.
На следующем рисунке изображён один электродвигатель (электромотор), приводимый в действие электрическим током. Примем в этом случае величину электрического тока равной 1.
Когда электрический ток приводит в действие два таких электродвигателя, то величина тока, протекающего по главному проводу, будет в два раза больше, т. е. равна 2. И, наконец, когда электрический ток питает пять таких же электродвигателей, то по главному проводу течёт ток в пять раз больше, чем в первом случае; следовательно, величина его равна 5.
Практической единицей измерения величины потока воды или какой-либо другой жидкости (т. е. её количества, протекающего в единицу времени, например в секунду, через поперечное сечение русла реки, трубы и т. п.) является литр в секунду.
Для измерения величины электрического тока, т. е. количества зарядов, протекающих через поперечное сечение проводника в единицу времени, в качестве практической единицы принят ампер. Таким образом, величина электрического тока определяется в амперах. Сокращённо ампер обозначается буквой а.
Источником электрического тока может быть, например, гальваническая батарея или электрический аккумулятор.
От размеров батареи или аккумулятора зависит величина электрического тока, который они могут отдать, и продолжительность их действия.
Для измерения величины электрического тока в электротехнике пользуются специальными приборами, амперметрами (А). Через различные электрические устройства протекают различные количества электрического тока.
Электрическое напряжение
Вторая электрическая величина, тесно связанная с величиной тока, это напряжение. Чтобы легче было понять, что такое напряжение электрического тока, сравним его с разностью уровней русла (перепадом воды в реке) подобно тому, как электрический ток мы сравнивали с водным потоком. При небольшой разности уровней русла перепад примем равным 1.
Если разность уровней русла более значительна, то перепад воды соответственно больше. Положим, например, что он равен 10, т. е. в десять раз больше, чем в первом случае. Наконец, при ещё большей разности уровней перепада воды равен, скажем, 100.
Если поток воды падает с незначительной высоты, то он может привести в действие только одну мельницу. При этом перепад воды примем равным 1.
Тот же поток, падая с высоты, вдвое большей, может вращать колёса двух таких же мельниц. Перепад воды при этом равен 2.
Если разность уровней русла в пять раз больше, то тот же поток приводит в движение пять таких мельниц. Перепад воды равен 5.
Подобные же явления наблюдаются при рассмотрении электрического напряжения. Достаточно термин «перепад воды» заменить термином «электрическое напряжение», чтобы понять, какое значение оно имеет в следующих примерах.
Пусть горит только одна лампочка. Положим, что к ней приложено напряжение, равное 2.
Для того чтобы горело пять таких лампочек, соединённых между собой подобным же образом, напряжение должно быть равно 10.
Когда горят две такие же лампочки, последовательно соединённые между собой (как соединяют обычно лампочки в гирляндах для новогодних ёлок), то напряжение равно 4.
Во всех рассмотренных случаях через каждую лампочку протекает одинаковый по величине электрический ток и к каждой из них приложено одинаковое напряжение, составляющее часть общего напряжения (напряжения аккумулятора), которое в каждом отдельном примере различно.
Пусть речка впадает в озеро. Уровень воды в озере условно примем за нулевой. Тогда уровень русла речки около второго дерева по отношению к уровню воды в озере равен 1 м, а уровень русла около третьего дерева составит 2 м. Уровень русла около третьего дерева на 1 м выше его уровня около второго дерева, т. е. разность уровней русла между этими деревьями равняется 1 м.
Разность уровней русла измеряют единицами длины, например как мы и делали, метрами. В электротехнике уровню русла речки в какой-либо его точке по отношению к некоторому нулевому уровню (в нашем примере уровню воды в озере) соответствует электрический потенциал.
Разность электрических потенциалов называется напряжением. Электрический потенциал и напряжение измеряют одной и той же единицей — вольт, сокращённо обозначаемой буквой в. Таким образом, единицей измерения электрического напряжения является вольт.
Для измерения электрического напряжения служат специальные измерительные приборы, называемые вольтметрами (V).
Широко известен такой источник электрического тока, как аккумулятор. Один элемент так называемого свинцового аккумулятора (в котором свинцовые пластины погружены в водный раствор серной кислоты) в заряженном состоянии имеет напряжение примерно 2 в.
Анодная батарея, которую используют для питания батарейных радиоприёмников электрическим током, обычно состоит из нескольких десятков сухих гальванических элементов, каждый напряжением примерно 1,5 в.
Эти элементы соединены последовательно (т. е. плюс первого элемента соединён с минусом второго, плюс второго — с минусом третьего и т. д.). При этом общее напряжение батареи равно сумме напряжений элементов, из которых она составлена.
Следовательно, батарея напряжением 150 в содержит 100 таких элементов, последовательно соединённых между собой.
В розетку осветительной сети напряжением 220 в можно включить одну лампочку накаливания, рассчитанную на напряжение 220 в, или же 22 последовательно соединённые одинаковые ёлочные лампочки, каждая из которых рассчитана на напряжение 10 в. В этом случае на каждую лампочку придётся лишь 1/22 часть напряжения сети, т. е. 10 в.
Напряжение, действующее на том или ином электрическом приборе, в нашем случае на лампочке, называют падением напряжения. Если лампочка на 220 в потребляет такой же по величине ток, что и лампочка на 10 в, то общий ток, потребляемый от сети гирляндой, будет таким же по величине, как и ток, текущий через лампочку на 220 в.
Из сказанного ясно, что в сеть напряжением 220 в можно включить, например, две одинаковые лампочки на 110 в каждая, последовательно соединённые между собой.
Накаливать радиолампы, рассчитанные на напряжение 6,3 в, можно, например, от аккумулятора, состоящего из трёх последовательно соединённых элементов; лампы же, которые рассчитаны на напряжение накала 2 в, можно питать от одного элемента.
Напряжение накала радиоламп указывается округлённо в начале условного обозначения лампы: 1,2 в — цифрой 1; 4,4 в — цифрой 4; 6,3 в — цифрой 6; 5 в — цифрой 5.
О причине, вызывающей электрический ток
Если какие-либо две местности на поверхности земли, даже далеко отстоящие одна от другой, лежат на разных уровнях, то может возникнуть водный поток. Вода потечёт от высшей точки к низшей.
Так и электрический ток. Он может протекать только в том случае, если существует разность электрических уровней (потенциалов). На метеорологической карте высший барометрический уровень (высокое давление) обозначен знаком « + », а низший уровень — знаком «—».
Выравнивание уровней будет происходить в направлении стрелки. Ветер будет дуть в направлении местности с низшим барометрическим уровнем. К тому моменту, когда давление выровняется, кончится движение воздуха. Так и протекание электрического тока прекратится, если электрические потенциалы выравняются.
Во время грозы происходит выравнивание электрических потенциалов между тучами и землёй или между тучами. Оно проявляется в виде молнии.
Между выводами (полюсами) каждого гальванического элемента или аккумулятора также имеется разность потенциалов. Поэтому, если присоединить к нему, например, лампочку, то через неё потечёт ток. Со временем разность потенциалов уменьшается (происходит выравнивание потенциалов), и величина протекающего тока также падает.
Если включить в электросеть осветительную лампочку, то через неё тоже потечёт электрический ток, так как между гнёздами розетки существует разность потенциалов. Однако в отличие от гальванического элемента или аккумулятора эта разность потенциалов постоянно поддерживается, — до тех пор, пока работает электростанция.
Электрическая мощность
Между электрическим напряжением и величиной тока существует тесная связь. От величин напряжения и тока зависит величина электрической мощности. Поясним это следующими примерами.
С небольшой высоты падает вишня: Небольшая высота — небольшое напряжение. Небольшая сила удара — небольшая электрическая мощность.
С небольшой высоты (по отношению к месту, куда забрался мальчик) падает кокосовый орех: Большой предмет — большой ток. Небольшая высота — небольшое напряжение. Сравнительно большая сила удара — относительно большая мощность.
С большой высоты падает маленький горшочек с цветком: Небольшой предмет — небольшой ток. Большая высота падения — большое напряжение. Большая сила удара — большая мощность.
С большой высоты обрушивается снежная лавина: Большие массы снега — большой ток. Большая высота падения — большое напряжение. Большая разрушительная сила снежной лавины — большая электрическая мощность.
При токе большой величины и большом напряжении получается большая электрическая мощность. Но такую же мощность можно получить при большей величине тока и соответственно меньшем напряжении или, наоборот, при меньшей величине тока и большем напряжении.
Электрическая мощность постоянного тока равна произведению величин напряжения и тока. Электрическую мощность выражают в ваттах и обозначают буквами вт.
Уже говорилось о том, что водный поток определённой величины может привести в действие одну мельницу, вдвое больший поток — две мельницы, в четыре раза больший поток — четыре мельницы и т. д., несмотря на то, что перепад воды (напряжение) будет одним и тем же.
На рисунке показан небольшой водный поток (соответсвующий электрическому току), вращающий колёса четырёх мельниц благодаря тому, что перепад воды (соответствующий электрическому напряжению) достаточно велик.
Для вращения колёс этих четырёх мельниц можно было бы использовать вдвое больший поток воды при высоте падения, уменьшенной наполовину. Тогда мельницы были бы устроены несколько иначе, но результат получился бы такой же.
На следующем рисунке показаны две лампы, включённые параллельно в осветительную сеть напряжением 110 в. Через каждую из них протекает ток величиной 1 а. Проходящий через обе лампы ток составляет в сумме 2 а.
Произведение величин напряжения и тока определяет мощность, которую эти лампы потребляют от сети.
110 в х 2а = 220 вт.
Если напряжение осветительной сети равно 220 в, те же лампы следует включить последовательно, а не параллельно (как это было в предыдущем примере), чтобы сумма падений напряжений на них равнялась напряжению сети. Протекающий в этом случае через обе лампы ток равен 1 а.
Произведение величин напряжения и тока, текущего в цепи, даст нам мощность, потребляемую этими лампами 220 в х 1а=220 вт, т. е. ту же, что и в первом случае. Это и понятно, так как во втором случае ток, отбираемый от сети, меньше в два раза, но зато в два раза больше напряжение в сети.
Ватт, киловатт, киловатт-час
Каждый электрический прибор или машина (звонок, осветительная лампа, электродвигатель и т. д.) потребляет от осветительной сети определённую электрическую мощность.
Для измерения электрической мощности применяют специальные приборы, называемые ваттметрами.
Мощность, например, осветительной лампы, электродвигателя и т. д. можно определить и без помощи ваттметра, если известны напряжение сети и величина тока, который протекает через включённый в сеть потребитель электрической энергии.
Равным образом, если известны потребляемая от сети мощность и напряжение сети, то может быть определена величина тока, протекающего через потребитель.
Например, в осветительную сеть напряжением 110 в включена 50-ваттная лампа. Какой ток протекает через неё?
Так как произведение напряжения, выраженного в вольтах, и тока, выраженного в амперах, равно мощности, выраженной в ваттах (для постоянного тока), то, проделав обратный расчёт, т. е. разделив число ватт на число вольт (напряжение сети), получим величину тока в амперах, протекающего через лампу,
т. е. ток равен 50 вт / 110 в = 0,45 а (приблизительно).
Таким образом, через лампу, которая потребляет мощность 50 вт и включена в электрическую сеть напряжением 110 в, протекает ток величиной около 0,45 а.
Если в осветительную сеть комнаты включены люстра с четырьмя 50-ваттными лампочками, настольная лампа с одной 100-ваттной лампочкой и утюг мощностью 300 вт, то мощность всех потребителей энергии составляет в сумме 50 вт х 4+100 вт + 300 вт = 600 вт.
Так как напряжение сети равно 220 в, то по общим осветительным проводам, подходящим к этой комнате, протекает электрический ток, равный 600 вт / 220 в = 2,7 а (приблизительно).
Пусть электродвигатель потребляет от сети мощность 5000 ватт или, как говорят, 5 киловатт.
1000 ватт = 1 киловатт подобно тому, как 1000 грамм = 1 килограмм. Киловатт сокращённо обозначают буквами квт. Поэтому об электродвигателе и можно сказать, что он потребляет мощность 5 квт.
Чтобы определить, какое количество энергии потребил какой-либо электрический прибор, необходимо принять во внимание продолжительность времени, в течение которого эта энергия потреблялась.
Если осветительная лампа мощностью 10 вт горит в течение двух часов, то расход электрической энергии составляет 100 ватт х 2 часа = 200 ватт-часов, или 0,2 киловатт-часа. Если осветительная лампа мощностью 100 вт горит в течение 10 часов, то количество израсходованной энергии равно 100 ватт х 10 часов = 1000 ватт-часов, или 1 киловатт-час. Киловатт-час обозначают сокращённо буквами квт-ч.
В этой книге ещё масса интересного, но даже эти примеры показывают, насколько ответственно и с душой подходили к своей работе авторы того времени, особенно в случае обучения детей.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Мощность электрического тока — определение, единица измерения, формулы для переменного и постоянного тока, определите мощности цепи
Понятие мощности электрического тока отражает скорость передачи или преобразования электрической энергии в другой вид. Это мера интенсивности этих процессов.
Численно она равна работе по переносу электрических зарядов в единицу времени под действием источника напряжения.
Единицей измерения ее является Ватт, сокращенно Вт.
Определения, единицы измерения
Мощность, работа, энергия
В международной системе СИ, устанавливающей единицы измерения различных величин, энергия, или совершенная работа измеряется в Джоулях, сокращенно Дж.
Один ватт – это работа, произведенная электрическим током в течение одной секунды – 1 Вт = Дж/с.
На практике мощность часто измеряется в киловаттах и мегаваттах: 1 кВт = 1000 Вт, 1 мВт = 1000 кВт.
Электрическая энергия обозначается латинской буквой W:
- P – мощность, Вт;
- t – время, в течение которого совершалась работа, с.
В энергетике пользуются более удобными и наглядными единицами измерения расхода электроэнергии – кВт*час.
Пример
4 лампы накаливания, каждая мощностью 100 Вт (0,1 кВт) были включены в течение 5,5 часов.
Тогда расход электроэнергии W = 4*0,1*5,5 = 2,2 кВт час.
Коэффициент мощности
При протекании тока по цепям, имеющим только активную (омическую) нагрузку, ток и напряжение питания совпадают по фазе.
- Если нагрузка содержит активное и индуктивное сопротивление, например, катушка пускателя, то ток отстает по фазе от напряжения на некоторый угол φ.
- При чисто активной нагрузке он равен нулю, а при чисто индуктивной – минус 90°.
- Если нагрузка содержит активное и емкостное сопротивление, то ток опережает напряжение, а угол φ принимает значения от нуля до плюс 90°.
- Принято определять характер нагрузки с помощью коэффициента мощности Км:
- Км = cosφ.
Виды электрической мощности
Существует понятие трех видов мощности, каждая из которой обозначается соответствующей буквой латинского алфавита.
P – активная мощность
Ее еще часто называют «полезной». Например, активная мощность, потребляемая электродуговой сталеплавильной печью, расходуется на работу по расплавлению стальной шихты, а затем, в процессе плавки, определяет температуру расплава.
В общем виде, для однофазной сети:
- U –напряжение питания, обычно равно 220 В;
- I –ток нагрузки, А;
- R – активное сопротивление нагрузки, Ом
Для трехфазной сети: P=√3 U*I*cosφ, где U – линейное напряжение, обычно равно 380 В.
Очевидно, что при активной нагрузке cosφ=1
Q – реактивная мощность
Она потребляется или генерируется только реактивными элементами. Например, статорная обмотка асинхронного электродвигателя является индуктивной и активной нагрузкой.
Потребляемая двигателем реактивная мощность расходуется на создание основного магнитного потока, создающего вращающий момент.
S – полная мощность
Это суммарная мощность, потребляемая электроприемниками из сети:
Для однофазной сети S = U*I = P/ Cosφ
Для трехфазной — S = √3U*I = P/ Cosφ
С реактивной мощностью она связана соотношением: Q = S/ sinφ
P, Q и S измеряются в Вт (Ватт), ВАр (Вольт-Ампер реактивные) и ВА (Вольт-Ампер) соответственно.
Существует также довольно распространенное мнение, что квартирные счетчики подсчитывают расход всей потребляемой электроэнергии.
На самом деле бытовые счетчики любых типов учитывают потребление только активной мощности, и оплачивается только она.
P – мощность в цепях постоянного тока
- U – напряжение питания, В;
- I – ток нагрузки, А;
- R – активное сопротивление нагрузки, Ом
В цепях постоянного тока фазовый сдвиг всегда равен нулю, наличие индуктивностей и конденсаторов не изменяет величину потребляемой мощности, значение имеет только омическое сопротивление,
Потери в линиях питания
- Активные потери в проводах питания от протекающего тока Pa = I²R, где R – сопротивление проводников.
Ток в линии I² = I²a + I²p, где:
I²a и I²p – активная и реактивная составляющие тока.
Очевидно, что передача реактивной мощности вызывает дополнительную загрузку линии, что приводит к необходимости увеличивать сечение питающих проводов или кабелей.
Потери напряжения в линии: D = I*R, В.
Для уменьшения потерь в линиях электроснабжения большой протяженности необходимо увеличивать сечение проводов и кабелей, соответственно увеличиваются и затраты на их приобретение.
Нужно отметить, что трансформаторы, индукционные печи, электродвигатели, катушки магнитных пускателей и контакторов переменного тока, и многие другие устройства и механизмы не смогли бы работать без источника реактивной мощности, поэтому не нужно воспринимать ее существование только как негативное явление, понижающее энергетические показатели.
Компенсация реактивной мощности
Для того, чтобы снизить потребление реактивной энергии от генерирующих установок электростанций и улучшить энергетические показатели сети, применяются различные виды компенсирующих устройств.
Их действие основано на том, что индуктивные и емкостные токи имеют противоположные направления, так как их фазы сдвинуты относительно друг друга на 180°. Конденсаторы, подключенные к нагрузке, могут рассматриваться как генераторы емкостного тока. При равенстве емкостных и индуктивных токов можно добиться идеальной компенсации и нагрузка будет носить чисто активный характер.
На практике применяются различные виды компенсаторов:
- статические батареи конденсаторов;
- синхронные электродвигатели и компенсаторы, работающие в режиме перевозбуждения;
Батареи конденсаторов имеют возможность ручного или автоматического регулирования емкости так, чтобы при всех изменениях индуктивной нагрузки в линии питания поддерживалось оптимальное значение cosφ = 0,9 – 0,95.
Если производственное оборудование имеет мощные синхронные двигатели, например, применяемые для привода компрессоров, то их можно и нужно использовать в качестве генераторов емкостного тока.
Для этого увеличивается ток возбуждения до такого значения, после которого синхронные двигатели не потребляют, а отдают реактивную энергию в сеть.
На таком же принципе работают и вращающиеся синхронные компенсаторы. Они представляют собой синхронные двигатели с облегченной обмоткой, и не имеют никакой механической нагрузки на валу. Работают точно так же, в режиме перевозбуждения.
Заданное значение коэффициента мощности поддерживается с помощью систем автоматического регулирования, устанавливаемых на подстанциях и в распределительных устройствах.
Измерение мощности
Измерение активной мощности, потребляемой от источника однофазного напряжения, производится специальным прибором – ваттметром. Тремя ваттметрами можно абсолютно точно измерить ее и в трехфазной цепи, для этого нужно подключить к каждой фазе по прибору и просуммировать их показания.
Если токи нагрузки больше предельных для ваттметров, то клеммы токовых входов приборов подключаются через трансформаторы тока, а их показания умножаются на коэффициент трансформации.
Для определения общей мощности S измеряются фазные или линейные напряжения и токи.
Далее она рассчитывается по рассмотренным уже формулам:
- для однофазной цепи S = U*I;
- для трехфазной — S = √3U*I.
Реактивную мощность можно просто рассчитать по формуле: Q = √ S² — P².
Для измерения мощностей можно использовать имеющиеся счетчики активной и реактивной энергии
- Для этого включаются все имеющиеся потребители, через время t = 0,1 – 1,0 часа снимаются показания счетчиков, затем производится расчет по формулам: P = Wa/t, Q = Wp/t.
- В цепях постоянного тока измеряется напряжение питания и ток нагрузки. Мощность вычисляется перемножением этих величин.
- Напряжения измеряются вольтметрами или мультиметрами, ток – амперметрами прямого действия, а в сильноточных цепях с помощью токоизмерительных клещей или амперметра косвенного действия, подключаемого с помощью измерительного калиброванного шунта.
- Расчет и измерение мощности электрического тока необходимы при выборе сечения электропроводки.
- В жилых помещениях компенсирующие устройства, как правило, не предусматриваются.
- Основным требованием к проводке является соответствие сечения проводов и мощности всех приемников, установленных в квартире.
- Для предприятий энергоснабжающие организации устанавливают минимально допустимое значение коэффициента мощности.
Если на практике оно меньше договорной величины, то величина тарифа на электроэнергию соответственно повышается.
Чем отличается сила тока от напряжения простыми словами
В физике существует основное понятие заряда, которое определяет способность частиц и тел взаимодействовать через электромагнитные силы. Заряд может быть положительным или отрицательным, ионизированным или неионизированным, и измеряется в кулонах. Свойство зарядов притягиваться или отталкиваться друг от друга используется в электростатике и создании электрических полей. Закон сохранения заряда гласит, что сумма зарядов до и после передачи остается неизменной.
Движение заряда в электрическом поле является основой для работы электрических устройств. Понимание свойств и взаимодействия заряда с другими телами помогает объяснить многие явления в нашей жизни.
Если говорить, очень кратко и утрировано, то ток — это упорядоченное движение заряженных частиц. В металлах это электроны, в электролитах — ионы.
Сила тока — это количество зарядов, которые пройдут через проводник за единицу времени.
Измеряется эта величина в Амперах (в честь одноименного французского физика-математика) и показывает, насколько много энергии протекает за секунду в точке. Например, у молнии — большая сила тока, а у фонарика — маленькая.
Напряжение в цепях электрического тока, если говорить простыми словами — это величина силы, которая заставляет двигаться заряды упорядоченно.
Единицы измерения получили свое названия от итальянского физика и физиолога Алессандро Вольта, который изобрел первую гальваническую батарею.
Простой аналог из жизни — река. Чем больше уклон, тем быстрее она течет. Напряжение — это перепад высот реки, а сила тока — это объем воды, который протекает в конкретном месте.
Теперь становится понятно, в чем отличие тока от напряжения: первый — это движение зарядов, а второе — это то, что их заставляет двигаться.
Отличия с другими величинами
Существует еще ряд величин, которые характеризуют электрические системы: сопротивление, мощность и т.д.
Отличие сопротивления от тока и напряжения, в том, что оно мешает протеканию тока, уменьшая его.
В вышеупомянутой реке, в качестве сопротивления, выступают дно и камни.
Для лучшего понимания процесса можно привести еще один пример. Допустим, у нас есть длинный коридор, по которому бежит человек — это и есть сила тока. Чтобы бегун передвигался быстрее, другой человек бьет его палкой — это напряжение. В данном случае сопротивление — это стулья, хаотично расставленные по коридору и мешающие бежать.
По пустому коридору человек передвигается легко, его можно практически не бить, чтоб он быстро бежал. Но чем больше на пути препятствий, тем сильнее должно быть напряжение (удары), чтобы поддерживать тот же темп.
Выражается эта взаимосвязь формулой:
Еще одна важная величина, участвующая в данном процессе — мощность.
Отличие мощности от напряжения и силы тока, заключается в том, что она показывает величину работы, которую производит наш «бегун» за единицу времени.
В примере с рекой, мощность, это то насколько много намелет муки водяная мельница за день. Чем «мощнее» река, тем больше муки на выходе. Другими словами, это скорость выполнения работы.
Измеряется мощность в Ваттах. Эта единица измерения напрямую зависит от количества выполненной работы, разделенной на время, которое потребовалось на ее выполнение.