Ток, напряжение и мощность в электрической цепи

Как узнать силу тока, зная мощность и напряжения.

Чтобы ответить на вопрос, как определить ток, необходимо поделить электронапряжение на общее число ватт. При этом сделать все необходимые вычисления можно самостоятельно, а можно прибегнуть к специальному онлайн-калькулятору.

Узнать потребление электроэнергии по токовой силе резистора можно умножением первой на сопротивление, выражаемое в Омах. В итоге, получится значение, представленное в вольтах, перемноженных на ом. Получится ампер.

Обратите внимание! Если нет сопротивления, нужно поделить ваттный показатель на токовую энергию, то есть следует поделить ватты на амперы и получится значение электроэнергии в вольтах. Понять мощностное показание через величину электричества с электронапряжением, можно умножив соответствующие показания с устройства.

Какой ток в розетке – постоянный или переменный

Люди, мало-мальски знакомые с электротехникой, без труда ответят на вопрос о том, какой ток в розетке. Конечно же переменный. Этот вид электричества гораздо проще производить и передавать на большие расстояния, а потому выбор в пользу переменного тока очевиден.

Существует два вида тока — постоянный и переменный. Чтобы понять разницу и определить, постоянный или переменный ток находится розетке, следует вникнуть в некоторые технические особенности. Переменный ток имеет свойство изменяться по направлению и величине. Постоянный же ток обладает устойчивыми качествами и направлением передвижения заряженных частиц.

Переменный ток выходит из генераторов электростанции с напряжением, составляющим 220–440 тысяч вольт. При подходе к многоквартирному зданию ток уменьшается до 12 тысяч вольт, а на трансформаторной станции преобразуется в 380 вольт.

Совет

Напряжение между фазами именуют линейным. Низковольтный участок понижающей подстанции выдает три фазы и нулевой (нейтральный) провод. Подключение энергопотребителей осуществляется от одной из фаз и нулевого провода.

Таким образом, в здание заходит переменный однофазный ток с напряжением 220 вольт.

Схема распределения электроэнергии между домами представлена ниже:

В жилище электричество поступает на счетчик, а далее — через автоматы на коробки каждого помещения. В коробках имеется разводка по комнате на пару цепей — розеточную и осветительной техники.

Автоматы могут предусматриваться по одному для каждого помещения или по одному для каждой цепи.

С учетом того, на сколько ампер рассчитана розетка, она может быть включена в группу или быть подключенной к выделенному автомату.

Переменный ток составляется примерно 90% всей потребляемой электроэнергии. Столь высокий удельный вес вызван особенностями этого вида тока — его можно транспортировать на значительные расстояния, изменяя на подстанциях напряжение до нужных параметров.

Источниками постоянного тока чаще всего являются аккумуляторные батареи, гальванические элементы, солнечные панели, термопары.

Постоянный ток широко используется в локальных сетях автомобильного и воздушного транспорта, в компьютерных электросхемах, автоматических системах, радио- и телевизионной аппаратуре.

Постоянный ток применяется в контактных сетях железнодорожного транспорта, а также на корабельных установках.

На схеме, представленной ниже, показаны принципиальные отличия между постоянным и переменным токами.

Параметры домашней электрической сети

Основными параметрами электричества являются его напряжение и частота. Стандартное напряжение для домашних электросетей — 220 вольт. Общепринятая частота — 50 герц. Однако в США используется другое значение частоты — 60 герц. Параметр частоты задается генерирующим оборудованием и является неизменным.

Будет интересно➡ Как запаять алюминий с помощью паяльника своими руками

Напряжение в сети конкретного дома или квартиры может быть отличным от номинала (220 вольт). На данный показатель влияет техническое состояние оборудования, сетевые нагрузки, загруженность подстанции. В результате напряжение может отклоняться от заданного параметра в ту или другую сторону на 20–25 вольт.

Токовая нагрузка

Все розетки имеют определенную маркировку, по которой можно судить о допустимой токовой нагрузке. Например, обозначение «5A» указывает на максимальную силу тока в 5 ампер. Допустимые показатели следует соблюдать, поскольку в противном случае возможен выход оборудования из строя, в том числе его возгорание.

Маркировка на розетках показана на рисунке внизу:

Ко всем легально продаваемым электроприборам прилагается паспорт, где указана потребляемая мощность или номинал токовой нагрузки.

Крупнейшими потребителями электроэнергии являются такие электробытовые приборы, как кондиционеры, микроволновые печи, стиральные машины, кухонные электроплиты и духовки.

Таким приборам для нормальной работы понадобится розетка с нагрузкой не меньше 16 ампер.

Обратите внимание

Если же в документации к электробытовой технике отсутствуют сведения о потребляемых амперах (сила тока в розетке), определение нужных величин осуществляется по формуле электрической мощности:

Показатель мощности имеется в паспорте, напряжение сети известно. Чтобы определить потребление электричества, нужно показатель мощности (указывается только в ваттах) разделить на величину напряжения.

Расчет потребляемой мощности

Электромощность является величиной, которая отвечает за факт скорости изменения или передачи электрической энергии. Есть полная и активная мощностная нагрузка, а также активная и реактивная. Полная вычисляется так: S = √ (P2 + Q2), где P является активной частью, а Q реактивной. Для нахождения потребляемого мощностного показателя необходимо знать число электротока, которое потребляется нагрузкой, а также питательное напряжение, которое выдается при помощи источника.

Вам это будет интересно Обозначение разного электрооборудованья на схемах

Что касается бытового определения потребляемой электрической энергии, необходимо вычислить общее количество ватт питания электрических приборов и паспортные данные номинальной силы электротока котла. Как правило, все электрические приборы работают с переменным током и напряжением в 220 вольт. Для вычисления тока проще всего воспользоваться амперметром. Зная первый и второй параметры, реально узнать величину потребляемой энергии.

Стоит указать, что измерить мощность через напряжение или сделать расчет мощности по сопротивлению и напряжению возможно не только формулой, но и прибором. Для этого можно воспользоваться мультиметром с токоизмерительными клещами или специализированным измерителем — ваттметром.

Обратите внимание! Оба работают по одному и тому же принципу, указанному в руководстве по их эксплуатации.

Мощность, ток и напряжение — три составляющие расчета проводки в доме. Узнать все необходимые параметры в любой сети просто при помощи формул, представленных выше. От этих значений будет зависеть исправность работы всей домашней электрики и безопасность ее владельца.

Что влияет на мощность тока

Добавление электрического сопротивления позволяет учесть потери в подключенной цепи (нагрузке). В формуле нахождения мощности для полной цепи учитывают параметры источника питания. Для более точного анализа следует оценить скорость потребления энергии на единицу объема проводника (ΔV).

Мощность равна формуле:

Pуд = Rуд * j2,

где:

• Rуд – удельное сопротивление;
• j – плотность тока соответствующего участка цепи.

Из этого выражения понятна зависимость расхода электричества от проводимости. Данное соотношение определяет требования к используемой кабельной продукции. При недостаточном сечении (высоком уровне примесей) увеличивается нагрев. Аналогичный результат получают при подключении мощной нагрузки. На определенном уровне произойдет тепловое разрушение материала.

К сведению. Этот процесс является причиной типичных аварийных ситуаций. Для предотвращения повреждений применяют специализированную технику – автоматические выключатели.

Отличия мощности при постоянном и переменном напряжении

Ведем обозначения электрических величин, которые приняты в нашей стране:

• Р − активная мощность, измеряется в ваттах, обозначается Вт;
• Q − реактивная мощность, измеряется в вольт амперах реактивных, обозначается ВАр;
• S − полная мощность, измеряется в вольт амперах, обозначается ВА;
• U − напряжение, измеряется в вольтах, обозначается ВА;
• I − ток, измеряется в амперах, обозначается А;
• R − сопротивление, измеряется в омах, обозначается Ом.

Назовем основные отличия P на постоянном и Q на переменном электротоке. Расчет P на постоянном электротоке получается наиболее простым. Для участков электрической цепи справедлив закон Ома. В этом законе задействованы только величина приложенного U (напряжения) и величина сопротивления R.

Расчет S (полной мощности) на переменном электротоке производится несколько сложнее. Кроме P, имеется Q и вводится понятие коэффициента мощности. Алгебраически складывая активную P и реактивную Q, получают общую S.

Напряжение переменного тока

Как известно еще с уроков физики, ток – это движение заряженных частиц, которое возникает под воздействием на них электромагнитного поля, разности потенциалов и напряженности. Основная характеристика любого напряжения – это зависимость от времени. Исходя из этого, различают постоянную и переменную величины. Значение постоянного с течением времени практически не изменяется, а переменного – изменяется.

Будет интересно➡ Особенности резонанса токов

В свою очередь переменная характеристика бывает периодической и непериодической. Периодическое – это напряжение, значения которого повторяются через одинаковые интервалы времени. Непериодическое же способно изменяться в любой отрезок времени.

Напряженность в переменной цепи – это такой параметр, который изменяет свою величину с течением времени. Для упрощения разъяснений в дальнейшем будет рассматриваться синусоидальное гармоническое переменное напряжение.

Минимальное время, в течение которого переменная величина повторяется, называется периодом. Абсолютно любую периодическую величину можно записать зависимостью от какой-либо функции. Если время – это t, то зависимость будет обозначаться F(t). Таким образом, любой период во времени имеет вид: F(t+-T) = F(t), где T – период.

Физическая величина, которая является обратной периоду, называется частотой. Она равна 1/T. Единицей ее измерения является герц, в то время как единицей измерения периода стала секунда.

f = 1/T, 1 Гц = 1/с = с в минус первой степени.

Важно! Чаще всего встречается функциональная зависимость переменной сети в виде синусоиды. Именно поэтому она была взята за основу этого материала.

Из математики известно, что синусоида – это простейшая периодическая функция, и с ее помощью из нескольких синусоид с кратными частотами можно представить любые другие периодические функции.

Синусоидальная напряженность в абсолютно любой промежуток времени может описать моментальная характеристика: u = U * sin(ωt + φ), где ω = 2πf = 2π/T, где U – максимальное напряжение (амплитуда), ω – угловая скорость изменения, φ – начальная фаза, которая определяется смещением функции относительно нулевой точки координат.

Часть (ωt + φ) – это фаза, которая характеризует значение напряжения в конкретный промежуток времени. Из этого выходит, что амплитуда, угловая скорость и фаза – это основные характеристики переменных сетей, определяющие их значения в любой интервал времени.

Важно! При рассмотрении синусоидальной функции фазу часто принимают за ноль. На практике также часто прибегают к еще некоторым параметрам, включающим действующее и среднее напряжение, коэффициент формы.

Виды мощностей

Мощностью называется измеряемая физическая величина, которая равна скорости изменения с преобразованием, передачей или потреблением системной энергии. Согласно более узкому понятию, это показатель, который равен отношению затраченного времени на работы к самому периоду, который тратится на работу. Обозначается в механике символом N. В электротехнической науке используется буква P. Нередко можно увидеть также символ W, от слова ватт.

Мощность переменного тока -это произведение силы тока с напряжением и косинусом сдвига фаз. При этом беспрепятственно можно посчитать только активную и реактивную разновидность. Узнать полное мощностное значение можно через векторную зависимость этих показателей и площади.

Мощность тока через резистор

Пусть переменный ток протекает через резистор сопротивлением . Напряжение на резисторе, как нам известно, колеблется в фазе с током:

Поэтому для мгновенной мощности получаем:

(2)

Мы видим, что мощность всё время неотрицательна — резистор забирает энергию из цепи, но не возвращает её обратно в цепь.

Мощность переменного тока через резистор.

Максимальное значение нашей мощности связано с амплитудами тока и напряжения привычными формулами:

На практике, однако, интерес представляет не максимальная, а средняя мощность тока. Это и понятно. Возьмите, например, обычную лампочку, которая горит у вас дома. По ней течёт ток частотой Гц, т. е. за секунду совершается колебаний силы тока и напряжения. Ясно, что за достаточно продолжительное время на лампочке выделяется некоторая средняя мощность, значение которой находится где-то между и . Где же именно?

Посмотрите ещё раз внимательно на рис. 1. Не возникает ли у вас интуитивное ощущение, что средняя мощность соответствует «середине» нашей синусоиды и принимает поэтому значение ?

Это ощущение совершенно верное! Так оно и есть. Разумеется, можно дать математически строгое определение среднего значения функции (в виде некоторого интеграла) и подтвердить нашу догадку прямым вычислением, но нам это не нужно. Достаточно интуитивного понимания простого и важного факта:

среднее значение квадрата синуса (или косинуса) за период равно .

Среднее значение квадрата синуса равно

Итак, для среднего значения мощности тока на резисторе имеем:

(3)

В связи с этими формулами вводятся так называемые действующие (или эффективные) значения напряжения и силы тока (на самом деле это есть не что иное, как средние квадратические значения напряжения и тока. Такое у нас уже встречалось: средняя квадратическая скорость молекул идеального газа (листок «Уравнение состояния идеального газа»):

(4)

Формулы (3), записанные через действующие значения, полностью аналогичны соответствующим формулам для постоянного тока:

Поэтому если вы возьмёте лампочку, подключите её сначала к источнику постоянного напряжения , а затем к источнику переменного напряжения с таким же действующим значением , то в обоих случаях лампочка будет гореть одинаково ярко.

Действующие значения (4) чрезвычайно важны для практики. Оказывается, вольтметры и амперметры переменного тока показывают именно действующие значения (так уж они устроены). Знайте также, что пресловутые вольт из розетки — это действующее значение напряжения бытовой электросети.

Мощность тока через конденсатор

Пусть на конденсатор подано переменное напряжение . Как мы знаем, ток через конденсатор опережает по фазе напряжение на :

Для мгновенной мощности получаем:

График зависимости мгновенной мощности от времени.

Мощность переменного тока через конденсатор.

Чему равно среднее значение мощности? Оно соответствует «середине» синусоиды и в данном случае равно нулю! Мы видим это сейчас как математический факт. Но интересно было бы с физической точки зрения понять, почему мощность тока через конденсатор оказывается нулевой.

Для этого давайте нарисуем графики напряжения и силы тока в конденсаторе на протяжении одного периода колебаний.

Напряжение на конденсаторе и сила тока через него.

Рассмотрим последовательно все четыре четверти периода.

1. Первая четверть, . Напряжение положительно и возрастает. Ток положителен (течёт в положительном направлении), конденсатор заряжается. По мере увеличения заряда на конденсаторе сила тока убывает.

Мгновенная мощность положительна: конденсатор накапливает энергию, поступающую из внешней цепи. Эта энергия возникает за счёт работы внешнего электрического поля, продвигающего заряды на конденсатор.

2. Вторая четверть, . Напряжение продолжает оставаться положительным, но идёт на убыль. Ток меняет направление и становится отрицательным: конденсатор разряжается против направления внешнего электрического поля.В конце второй четверти конденсатор полностью разряжен.

Мгновенная мощность отрицательна: конденсатор отдаёт энергию. Эта энергия возвращается в цепь: она идёт на совершение работы против электрического поля внешней цепи (конденсатор как бы «продавливает» заряды в направлении, противоположном тому, в котором внешнее поле «хочет» их двигать).

3. Третья четверть, . Внешнее электрическое поле меняет направление: напряжение отрицательно и возрастает по модулю. Сила тока отрицательна: идёт зарядка конденсатора в отрицательном направлении.

Ситуация полностью аналогична первой четверти, только знаки напряжения и тока — противоположные. Мощность положительна: конденсатор вновь накапливает энергию.

4. Четвёртая четверть, . Напряжение отрицательно и убывает по модулю. Конденсатор разряжается против внешнего поля: сила тока положительна.

Мощность отрицательна: конденсатор возвращает энергию в цепь. Ситуация аналогична второй четверти — опять-таки с заменой заменой знаков тока и напряжения на противоположные.

Мы видим, что энергия, забранная конденсатором из внешней цепи в ходе первой четверти периода колебаний, полностью возвращается в цепь в ходе второй четверти. Затем этот процесс повторяется вновь и вновь. Вот почему средняя мощность, потребляемая конденсатором, оказывается нулевой.

Формула напряжения

В физике есть формула, хотя практического применения она не имеет. Официальная формула записывается так.

формула напряжения

где

A — это работа электрического поля по перемещению заряда по участку цепи, Джоули

q — заряд, Кулон

U — напряжение на участке электрической цепи, Вольты

На практике напряжение на участке цепи выводится через закон Ома.

Будет интересно➡ Напряжение в сети

напряжение из закона Ома

где

I — сила тока, Амперы

R — сопротивление, Омы

Мощность тока через катушку

Пусть на катушку подано переменное напряжение . Ток через катушку отстаёт по фазе от напряжения на :

Для мгновенной мощности получаем:

Снова средняя мощность оказывается равной нулю. Причины этого, в общем-то, те же, что и в случае с конденсатором. Рассмотрим графики напряжения и силы тока через катушку за период (рис. 5).

Напряжение на катушке и сила тока через неё.

Мы видим, что в течение второй и четвёртой четвертей периода энергия поступает в катушку из внешней цепи. В самом деле, напряжение и сила тока имеют одинаковые знаки, сила тока возрастает по модулю; для создания тока внешнее электрическое поле совершает работу против вихревого электрического поля, и эта работа идёт на увеличение энергии магнитного поля катушки.

В первой и третьей четвертях периода напряжение и сила тока имеют разные знаки: катушка возвращает энергию в цепь. Вихревое электрическое поле, поддерживающее убывающий ток, двигает заряды против внешнего электрического поля и совершает тем самым положительную работу. А за счёт чего совершается эта работа? За счёт энергии, накопленной ранее в катушке.

Таким образом, энергия, запасаемая в катушке за одну четверть периода, полностью возвращается в цепь в ходе следующей четверти. Поэтому средняя мощность, потребляемая катушкой, оказывается равной нулю.