Когда ток течет в цепях только с активной (омической) нагрузкой, ток и напряжение питания находятся в фазе друг с другом.
Электрический ток
Электрический ток течет в проводниках. И он "течет", почти как вода. Предположим, вы – счастливый фермер, который решил полить свой сад. Вы слегка поворачиваете кран, и вода тут же течет из шланга. Медленно, но все же течет.
Сила потока очень слабая. Тогда он решает применить большее давление и открывает кран до упора. В результате получается струя такой силы, что ни один помидор не остается без внимания, хотя диаметр шланга в обоих случаях одинаковый.
Теперь представьте, что вы наполняете два ведра с помощью двух шлангов. В зеленом шланге давление сильнее, а в желтом – слабее. Быстрее наполнится то ведро, в котором шланг находится под большим давлением. Это происходит потому, что объем воды за один и тот же период времени из двух разных шлангов также различен. Другими словами, из зеленого шланга выйдет гораздо больше молекул воды, чем из желтого за то же время.
Если мы возьмем проводник с электричеством, произойдет то же самое: заряженные частицы будут двигаться по проводнику, как и молекулы воды. Если по проводнику движется больше заряженных частиц, то "напор" также увеличится.
- Электрический ток – это направленное движение заряженных частиц.
Получайте советы, статьи, видео и контрольные списки по обучению в свой почтовый ящик
Полезные подарки для родителей
В "Колесе Фортуны" есть гарантированные призы, которые помогут наладить обучение и отношения с вашим ребенком!
Получите свой подарок!
Сила электричества
Сразу же возникает необходимость определить величину, с помощью которой мы будем измерять "мощность" электрического тока. Она зависит от количества частиц, проходящих через проводник.
Сила тока – это физическая величина, показывающая, сколько заряда протекает через проводник в единицу времени.
Как обозначается сила тока?
Сила тока обозначается буквой I
Сила тока
I = q/t
Сила тока измеряется в амперах. Эта единица измерения была выбрана не случайно.
Во-первых, она названа в честь физика Андре-Мари Ампера, который изучал электрические явления. Во-вторых, единица измерения была выбрана на основе явления взаимодействия двух проводников.
Аналогия с водопроводной трубой здесь, к сожалению, не работает. Водопроводные трубы не притягиваются и не отталкиваются друг от друга вплотную (а жаль, было бы круто).
Когда ток течет по двум параллельным проводникам в одном направлении, проводники притягиваются друг к другу. А когда в противоположном направлении (по тем же проводникам), они отталкиваются друг от друга.
Единицей силы тока 1 А является ток, при котором два параллельных проводника длиной 1 м, находящихся на расстоянии 1 м друг от друга в вакууме, взаимодействуют друг с другом с силой 0,0000002 Н.
Задача
Найдите силу тока в цепи, если через нее за 2 секунды протекает заряд 300 мКал.
Решение:
Воспользуемся формулой для силы тока
I = 300 мКал / 2 секунды = 150 мА
Ответ: Сила тока в цепи равна 150 мА
Чтобы правильно освоить теорию, требуется много практики. Курс физики 10 класса в Skysmart – отличный способ попрактиковаться в решении задач.
Узоры
На многих бытовых электроприборах есть этикетки с указанием их мощности. Мощность (P) указывает на работу (A), которую совершает электроприбор за единицу времени (t). Поэтому, чтобы найти среднюю мощность электрического тока, нужно разделить работу на время, т.е. P = A / t.
Давайте рассмотрим, что такое мощность электрического тока. Для этого рассмотрим электрическую цепь (см. рис. 1), состоящую из источника тока, проводов и электрической нагрузки, которой может быть резистор, аккумулятор, электродвигатель и т.д.
Рекомендуемое электрическое напряжение также указано на электрооборудовании. Как связаны эти две величины? Из школьной физики мы знаем, что напряжение (U) между концами данного электрического устройства определяется следующим образом: U = A / q, где: A – это работа, совершаемая источником электрического напряжения для переноса электрического заряда (q) по проводнику.
Величина электрического заряда рассчитывается по формуле: q = I * t
Имеем A = P * t; A = U * q и q = I * t. После преобразования формул получаем: A = P*t = U*q = U*I*t.
Из этого следует (разделив обе стороны уравнения на t), что P = U*I. Это означает, что мы можем сказать, что количество энергии, переданной от источника тока к резистору, задается формулой P = U * I
Из этой формулы следует, что U = P / I , I = P / U.
Согласно закону Ома для участка цепи I = U / R, где R – электрическое сопротивление участка цепи. Поэтому из формулы P = U * I следуют две другие формулы для мощности электрического тока, т.е. P = U 2 /R, P = I 2 R.
В последовательно соединенных цепях удобно использовать P = I 2 R, так как при последовательном соединении ток в проводниках одинаков.
Единицы измерения и обозначение единиц
Международная система единиц (СИ) определяет мощность как ватт. Русская аббревиатура такова: W(Вт), международное обозначение: W). 1 Вт = 1 Дж/c. Из формулы P = U*I следует, что: 1 ватт = 1 вольт * 1 ампер, или 1 Вт = 1 В*А.
Существуют также единицы измерения мощности, кратные ватту: гектаватт (гВт), киловатт (кВт), мегаватт (МВт). Другими словами, 1 гВт = 100 Вт, 1 кВт = 1 000 Вт, 1 МВт = 1 000 000 Вт.
Единицы мощности, используемые в электротехнике, кратны ватту: микроватт (мкВт), милливатт (мВт), гектаватт (гВт), киловатт (кВт) и мегаватт (МВт). Другими словами, 1 мкВт = 1*10 -6 Вт, 1 мВт = 1*10 -3 Вт, 1 гВт = 1*10 2 Вт, 1 кВт = 1*10 3 Вт, 1 МВт = 1*10 6 Вт.
Каждый электроприбор имеет определенный номинал мощности (указан на приборе). Ниже приведены типичные значения мощности для некоторых электроприборов.
| Прибор | Мощность, Вт |
| Телевизор в режиме ожидания | 0,5 |
| Лампочка | Приблизительно 1 |
| Лампочка | 25-150 |
| Холодильник | 160 |
| Электрический обогреватель | 500-2000 |
| Пылесос | До 1300-1800 |
| Электрический чайник | Около 2000 |
| Утюг | 1200-2200 |
| Стиральная машина | До 2300 |
В прошлом для определения мощности использовалась единица измерения – лошадиная сила, которая известна и сегодня. Переведите мощность из лошадиных сил в ватты, используя выражение: 1 КМ = 735,5 ВАТТ.
Примеры задач
В качестве примера рассмотрим расчеты на участках электрической цепи с последовательным и параллельным соединением компонентов. Первый вариант предполагает ситуацию, когда все детали подключены одна за другой от одного полюса источника питания к другому.
Как показано на схеме, мы используем батарею с номинальным напряжением 9 вольт и три резистора 10, 20 и 30 Ом соответственно. Поскольку мы не знаем номинальный ток, рассчитаем напряжение и сопротивление:
P = U 2 /R = 81 / (10+20+30) = 1,35 W
Для параллельной цепи возьмем в качестве примера участок цепи с двумя резисторами и одним источником тока:
Как видите, для простоты расчета нам необходимо ввести параллельно соединенные резисторы в эквивалентную схему цепи, из которой мы получаем:
Затем мы можем найти требуемую мощность нагрузки через значение тока и сопротивления:
P = I 2 *R = 25*6 = 150 W
Измерение мощности
Измерение активной мощности от источника однофазного напряжения производится с помощью специального прибора – ваттметра. С помощью трех ваттметров можно также проводить точные измерения в трехфазных цепях, подключая по одному прибору к каждой фазе и суммируя их показания.
Если токи нагрузки превышают пределы ваттметров, входные клеммы приборов соединяются с помощью трансформаторов тока, а их показания умножаются на коэффициент трансформации.
Для определения полной мощности S измеряются фазные или линейные напряжения и токи.
Затем она рассчитывается по уже рассмотренным формулам:
- Для однофазной цепи S = U*I;
- Для трехфазной цепи S = √3U*I.
Реактивная мощность может быть просто рассчитана по формуле: Q = √ S² – P².
Существующие счетчики активной и реактивной энергии могут быть использованы для измерения мощности.
- Для этого все имеющиеся потребители включаются, показания счетчиков снимаются через время t = 0,1-1,0 часа, а затем рассчитываются уравнения: P = Wa/t, Q = Wp/t.
- В цепях постоянного тока измеряется напряжение питания и ток нагрузки. Мощность рассчитывается путем перемножения этих величин.
- Напряжение измеряется с помощью вольтметров или мультиметров, ток – с помощью амперметра прямого действия, а в сильноточных цепях – с помощью токовых клещей или амперметра косвенного действия, подключенного с помощью калиброванного измерительного шунта.
- При выборе сечения проводника необходимо рассчитать и измерить пропускную способность по току.
- Компенсационные устройства обычно не устанавливаются в жилых помещениях.
- Основное требование к электропроводке – соответствие сечения проводников и мощности всех потребителей, установленных в квартире.
- В случае предприятий коммунальные службы указывают минимальное значение коэффициента мощности.
ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
Единицами измерения мощности считаются следующие Ватт (1 W): 1 W = 1 V – 1 A.
Если известна мощность электрического тока, то легко определить работу, совершенную током за определенный период времени: A = Pt.
Единицей работы электрического тока является Джоуль (1 J): 1 J = 1 Вт – 1 с.
Эту единицу работы неудобно использовать на практике, поскольку работа электричества совершается в течение длительного периода времени (несколько часов и более). Поэтому часто используют единицу работы вне системы: ватт-час (Вт – ч) или киловатт-час (кВт – ч):
ЗАВИСИМОСТЬ МОЩНОСТИ ОТ СПОСОБА ПОДКЛЮЧЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
Мы знаем, что для настольных ламп мы обычно используем лампы накаливания мощностью 25-60 Вт, потому что они дают достаточно света при включении, а лампы накаливания мощностью 150-200 Вт используются для освещения больших площадей, вестибюлей и улиц.
Но всегда ли лампочка большей мощности будет светить ярче, чем лампочка меньшей мощности? Чтобы ответить на этот вопрос, давайте решим следующую задачу. Предположим, есть две лампы накаливания с напряжением не более 6 В, но разной мощности (одна лампа – 3 Вт, другая – 1,8 Вт). Какая лампочка будет светить ярче, если соединить их в цепь параллельно или последовательно? Напряжение источника тока в цепи в обоих случаях равно 6 В.
Определите мощность первой лампочки (номинальная мощность) Р1ном = 3 Вт, а мощность второй лампочки P2nom = 1.8 W. Как вы объясните, что лампочка мощностью 1,8 Вт, соединенная последовательно, горит ярче, чем лампочка мощностью 3 Вт?
Из уравнения (1), учитывая закон Ома, нетрудно вывести другое выражение для мощности:
Р = U2/R (2)
Из уравнения (2) мы получим сопротивление каждой лампочки: R1 = 12 Ом, R2 = 20 Ом. Когда лампочки соединены последовательно, ток, протекающий через них, одинаков: I1 = I2 = I. Поэтому тепловая мощность каждой лампы будет отличаться от номинальной: Р1 = l 2 R1, Р2 = l 2 R2.
Поскольку R2 > R1 то Р2 > Р1т.е. Лампа мощностью 1,8 Вт будет гореть ярче, чем лампа мощностью 3 Вт.
При параллельном подключении ламп наблюдается другая картина. В этом случае напряжение каждой лампы одинаково: U1 = U2 = U. В этом случае мощность необходимо рассчитать по формуле (2). Из этого следует, что лампа, рассчитанная на 3 Вт, будет светить ярче, чем лампа, рассчитанная на 1,8 Вт.