Вывод формулы определения напряжения

Электрическое напряжение

Не прикасаться, корпус под напряжением. Запрещающий знак, Германия.

Для описания цепей переменного тока применяются следующие напряжения:

мгновенное напряжение;
амплитудное значение напряжения;
среднее значение напряжения;
среднеквадратичное значение напряжения;
средневыпрямленное значение напряжения.

Мгновенное напряжение есть разность потенциалов между двумя точками, измеренная в данный момент времени. Зависит от времени (является функцией времени):

Амплитудное значение напряжения есть максимальное по модулю значение мгновенного напряжения за весь период колебаний:

Для гармонических (синусоидальных) колебаний напряжения мгновенное значение напряжения выражается как:

Для сети переменного синусоидального напряжения со среднеквадратичным значением 220 В амплитудное напряжение равно приблизительно 311,127 В.

Амплитудное напряжение можно измерить с помощью осциллографа.

Среднее значение напряжения (постоянная составляющая напряжения) есть напряжение, определяемое за весь период колебаний, как:

Для синусоиды среднее значение напряжения равно нулю.

Среднеквадратичное значение напряжения (устаревшие наименования: действующее, эффективное) есть напряжение, определяемое за весь период колебаний, как:

Среднеквадратичное значение напряжения наиболее удобно для практических расчётов, так как на линейной активной нагрузке оно совершает ту же работу (например, лампа накаливания имеет ту же яркость свечения, нагревательный элемент выделяет столько же тепла), что и равное ему постоянное напряжение.

Для синусоидального напряжения справедливо равенство:

В технике и быту при использовании переменного тока под термином «напряжение» имеется в виду именно среднеквадратичное значение напряжения, и все вольтметры проградуированы исходя из его определения. Однако конструктивно большинство приборов фактически измеряют не среднеквадратичное, а средневыпрямленное (см. ниже) значение напряжения, поэтому для несинусоидального сигнала их показания могут отличаться от истинного значения.

Средневыпрямленное значение напряжения есть среднее значение модуля напряжения:

Для синусоидального напряжения справедливо равенство:

Um=2πUM(≈,637UM)=22πUq(≈,9Uq).=U_(\approx 0,637U_)=> \over \pi >U_(\approx 0,9U_).>

На практике используется редко, однако большинство вольтметров переменного тока (те, в которых ток перед измерением выпрямляется) фактически измеряют именно эту величину, хотя их шкала и проградуирована по среднеквадратичным значениям.

Потенциал Гальвани

Внутри проводящего материала на энергию электрона влияют не только средние возможности, но и конкретная тепловая и атомная среда, в которой он находится. Когда вольтметр подключен между двумя различными типами металла, он не измеряет разность электростатического потенциала.

Величина, измеренная с помощью вольтметра, является отрицательной и обычно называется разностью напряжений. В то время как чистая нескорректированная электростатическая возможность (неизмеряемая с помощью вольтметра) иногда называется Гальванической. Термины «напряжение» и «электрический потенциал» неоднозначны в том смысле, что на практике они могут относиться к любому из них в различных контекстах.

Напряжение в цепях постоянного тока

В таких цепях значение описываемой характеристики в течение длительного времени остается постоянным. Постепенное изменение значения данной характеристики при подключении потребителей (нагрузки) к батарее связано с ее разрядкой – уменьшением разности потенциалов между клеммами источника питания вследствие перемещения большего количества носителей зарядов с положительной клеммы на отрицательную.

Ток и напряжение в данном случае связаны законом Ома, формула которого приведена ниже:

I – сила тока, А;
U – разность потенциалов, В;
R – сопротивление, Ом.

Треугольник Ома – удобная форма формулы одноименного закона

Как рассчитывать трехфазное напряжение

Промышленная передача электроэнергии использует три симметрично расположенных по времени синусоиды напряжения, которые вырабатывают генераторы.

Три обмотки их ротора разнесены между собой на 120 градусов и вращаются в магнитном поле статора, поочередно пересекая его силовые линии. Поэтому у них наводится таким же образом смещенная электродвижущая сила.

Синусоиды сдвинуты между собой на такой же угол, как показано правее. Их векторное выражение на комплексной плоскости тоже отображается с углом 120О.

При этом формируется система линейных и фазных напряжений, показанная на картинке.

Между всеми линейными проводами образуется разность потенциалов в 380 вольт. В то же время относительно каждого этого проводника и нулем присутствует так нам привычное 220.

Такая система постоянно работает в сбалансированном режиме: токи однофазных потребителей циркулируют по своим замкнутым цепочкам, постоянно складываясь в нулевом проводнике. Сложение это не чисто арифметическое, а векторное, учитывающее направление потока энергии.

Поэтому при геометрическом сложении векторов происходит снижение тока в проводе нуля и его, как правило, делают тоньше, чем остальные жилы.

Формулы электрического напряжения для линейных и фазных величин, а также токов смотрите прямо на картинке.

Как найти силу тока через сопротивление и напряжение

Сила тока обозначается латинскими или , и она зависит от количества заряда, перенесенного от одного полюса к другому за определенный промежуток времени, т.е. I = q/t. Измеряется сила тока в амперах, а узнать её значение в цепи можно при помощи амперметра.

Мужчина считает силу тока

Существуют формулы определения силы тока через напряжение и сопротивление. В первом случае произведение силы тока на время равняется работе, деленной на напряжение: I*t = A/U, во втором – по закону Ома, I = U/R. Через мощность сила будет равняться P/U.

При последовательном соединении, сила тока одинакова на всех участках цепи, следовательно, равна общему значению в цепи. В противоположном случае сила электрического тока равняется сумме силы тока всех нагрузок.

Таким образом, существует огромное множество формул для нахождения силы тока, напряжения и сопротивления. Они всегда могут пригодиться для теории, а на практике всегда помогут специальные приборы – амперметр и вольтметр.

Чему равно напряжение.

Напряжение напрямую связано с работой тока, зарядом и сопротивлением. Чтобы измерить напряжение непосредственно в электрической цепи, к ней нужно подключить вольтметр. Он присоединяется к цепи параллельно, в отличие от амперметра, который подключается последовательно. Зажимы измерительного прибора крепятся к тем точкам, между которыми нужно вычислить напряжение. Чтобы он правильно показал значение, нужно включить цепь. На схемах вольтметр обозначается буквой V, обведенной в кружок.

Изображение вольтметра и электрической цепи

Напряжение обозначается латинской , а измеряется в . Оно равно работе, которое совершает поле при перемещении единичного заряда. Формула напряжения тока – это U = A/q, где A – работа тока, q – заряд, а U – само напряжение.

Обратите внимание! В отличие от магнитного поля, где заряды неподвижны, в электрическом поле они находятся в постоянном движении. Электрическое поле

Электрическое поле

Информация о напряжении

Напряжение — работа электрического тока, при которой происходит перемещение заряда из одной точки в другую. Оно имеет векторное направление. Электрическим током является движение заряженных элементарных частиц под воздействие электромагнитного поля.

Некоторые начинающие физики не знают, в чем измеряется напряжение

Знать это очень важно, поскольку элементы электрической цепи можно рассчитать неверно. Единицей измерения тока является ампер (А), а напряжения — вольт (В)

В последнем случае применяется вольтметр — прибор, измеряющий величину напряжения или разности потенциалов. Он подключается параллельно в систему. Например, нужно измерить его значение на лампочке накаливания. Для этого необходимо подключиться параллельно к ней, а не последовательно.

Физический смысл

Под физическим смыслом напряжения или разности потенциалов понимают работу, необходимую для перемещения точечного заряда в 1 Кл из одного места в другое. В этом случае переносится только положительный потенциал. При этом возникает электродвижущая сила (ЭДС), которая называется напряжением или разностью потенциалов.

Для понимания физического смысла следует рассмотреть более простой пример. Пусть существует некоторая система, состоящая из насоса, труб и крана. Насос — напряженность электрического поля, трубы — провода, а кран — сопротивление системы. При включении первого происходит закачивание воды. Если немного приоткрыть кран, то она польется маленькой струйкой. При открытии его полностью жидкость будет уходить более интенсивно.

Формулы для вычислений

Все формулы для расчетов построены на законах Ома. Их всего два: для участка и для всей цепи. Формулировка первого: ток, протекающий на искомом участке, прямо пропорционален U и обратно пропорционален R. Его математическая запись имеет такой вид: I=U/R. Из последнего получаются такие соотношения:

U=IR.
R=U/I.
P=IU=(I2 )R=(U2 )/R, где Р — мощность.

Для полной цепи закон формулируется иначе: ток I прямо пропорционален ЭДС (E) и обратно пропорционален алгебраической сумме внешнего R и внутреннего r сопротивлений. Следует отметить, что r — проводимость источника питания. Записывается он в таком виде: I=E/(R+r). Физики вывели следующие соотношения, помогающие при расчетах:

Е=I (R+r).
R=(E/I)-r.
r=(E/I)-R.
Р=ЕI=(E2 )/(R+r)=(R+r)I2.

Тождества для переменного тока

Напряжение при переменном токе классифицируется на определенные виды. К ним относятся следующие:

Мгновенное или действующее — параметр, который измеряют приборы (Um).
Амплитудное — величина, характеризующее максимальную величину в определенный момент времени. Расчитывается по формуле с учетом угловой частоты (w), времени (t) и угла между фазами (f), который измеряется осциллографом: u (t)=Uмsin (wt+f).
Среднеквадратичное (Uq) — величина, вычисляемая по формуле: Uq=0,7073Uм).

Для расчета следует иметь знания об индуктивной Xl, емкостной Xc и резистивной R нагрузках. Первая — проводимость всех элементов, содержащих индуктивность (катушки, трансформаторы, электродвигатели). Во втором случае учитываются все емкостные радиодетали (варисторы и конденсаторы). Резистивная нагрузка включает все значения резисторов.

Полный импеданс цепи (Z) равен сумме всех элементов, содержащий активную, индуктивную и емкостную. Специалисты рекомендуют использовать такие формулы, необходимые для расчетов:

Xl=wL.
Хс=1/wC.
Z=R+Xc+Xl.
I=Uм/Z.
Uм=IZ.
Z=Uм/I.

Четвертая формула является законом Ома для участка цепи, которую следует применять при переменных токах.

Таким образом, при помощи формулы напряжения можно рассчитывать не только основные параметры электричества для постоянного и переменного токов, но и его допустимые величины для человека.

Единицы измерения в формуле

В формуле, определяющей напряжение, значением СИ является вольт. Таким образом, что 1В = 1 джоуль/кулон. Вольт назван в честь итальянского физика Алессандро Вольта, который изобрел химическую батарею.

Это означает, что в формуле напряжения в физике один кулон заряда получит один джоуль потенциальной энергии, когда он будет перемещен между двумя точками, где разность электрических потенциалов составляет один вольт. При напряжении 12, один кулон заряда получит 12 джоулей потенциальной энергии.

Батарея на шесть вольт имеет потенциал для одного кулона заряда, чтобы получить шесть джоулей потенциальной энергии между двумя местоположениями. Батарея на девять вольт имеет потенциал для одного кулона заряда, чтобы получить девять джоулей потенциальной энергии.

Физическая работа пробного заряда в электрическом поле

Итак, вы превратились в пробный электрический заряд q во много раз меньший чем заряд Q на обкладках конденсатора и начали свое путешествие между обкладок конденсатора. При этом вы будете испытывать действие кулоновых сил. Допустим, что вы являетесь отрицательно заряженной частицей подобно электрону, тогда вас будет притягивать в сторону обкладки +Q, и вас будет отталкивать от обкладки с зарядом -Q. Чем ближе вы будете к одной из обкладок, тем сильнее вы будете испытывать ее силовое действие.

Предположим, что вы вошли в конденсатор со стороны обкладки -Q и вас тут же начало отталкивать от нее в сторону обкладки +Q. Вы не стали сопротивляться такому воздействию и решили не противится природе и двигаться в полном согласии с влечением. Для этих целей как раз удобно расположены балки и лестницы, по которым вы можете свободно добраться до обкладки +Q любым маршрутом. Так как на вас действуют электрическая кулоновская сила, то вы начинаете свободно набирать скорость, словно вас несет ветром. В итоге вы преодолели расстояние по балке от одной лестницы до другой в направлении от точки A к точке B (смотрите рисунок выше). Лестницы — это эквипотенциальные линии, и соответственно, вы преодолели расстояние от одного значения потенциала к другому. В нашем случае вы двигались от того потенциала, который для вас больший по величине, к тому, что меньше. Если же вы были бы зарядом другого знака, то есть +q, тогда потенциалы поменяли бы свои знаки и больший стал бы меньшим, а меньший большим. Математически это означает умножение потенциалов на -1.

На вас действовала сила и вы переместились из точки A в точку B, другими словами вы двигались от потенциала φ_a (большего) к потенциалу φ_b (меньшему). Это подобно тому, как если бы вы плыли по течению реки на плоту, когда вам не нужно грести веслами и не требуется мотора для движения. Можно сказать, что вами совершена механическая работа, которая является вычисляется как произведение силы на расстояние. Совершив такое перемещение, вы потеряли часть потенциальной энергии, которая перешла в кинетическую (скорость вашего движения), а затем выделилась вероятно в виде тепла при торможении. Проделав обратный путь из точки B в точку A, вы будете двигаться как бы против течения, вам придется затратить энергию, грести веслами, использовать мотор и т. п. Переместившись обратно вы увеличите свою потенциальную энергию, потому как переместитесь в точку с большим потенциалом и ваше энергетическое состояние увеличится.

Разность этих двух потенциалов φ_a и φ_b и будет являться электрическим напряжением. Это равнозначные понятия, но в практической электротехнике чаще всего употребляют выражение не разность потенциалов, а напряжение. При рассмотрении электрических цепей употребляют такое выражение как падение напряжения на участке цепи, а для источников электричество та же самая разность потенциалов определяется как электродвижущая сила (ЭДС).

Разность потенциалов Δφ=φ₁-φ₂ всегда показывает какую работу A может совершить носитель заряда q при перемещении этого заряда из точки с одним потенциалом φ₁ в точку с другим потенциалом φ₂. При вычислении надо иметь в виду, что потенциалы могут быть как со знаком плюс, так и со знаком минус.

Если заряду для такого перемещения требуется затратить энергию, а значит увеличить свой потенциал, то тогда работа А будет со знаком (-), а если носитель заряда перемещается из области высокого потенциала в область с низким потенциалом, тогда происходит выделение энергии и работа А будет со знаком (+). Таким образом электрическое напряжение — это энергетическая характеристика электрического поля и представляет собой разность потенциалов Δφ. Это значит, что принципиально неверно утверждать, что напряжение — это потенциал. Электрическое напряжение – это всегда разность потенциалов и она возможна только между двумя точками электрического поля. Если имеется одна точка в пространстве электрического поля, тогда уместно говорить только о потенциале этой точки, но никак ни о ее напряжении.

Необходимо совершенно ясно представлять в чем заключаются различия между такими понятиями как: напряженность электрического поля E, потенциал φ, и, конечно, разность потенциалов — электрическое напряжение. Поняв эти различия, будет совершенно легко разобраться с тем, что такое электрический ток.

Как работает закон в реальной жизни

Используя совместно формулу расчета мощности и закон Ома, можно производить вычисления, не зная одной из величин. Самый простой пример – для лампы накаливания известны только ее мощность и напряжение. Применяя приведенные выше формулы, можно легко определить параметры нити накаливания и ток через нее.

Лампа накаливания

Сила тока формула через мощность:

Такой же результат можно найти из мощности, не прибегая к промежуточным расчетам:

Аналогично можно вычислить любую величину, зная только две из них. Для упрощения преобразований имеется мнемоническое отображение формул, позволяющее находить любые величины.

Правило для запоминания расчетов

Внимательно посмотрев на формулы, можно заметить, что, если уменьшить напряжение на лампе в два раза, ожидаемая мощность не снизится аналогично в два раза, а в четыре, согласно формуле:

Это довольно распространенная ошибка среди далеких от электротехники людей, которые неправильно соотносят мощность и напряжение, а также их действие на остальные параметры.

Кстати. Сила тока, найденная через сопротивление и напряжение, справедлива как для постоянного, так и для переменного тока, если в ней не используются такие элементы, как конденсатор или индуктивность.

Облегчить расчеты можно, используя онлайн калькулятор.

Понятие потенциала

Для того чтобы электроны прошли по цепи, необходима энергия, способная привести их в движение по электрическому контуру. Например, в случае со статическим электричеством — это сила, производимая дисбалансом электрического заряда в предметах.

Школьный опыт с натиранием эбонитовой палочки об шерсть иллюстрирует создание избытка электронов в эбоните (отрицательный заряд) и дефицит электронов в шерсти (положительный заряд) при затратах механической энергии на натирание.

Это и есть электрический ток в цепи, а степень электризации тел есть величина, называемая потенциалом. Упрощённо для понимания того, что называется напряжением, можно рассматривать эту величину как разницу потенциалов между предметами.

Пример с обычной водой

Этот потенциал давления эквивалентен напряжению. Чем больше воды в баке, тем сильнее воздействие. Чем мощнее заряд хранится в батарее, тем выше напряжение.

Когда открываешь шланг, течет поток воды. Давление в резервуаре определяет, насколько быстро он вытекает. Электрический ток измеряется в амперах. Чем больше вольт, тем сильнее А тока. Значит, чем сильнее давление воды, тем быстрее она вытечет из бака.

Тем не менее ток также зависит от сопротивления. В случае шланга – это его ширина. Широкая труба позволяет пропускать больше воды за меньшее время, а узкая – противостоит потоку жидкости. С электрическим током также может быть сопротивление, измеренное в Омах.

Закон Ома

Электрическая цепь состоит из отдельных участков — однородных и неоднородных. Участки цепи, на которых отсутствует действие сторонних сил, т.е.участки, без источников тока, называются однородными. Участки цепи, на которых имеются источники тока, называются неоднородными.

Формула закона Ома для однородного участка цепи выглядит так:

Полностью формулировка закона Ома звучит следующим образом: сила тока I для проводника на однородном участке цепи прямо пропорциональна напряжению U на этом участке и обратно пропорциональна сопротивлению проводника R.

Для неоднородного участка цепи, содержащего источник тока с электродвижущей силой Е_эдс ,закон Ома записывается в следующем виде:

где: R — сопротивление цепи, r — сопротивление источника тока. Уравнение (2) называется законом Ома для полной цепи: сила тока в полной цепи равна ЭДС источника, деленной на сумму сопротивлений однородного и неоднородного участков цепи.

Суть явления

Напряжением называется электрическая движущая сила, которая призвана толкать свободные виды электронов от одного атома к другому в определенном направлении. Обязательное требование для протекания зарядов это наличие цепи с замкнутым контуром, который создает условия, для того чтобы их передвигать. Если имеется обрыв электроцепи, то процесс направленного перемещения частиц прекращается.

Обратите внимание! Стоит отметить, что единица напряжения электрической цепи зависит от того, какой проводник имеет материал, как подключена нагрузка, какая есть температура. Что это такое

Что это такое

Характерные значения и стандарты

Объект	Тип напряжения	Значение (на вводе потребителя)	Значение (на выходе источника)
Электрокардиограмма	Импульсное	1—2 мВ	–
Телевизионная антенна	Переменное высокочастотное	1—100 мВ	–
Гальванический цинковый элемент типа АА («пальчиковый»)	Постоянное	1,5 В	–
Литиевый гальванический элемент	Постоянное	3—3,5 В (в исполнении пальчикового элемента, на примере Varta Professional Lithium, AA)	–
Логические сигналы компьютерных компонентов	Импульсное	3,5 В; 5 В	–
Батарейка типа 6F22 («Крона»)	Постоянное	9 В	–
Силовое питание компьютерных компонентов	Постоянное	5 В, 12 В	–
Электрооборудование автомобилей	Постоянное	12/24 В	–
Блок питания ноутбука и жидкокристаллических мониторов	Постоянное	19 В	–
Сеть «безопасного» пониженного напряжения для работы в опасных условиях	Переменное	36—42 В	–
Напряжение наиболее стабильного горения свечи Яблочкова	Постоянное	55 В	–
Напряжение в телефонной линии (при опущенной трубке)	Постоянное	60 В	–
Напряжение в электросети Японии	Переменное трёхфазное	100/172 В	–
Напряжение в домашних электросетях США	Переменное трёхфазное	120 В / 240 В (сплит-фаза)	–
Напряжение в бытовых электросетях России	Переменное трёхфазное	220/380 В	230/400 В
Разряд электрического ската	Постоянное	до 200—250 В	–
Контактная сеть трамвая и троллейбуса	Постоянное	550 В	600 В
Разряд электрического угря	Постоянное	до 650 В	–
Контактная сеть метрополитена	Постоянное	750 В	825 В
Контактная сеть электрифицированной железной дороги (Россия, постоянный ток)	Постоянное	3 кВ	3,3 кВ
Распределительная воздушная линия электропередачи небольшой мощности	Переменное трёхфазное	6—20 кВ	6,6—22 кВ
Генераторы электростанций, мощные электродвигатели	Переменное трёхфазное	10—35 кВ	–
На аноде кинескопа	Постоянное	7—30 кВ	–
Статическое электричество	Постоянное	1—100 кВ	–
На свече зажигания автомобиля	Импульсное	10—25 кВ	–
Контактная сеть электрифицированной железной дороги (Россия, переменный ток)	Переменное	25 кВ	27,5 кВ
Пробой воздуха на расстоянии 1 см	10—20 кВ	–
Катушка Румкорфа	Импульсное	до 50 кВ	–
Пробой слоя трансформаторного масла толщиной 1 см	100—200 кВ	–
Воздушная линия электропередачи большой мощности	Переменное трёхфазное	35 кВ, 110 кВ, 220 кВ, 330 кВ	38 кВ, 120 кВ, 240 кВ, 360 кВ
Электрофорная машина	Постоянное	50—500 кВ	–
Воздушная линия электропередачи сверхвысокого напряжения (межсистемные)	Переменное трёхфазное	500 кВ, 750 кВ, 1150 кВ	545 кВ, 800 кВ, 1250 кВ
Трансформатор Тесла	Импульсное высокочастотное	до нескольких МВ	–
Генератор Ван де Граафа	Постоянное	до 7 МВ	–
Грозовое облако	Постоянное	От 2 до 10 ГВ	–

Что такое ЭДС

Что такое ЭДС, думаете Вы? Сейчас расскажу!

Электродвижущая сила (ЭДС) тоже измеряется в Вольтах, как и
напряжение.

Давайте возьмём прибор, который измеряет вольты (вольтметр),
батарейку и произведём замер.

Прибор показывает 1,5 Вольта и это не напряжение, а электродвижущая сила (ЭДС).

А теперь подключим к батарейке лампочки.

Измерение напряжения на различных участках электрической цепи.

Заметили, что на одной лампочке напряжение (не ЭДС)
составляет 1 Вольт, а на другой 0,3 вольта

Напряжение на лампочках зависит от их мощности.Мощность измеряется
в Ваттах.

Мощность= Напряжение
* ток (P=U*I)

Чем больше мощность лампочки, тем больше будет на ней
напряжение.

Если батарейка у нас 1,5 вольта= 1 Вольт +0,3 Вольта= 1,3
Вольта, куда делись 0,2 Вольта? У батарейки есть тоже своё внутреннее сопротивление,
вот туда они и ушли.

Применение закона Ома на практике

На практике часто приходится определять не силу тока I, а величину сопротивления R. Преобразовав формулу Закона Ома, можно рассчитать величину сопротивления R, зная протекающий ток I и величину напряжения U.

Онлайн калькулятор для определения величины сопротивления
Напряжение, В:
Величина тока, А:

Величину сопротивления может понадобится рассчитать, например, при изготовлении блока нагрузок для проверки блока питания компьютера. На корпусе блока питания компьютера обычно есть табличка, в которой приведен максимальный ток нагрузки по каждому напряжению. Достаточно в поля калькулятора ввести данные величины напряжения и максимальный ток нагрузки и в результате вычисления получим величину сопротивления нагрузки для данного напряжения. Например, для напряжения +5 В при максимальной величине тока 20 А, сопротивление нагрузки составит 0,25 Ом.

Как найти сопротивление нагрузки

Сопротивление нагрузки обозначается латинскими буквами Rn или Rн. По сути, это является тем же сопротивлением участка цепи и вычисляется также по формулам закона Ома. Нагрузка обозначается символами, которые на электрической схеме изображаются в виде крестиков в кружке – лампочкой; то есть двигатель, лампа, конкретный прибор и т. д.

Каждая нагрузка имеет своё собственное сопротивление. Например, если к сети подключена одна лампочка, то сопротивление нагрузки – показатель этого единственного прибора в цепи. Если к цепи подключено несколько нагрузок, то сопротивление считается суммарно для каждой из них.

Сопротивление нагрузки вычисляется в соответствии с законом Ома, то есть Rn = U/I. Если к сети подключено несколько нагрузок, то оно будет рассчитываться следующим образом: сначала находится сопротивление каждой отдельной «лампочки». Далее Rn вычисляется в зависимости от того, какой тип подключения в цепи: последовательное или параллельное. При параллельном 1/R = 1/R1 + 1/R2 + 1/Rn, где n –количество подключенных приборов. Если же соединение последовательное, общее R равно сумме всех R цепи.

Последовательное/параллельное соединения

Подводим ИТОГИ:

Что такое электродвижущая сила (ЭДС)- это физическая
величина, которая характеризует работу сторонних сил в источниках тока
(батарейки, генераторы и т.д). ЭДС показывает нам работу источника тока по
переносу заряду через всю цепь.

А напряжение показывает нам работу по переносу заряда на
участке цепи.

Что такое напряжение простыми словами — это внешняя сила, которая перемещает наш с вами шарик в показанном примере выше.

А в электричестве — это сила, которая перемещает электроны
от одного атома к другому.

Приведу ещё один пример, что такое электрическое напряжение :

Представьте, что вы можете поднять камень весом 50 кг, т.е
Ваша подъёмная сила равна 50 кг (в электричестве это электродвижущая сила).
Идетё вы и на пути у вас лежит камень массой 20 кг, вы берёте его и несёте 10
метров. Вы затратили определённую энергию по переносу этого камня (в электричестве это — напряжение). Следующий камень
уже весит 40 кг и чтобы его перенести из одной точки в другую вы затратите
больше энергии, чем затратили по переносу камня весом 20 кг. Подъёмная сила (в
электричестве-это ЭДС) у Вас всегда одна, но в зависимости от веса камня вы
всегда тратите разное количество энергии (в электричестве — это напряжение).
Т.е. на каждом отрезке пути у Вас разное напряжение.

Надеюсь вы поняли, что такое электрическое напряжение!

Как посчитать общее напряжение цепи

Напряжение – это физическая величина, которая характеризует электрическое поле. Иными словами, оно показывает, какую работу оно совершает при перемещении одного положительного заряда на определённое расстояние.

Показатель напряжения на вольтметре

За единицу напряжения в международной системе принимается такой показатель на концах проводника, при котором заряд в 1 Кл совершает работу в 1 Дж для перемещения его по этому проводнику. Общепринятой единицей измерения напряжения считается 1 В – Вольт.

Важно! Работа измеряется в Джоулях, заряды в Кулонах, а напряжение в Вольтах, следовательно, 1 Вольт равняется 1 Джоулю, деленному на 1 Кулон.

Чему равно напряжение.

Читайте также: Схема и принцип работы зарядного устройства на тиристорах

Изображение вольтметра и электрической цепи

Напряжение обозначается латинской [U], а измеряется в [В]. Оно равно работе, которое совершает поле при перемещении единичного заряда. Формула напряжения тока – это U = A/q, где A – работа тока, q – заряд, а U – само напряжение.

Вам это будет интересно Учимся читать электросхемы

Обратите внимание! В отличие от магнитного поля, где заряды неподвижны, в электрическом поле они находятся в постоянном движении.

Электрическое поле

Формула закона Ома

Свои опыты Ом направлял на изучение такой физической величины, как сопротивление, в результате чего в 1826 году он стал автором закона, который не потерял совей актуальность вплоть до сегодняшнего дня. Из своих опытов Ом вывел, что в различных цепях сила тока может возрастать с различной скоростью, и происходит это по мере увеличения напряжения.

Также, Ом сделал вывод, что каждый проводник обладает индивидуальными свойствами проводимости.

Сопротивление обозначается заглавной латинской [R] и измеряется в Омах. Сопротивление – физическая величина, характеризующая свойства проводника оказывать влияние на идущий по нему ток. Оно прямо пропорционально напряжению в сети и обратно пропорционально силе тока. В виде формулы данный закон можно записать как R = U/I, где U – напряжение, а I – сила тока. 1 Ом равняется 1 Вольту, деленному на 1 Ампер.

Запомните! Реостат – прибор, обеспечивающий возможность изменять сопротивление. Прежде всего, он влияет на показатель R в цепи, а, следовательно, на 2 другие величины, описанные в законе Ома. Силу тока может помочь определить амперметр.

Ползунковый реостат

Из формулы закона Ома можно вывести практически любую зависимость, связанную с электричеством. Также, существует понятие удельного сопротивления проводника – физической величины, которая демонстрирует, каким сопротивлением будет обладать проводник из определенного вещества. Обозначается эта величина буквой ρ и через неё можно также найти сопротивление в цепи как произведению удельного сопротивления и длины проводника, деленного на площадь его поперечного сечения.

Важно! В виде формулы нахождение сопротивления через удельное сопротивление выглядит так: R = ρ*(l/S), где l – длина проводника, а S – площадь поперечного сечения.

Вам это будет интересно Особенности измерения света

Физический смысл удельного сопротивления показывает, какое влияние будет оказывать проводник длиной в 1 м с площадью поперечного сечения в 1 квадратный мм, изготовленный из определенного вещества. Измеряется в Омах, умноженных на метр: [ρ] = [Ом*м].

Ом и формула

Читайте также: Ламповый усилитель. Дроссели в блоке питания

Метод контурных токов

Рассмотренный выше метод расчета электрических цепей при анализе больших и разветвленных цепей приводит к неоправданно трудоемким расчетам, поэтому редко применяется. Более широко используется метод контурных токов, позволяющий значительно сократить количество уравнений. При этом вместо токов в ветвях электрической цепи определяются так называемые контурные токи при помощи второго закона Кирхгофа. Таким образом, количество требуемых уравнений будет равняться числу независимых контуров. В качестве примера рассчитаем цепь изображённую на рисунке ниже

Если бы мы вели расчёт цепи по методу законов Ома и Кирхгофа, то необходимо было бы решить систему из пяти уравнений. Для расчёта по методу контурных токов необходимо всего три уравнения.

Советуем изучить Зарядное устройство для автомобильного аккумулятора своими руками

В начале расчёта выделяют независимые контуры, в нашем случае это: E1R1R2E2, E2R2R4E3R3 и E3R4R5. Затем контурам присваивают произвольно направленный контурный ток, который имеет одинаковое направление для всех участков выбранного контура, в нашем случае для первого контура контурный ток будет Ia, для второго – Ib, для третьего – Ic. Как видно из рисунка некоторые контурные токи соответствуют токам в ветвях

Остальные же токи можно найти как разность двух контурных токов

В результате выбора контурных токов можно составить систему уравнений по второму закону Кирхгофа

Рассчитаем схему, изображённую на рисунке выше со следующими параметрами E1 = E3 = 100 B, E2 = 50 B, R1 = R2 = 10 Ом, R3 = R4 = R5 = 20 Ом. Запишем систему уравнений

В результате решения системы получим Ia = I1 = 4,286 А, Ib = I3 = 3,571 А, Ic = I5 = -0,714 А, I2 = -0,715 А, I4 = 4,285 А. Так же как и в предыдущем случае если токи получаются отрицательными, значит действительное направление противоположно принятому. Таким образом, токи I2 и I5 имеют направление противоположное изображённым на рисунке.

Как найти сопротивление нагрузки

Последовательное/параллельное соединения

Дополнительные методы расчета цепей

Подключение светодиода через резистор и его расчет

В зависимости от сложности устройства (электрической схемы), выбирают оптимальную технологию вычислений.

Читайте также: Формула для расчета напряжение холостого хода

Метод узлового напряжения

Основные принципы этого способа базируются на законе Ома и постулатах Кирхгофа. На первом этапе определяют потенциалы в каждом узле. Далее вычисляют токи в отдельных ветвях с учетом соответствующих электрических сопротивлений (отдельных компонентов или эквивалентных значений). Проверку делают по рассмотренным правилам.

Метод эквивалентного генератора

Эта технология подходит для быстрого расчета тока в одной или нескольких контрольных ветвях.

Графическое пояснение

В данной методике общую цепь представляют в виде источника тока с определенным напряжением и внутренним сопротивлением. Далее выполняют вычисления по контрольной ветви с применением стандартного алгоритма.

Как найти с помощью формулы напряжение

Людей, интересующихся электричеством и физикой, всегда волнует вопрос, как найти напряжения, если известны другие характеристики. Его можно найти через многие формулы: в соответствии с законом Ома, через работу тока, путём сложения всех напряжений в электрической цепи и практическим способом – с помощью вольтметра. Как вычислить показатель с помощью последнего способа было описано выше.

Важно! В цепях с последовательным соединением общее напряжение – сумма значений каждой нагрузки. При параллельном соединении общее напряжение равно значению каждой лампочки, у которых оно также эквивалентно.

Вам это будет интересно Особенности поперечного сечения

Измерение напряжения

По каким формулам вычисляется напряжение через работу и сама сила тока, рассказывают на уроках физики, так как эти величины считаются базовыми. Работа тока равна произведению напряжения и заряда: A = U*q. Также, из этой формулы выводится A = U*I*t, так как заряд – произведение силы тока и времени. Из них следует, что U = A/q или U = A/(I*t). Кроме того, одной из основных является формула напряжения, выведенная из закона Ома: U = R/I.

Важно! Определить напряжение можно и через мощность электрического тока. Мощность [P] равна A/t, и, так как A = U*I*t, конечная формула выглядит, как P = (U*I*t)/t. Здесь t сократится, и останется P = U*I, из которой следует, что U = P/I.

Как найти силу тока через сопротивление и напряжение

Сила тока обозначается латинскими [I] или [Y], и она зависит от количества заряда, перенесенного от одного полюса к другому за определенный промежуток времени, т.е. I = q/t. Измеряется сила тока в амперах, а узнать её значение в цепи можно при помощи амперметра.

Мужчина считает силу тока

Для переменного тока

В цепи переменного тока закон Ома может иметь некоторые особенности, описанные ниже.

Импеданс, Z

В цепи переменного тока, сопротивление кроме активной (R), может иметь как емкостную (C), так и индуктивную (L) составляющие. В этом случае вводится понятие электрического импеданса, Z (полного или комплексного сопротивления для синусоидального сигнала). Упрощенные схемы комплексного сопротивления приведены на рисунках ниже, слева для последовательного, справа для параллельного соединения индуктивной и емкостной составляющих.

Последовательное включение R, L, C

Параллельное включение R, L, C

Также, полное сопротивление, Z зависит не только от емкостной (C), индуктивной (L) и активной (R) составляющих, но и от частоты переменного тока.

Импеданс, Полное сопротивление, Z
При последовательном включении R, L, C	При параллельном включении R, L, C
Z=√(R2+(ωL-1/ωC)2)	Z=1/ √(1/R2+(1/ωL-ωC)2)
где,
ω = 2πγ — циклическая, угловая частота; γ — частота переменного тока.

Коэффициент мощности, Cos(φ)

Коэффициент мощности, в самом простом понимании, это отношение активной мощности (P) потребителя электрической энергии к полной (S) потребляемой мощности, т. е.

Он также показывает насколько сдвигается по фазе переменный ток, протекающий через нагрузку, относительно приложенного к ней напряжения.Изменяется от 0 до 1. Если нагрузка не содержит реактивных составляющих (емкостной и индуктивной), то коэффициент мощности равен единице.Чем ближе Cos(φ) к единице, тем меньше потерь энергии в электрической цепи.

Исходя из вышеперечисленных понятий импеданса Z и коэффициента мощности Cos(φ), характерных для переменного тока, выведем формулу закона Ома, коэффициента мощности и их производные для цепей переменного тока:

I = U / Z	где	I — сила переменного тока, измеряемая в Амперах, (A)
U — напряжение переменного тока, измеряемое в Вольтах, (V)
Z — полное сопротивление (импеданс), измеряется в Омах, (Ω)

Читайте также: Как отличить транзистор от стабилизатора напряжения

Сила тока,	I=	U/Z	P/(U×Cos(φ))	√(P/Z)
Напряжение,	U=	I×Z	P/(I×Cos(φ))	√(P×Z)
Полное сопротивление, импеданс	Z=	U/I	P/I²	U²/P
Мощность,	P=	I²×Z	I×U×Cos(φ)	U²/Z

Программа «КИП и А» имеет в своем составе блок расчета закона Ома как для постоянного и переменного тока, так и для расчета импеданса и коэффициента мощности Cos(φ). Скриншоты представлены на рисунках внизу:

Закон Ома для постоянного тока

Закон Ома для переменного тока

Расчет полного сопротивления

Расчет коэффициента мощности Cos(φ)

Что такое действующее значение напряжения

Всем нам известно о 220 вольт в бытовой розетке. Но если подключить к ней вольтметр, напряжение каждый раз будет разным. При этом зачастую напряжение может быть даже больше данной величины. Постараемся в данном материале разобраться — почему это происходит, что такое действующее значение переменного тока, и как его можно рассчитать с помощью различных вариантов.

Как измеряется

Электродинамические параметры в сети постоянно изменяются. Это связано с тем, что они представлены синусоидальным однополярным импульсом разной амплитуды. При измерении напряжения в цепи переменного тока, каждый раз будет получен разный результат. А при вычислении усреднённого параметра, он всегда будет составлять 0.

Получается, что математически вычислить данный параметр невозможно. Есть возможность получить только усреднённый параметр, который зависит от полупериода синусоидальной волны. Однако использовать его на практике или для каких-то вычислений нельзя.

Для решения этой проблемы и стали применять такое понятие, как действующее значение для расчёта силы тока и напряжения. Параметр определяется по характеристикам постоянного тока в цепи, генерирующей тепловую энергию такого же объёма, как и при подаче в цепь переменного тока.

Практический пример

Определение выше будет непонятным для человека, который не имеет особых познаний в области электротехники и электродинамики. Чтобы понять его смысл, предлагается рассмотреть следующий пример:

Доступны две идентичные электроцепи (длина, элементы цепи и сечение проводников у них совпадают).
В каждую включён одинаковый резистор — электронный компонент, который изменяет свое сопротивление в зависимости от подаваемого тока.
Обе цепи подключаются к источникам электроэнергии, имеющим одинаковое напряжение.

Но между цепями есть одна разница. На первую электроцепь подаётся постоянный, а на вторую — переменный ток. По одной из них пойдёт стабильный электроток, а по другой потечет импульсный электрозаряд, который постоянно изменяется и имеет синусоидальной график.

Чтобы найти количества тепла в цепи с сопротивлением, используется такая формула:

После произведения ряда замеров и вычислений можно увидеть, что выделяемое тепло в этих двух электроцепях имеет одинаковую величину. Например, в цепи с постоянным током при подаче напряжения 30 вольт выделяется тепло 200 Джоуль (или Дж). Если вторая цепь имеет идентичные характеристики, то выделение тепла в ней также составит 200 Дж. Получается, что напряжение 30В в этих электроцепях — это и есть эффективное напряжение.

Импульсный электрический заряд

Вышеприведенный пример позволяет только определить действующее и среднее значение напряжения переменного тока. Но на практике такой метод также не применяется, из–за того, что получить доступ к источнику переменного напряжения не всегда представляется возможным. Поэтому параметры цепи рассчитываются с помощью формул, которые основаны на синусоидальных кривых.

Стоит отметить, что действующее напряжение не всегда формируется путём плавного изменения определённого импульсного электрозаряда. Кривая зачастую имеет форму, отличную от привычной нам синусоиды:

Прямоугольную (меандр);
треугольную;
трапециевидную
и другие.

То есть график электротока может иметь отличную, но при этом стабильную форму. Наглядным примером такого варианта является кривая осциллографа, регистрирующая ритмы сердцебиения человека.

Но независимо от действующего в сети импульсного заряда, во время расчётов используется именно синусоида. Это объясняется тем, что погрешности в расчетах будут крайне малыми. Поэтому ими можно пренебречь, ведь они не скажутся на конечном результате:

Частота импульса в жилых домах составляет 50 Гц. За 1 сек электрический импульс проходит через фазу 100 раз. Это означает, что работающая от сети лампочка за секунду 100 раз загорается и тухнет, а электрический заряд при этом изменяется довольно плавно. Но человек этого не замечает из-за невосприимчивости человеческого зрения к сверхбыстрым колебаниям.
Одинаковая площадь фигур. Независимо от формы кривой периода, описывающей переменный электроток идентичных параметров, площадь их фигур всегда будет одинаковой. Следовательно, при любых расчетах получится одно и то же эффективное значение переменного синусоидального тока. Поэтому эффективные значения не зависят от формы кривой. На них оказывает влияние именно величина амплитуды.

Форма кривой импульса важна только для сверхточных расчётов в лабораторных условиях. Также она учитывается для работы суперкомпьютеров. В остальных случаях синусоида позволит вычислить действующее значение переменного синусоидального тока.

Расчёт кривой

Синусоида — это периодическая функция, которую можно всегда описать с помощью уравнения. Если взять её за основу, то на входе имеются следующие исходные данные:

Т — амплитуда;
φ — начальная фаза;
ωt — угловая скорость.

По этим входным характеристикам находим другие переменные параметры:

Uт — амплитудное напряжение;
Uм — действующие в момент измерения значения напряжения;
ωt + φ — фактическая фаза в точке измерения.

Т.к. начальная фаза равняется нулю, на выходе формула кривой будет иметь следующий вид:

Uм = Uт·sin(ωt + φ) = Uт·sin(ωt)

Теперь необходимо обратиться к закону выделения тепла, который еще называется законом Джоуля-Ленца. Согласно него квадрат напряжения — это произведение выделяемого тепла на сопротивление проводника.

Мы видим, что при расчетах количества тепла в цепи переменного тока, пользуется именно действующим значением переменного тока.

Из данных формул вытекают два важных нюанса, на которые стоит обратить внимание:

В расчетах используется среднеквадратичное значение напряжения (СКЗ). Это связано с тем, что величина напряжения постоянно изменяется и можно получить только какую-то усредненную величину.
Амплитуда постоянного тока довольно условная величина. Ее используют в расчетах, чтобы только описать период синусоиды переменного электрозаряда.

Вычисления

Волны синусоид будут одинаковыми. Однако в пределах периода в каждой точке измерения напряжения будут отличаться. Поэтому, чтобы уравнять между собой среднеквадратичное напряжение постоянного и переменного электротока по тепловыделению, требуется рассчитать объём выделенного тепла в течение времени, равного 1 периоду:

В уравнение теперь можно подставить выражение расчёта мгновенного напряжения

Uм = Uт·sin(ωt + ф) = Uт·sin(ωt)

После математического преобразования можно рассчитать действующее значение электрического напряжения:

U = Uт / √2 = 0,707·Uм

Теперь найдем амплитудное напряжение по формуле:

Амплитудное напряжение так же имеет и другое название – максимально возможное эффективное мгновенное значение напряжения.

Сила переменного тока

С помощью амперметра находим амплитудную силу тока в цепи. Используя её вместе с периодом, который равен 1/50 секунд, можно применить описанную выше формулу, чтобы рассчитать среднеквадратичное значение напряжения. В результате этого будет получена действующие значения силы тока.

Действующее значение тока можно рассчитать, когда других исходных параметров нет, но нам известно эффективное значение величины напряжения в цепи. Следовательно, можно воспользоваться всем нам известным законом Ома вычисления значения силы тока:

U — будет действующим напряжением переменного синусоидального тока;
R — сопротивление проводника, которое всегда можно узнать в любом справочнике, зная состав материала проводника.

Ранее электропроводку делали из алюминия и меди, которые отличались довольно высоким сопротивлением. Эффективное значение реальной силы тока этих металлов было меньше 6.5А. По этой причине в старых домах зачастую срабатывает автоматический выключатель, если одновременно подключить в сеть несколько приборов. Сегодня открыты сложные сплавы с низким сопротивлением. Они позволяют достичь с действующее значение силы переменного тока около 16А даже в обычных современных многоквартирных домах.

С уменьшением сопротивления проводника, прямопропорционально возрастает мощность и тепловыделение. При том надо помнить о том, что у каждого сплава есть свой определенный температурный предел. Поэтому в жилых сетях сила тока часто не превышает 20 ампер, а при резком ее скачке, например, при неполадках на подстанции, электронная часть устройств просто сгорает. Для предотвращения таких случаев и подключаются автоматы, которые при регистрации высоких действующих значений размыкают цепь на данном участке. Более мощные источники электроэнергии встречаются только в промышленных трехфазных сетях с напряжением 380В.

Вывод

Мы рассмотрели в данной статье — что называют действующим значением силы тока и напряжения, а так же как определяют эти значения переменного тока в электроцепи. Это эффективные значения переменного тока, под действием которого выделяется точно такое же количества тепла, как и в цепи постоянного тока, имеющей аналогичные характеристики.

Видео по теме

источники:

https://encom74.ru/formula-i-opredelenie-elektriceskogo-naprazenia-v-cepi-v-fizike/

https://strop-snab.ru/teoriya/kak-vychislit-napryazhenie-znaya-silu-toka.html

https://profazu.ru/knowledge/electrical/dejstvuyushhee-znachenie-napryazheniya.html