Как рассчитать силу тока, рассчитать мощность, ампераж — Постройка
Наверное, каждый кто делал или делает ремонт электрики сталкивался с проблемой определения той или иной электрической величины.
Для кого-то это становится настоящим камнем преткновения, а для кого-то все предельно ясно и каких-либо сложностей при определении той или иной величины нет.
Данная статья посвящена именно первой категории – то есть для тех, кто не очень силен в теории электрических цепей и тех показателей, которые для них характерны.
Итак, для начала вернемся немного в прошлое и постараемся вспомнить школьный курс физики, касательно электрики. Как мы помним, основные электрические величины определяются на основании всего одного закона – закона Ома. Именно этот закон является базой проведения абсолютно для любых расчетов и имеет вид:
Отметим, что в данном случае речь идет о расчете самой простейшей электрической цепи, которая выглядит следующим образом:
Подчеркнем, что абсолютно любой расчет ведется именно посредством этой формулы. То есть путем не сложных математических вычислений можно определить ту или иную величину зная при этом два иных электрических параметра.
Как бы там ни было, наш ресурс призван упростить жизнь тому кто делает ремонт, а поэтому мы упростим решение задачи определения электрических параметров, вывив основные формулы и предоставив возможность произвести расчет электрических цепей онлайн.
Как узнать ток зная мощность и напряжение?
В данном случае формула вычисления выглядит следующим образом:
Расчет силы тока онлайн:
(Не целые числа вводим через точку. Например: 0.5)
Как узнать напряжение зная силу тока?
Для того, чтобы узнать напряжение, зная при этом сопротивление потребителя тока можно воспользоваться формулой:
Расчет напряжения онлайн:
Если же сопротивление неизвестно, но зато известна мощность потребителя, то напряжение вычисляется по формуле:
Определение величины онлайн:
Как рассчитать мощность зная силу тока и напряжения?
Здесь необходимо знать величины действующего напряжения и действующей силы тока в электрической цепи. Согласно формуле предоставленной выше, мощность определяется путем умножения силы тока на действующее напряжение.
Расчет цепи онлайн:
Как определить потребляемую мощность цепи имея тестер, который меряет сопротивление?
Этот вопрос был задан в комментарие в одном из материалов нашего сайта. Поспешим дать ответ на этот вопрос. Итак, для начала измеряем тестером сопротивление электроприбора (для этого достаточно подсоединить щупы тестера к вилке шнура питания). Узнав сопротивление мы можем определить и мощность, для чего необходимо напряжение в квадрате разделить на сопротивление.
Онлайн расчет:
Формула расчета сечения провода и как определяется сечение провода
Довольно много вопросов связано с определением сечения провода при построении электропроводки. Если углубиться в электротехническую теорию, то формула расчета сечения имеет такой вид:
Конечно же, на практике, такой формулой пользуются довольно редко, прибегая к более простой схеме вычислений. Эта схема довольно проста: определяют силу тока, которая будет действовать в цепи, после чего согласно специальной таблице определяют сечение. Более детально по этому поводу можно почитать в материале – «Сечение провода для электропроводки»
Приведем пример. Есть бойлер мощностью 2000 Вт, какое сечение провода должно быть, чтобы подключить его к бытовой электропрводке? Для начала определим силу тока, которая будет действовать в цепи:
I=P/U=2000/220В = 9А
Как видим, сила тока получается довольно приличной. Округляем значение до 10 А и обращаемся к таблице:
Таким образом, для нашего бойлера потребуется провод сечением 1,7 мм. Для большей надежности используем провод сечением 2 или 2,5 мм.
- Рекомендуем ознакомиться:
- — БЛОК ПИТАНИЯ ДЛЯ СВЕТОДИОДНЫХ ЛЕНТ
- — ЗАЩИТНОЕ ЗАНУЛЕНИЕ
- — СВЕТОДИОДНЫЕ СВЕТИЛЬНИКИ — ЛУЧШЕ НЕ ПРИДУМАЕШЬ!
- — АЛМАЗНАЯ РЕЗКА БЕТОНА И ЖБ КОНСТРУКЦИЙ
- Автор — Антон Писарев
Источник: https://xn--80anhrcladek5a8h.xn--p1ai/stroitelstvo/kak-rasschitat-silu-toka-rasschitat-moshhnost-amperazh.html
Ток короткого замыкания: как рассчитать, таблица
» Основы электротехники
Электрическая энергия несет в себе довольно высокую опасность, от которой не защищены ни работники отдельных подстанций, ни бытовые приборы. Ток короткого замыкания – это один из самых опасных видов электроэнергии, но существуют методы, как его контролировать, рассчитать и измерить.
Что это такое
Ток короткого замыкания (ТКЗ) – это резко возрастающий ударный электрический импульс. Главной его опасностью является то, что согласно закону Джоуля-Ленца такая энергия имеет очень высокий показатель выделения тепла. В результат короткого замыкания могут расплавиться провода или перегореть определенные электроприборы.
Фото — временная диаграмма
Он состоит из двух основных слагающих — апериодическая составляющая тока и вынужденная периодическая слагаемая.
Формула — периодическаяФормула — апериодическая
По принципу, сложнее всего измерить именно энергию апериодического возникновения, которая является емкостной, доаварийной. Ведь именно в момент аварии разница между фазами имеет наибольшую амплитуду. Также его особенностью является не типичность возникновения этого тока в сетях. Схема его образования поможет показать принцип действия этого потока.
Сопротивление источников из-за высокого напряжения при КЗ замыкается на небольшом расстоянии или «накоротко» — поэтому это явление получило такое название. Бывает ток короткого трёхфазного замыкания, двухфазного и однофазного – здесь классификация происходит по количество замкнутых фаз. В некоторых случаях, КЗ может быть замкнут между фазами и на землю. Тогда, чтобы его определить, нужно будет отдельно учитывать заземление.
Фото — результат КЗ
Также можно распределить КЗ по типу подключения электрооборудования:
Для полного объяснения этого явления предлагаем рассмотреть пример. Скажем, есть конкретный потребитель тока, который подключен к локальной линии электропередач при помощи отпайки. При правильной схеме общее напряжение в сети равно разнице ЭДС у источника питания и снижению напряжения в локальных электрических сетях. Исходя из этого, для определения силы тока короткого замыкания может использоваться формула Ома:
R = 0; Iкз = Ɛ/r
Здесь r –сопротивление КЗ.
Если подставить определенные значения, то можно будет определить ток замыкания в любой точке на всей линии электропередач. Здесь не нужно проверять кратность КЗ.
Способы расчета
Предположим, что замыкание уже произошло в трехфазной сети, к примеру, на подстанции или на обмотках трансформатора, как тогда производится расчет токов короткого замыкания:
Формула — ток трехфазного замыкания
Здесь U20 – это напряжение обмоток трансформатора, а ZT – сопротивление определенной фазы (которая была повреждена в КЗ). Если напряжение в сетях – это известный параметр, рассчитывать требуется сопротивление.
Каждый электрический источник, будь-то трансформатор, контакт аккумуляторной батареи, электрические провода – имеет свой номинальный уровень сопротивления. Иными словами, Z у каждого свое. Но они характеризуются сочетанием активных сопротивлений и индуктивных.
Также есть емкостные, но они не имеют значение при расчете токов высокой силы. Поэтому многими электриками используется упрощенный способ вычисления этих данных: арифметический расчет сопротивления постоянного тока на последовательно соединенных участках.
Когда эти характеристики известны, не составит труда по формуле ниже рассчитать полное сопротивление для участка или целой сети:
Формула полного заземления
Рассмотрим на примере, как рассчитать ток короткого замыкания аккумулятора с ЭДС 12 В и внутренним сопротивлением 0,01 Ом. Для начала потребуется формула Ома для полной цепи:
I = ε/r
Где ε – это ЭДС, а r – величина сопротивления.
Учитывая, что во время перегрузок сопротивление равняется нулю, решение принимает следующий вид:
I = ε/r = 12 / 10-2
Исходя из этого, сила при коротком замыкании этого аккумулятора равна 1200 Ампер.
Таким образом можно также рассчитать ток КЗ для двигателя, генератора и других установок. Но на производстве не всегда есть возможность рассчитывать допустимые параметры для каждого отдельного электрического устройства. Помимо этого, следует учитывать, что при несимметричных замыканиях нагрузки имеют разную последовательность, для учета которой требуется знать cos φ и сопротивление. Для расчета используется специальная таблица ГОСТ 27514-87, где указываются эти параметры:
| Устройства | cos φ | Сопротивление, Ом | |
| Последовательность прямая | Обратная | ||
| Синхронные электродвигатели высоковольтные | 0,9 | 0,04+ j 0,22 | 0,04+ j 0,22 |
| Асинхронные электродвигатели высоковольтные | 0,9 | 0,06+ j 0,18 | 0,06+ j 0,18 |
| Асинхронные электродвигатели низковольтные | 0,8 | 0,09+ j 0,154 | 0,09+ j 0,154 |
| Лампы накаливания | 1,0 | 1,0 | 1,33 |
| Газоразрядные источники света | 0,85 | 0,85+ j 0,53 | 0,382+ j 0,24 |
| Преобразователи | 0,9 | 0,9+ j 0,44 | 1,66+ j 0,814 |
| Электротермические установки | 0,9 | 1+ j 0,49 | 0,4+ j 0,196 |
Также существует понятие односекундного КЗ, здесь формула силы тока при коротком замыкании определяется при помощи специального коэффициента:
Формула — коэффициент КЗ
Считается, что в зависимости от сечения кабеля, КЗ может пройти незаметно для проводки. Оптимальным является длительность замыкания до 5 секунд. Взято из книги Небрат «Расчет КЗ в сетях»:
| Сечение, мм2 | Длительность КЗ, допустимая для конкретного типа проводов | |||
| Изоляция ПВХ | Полиэтилен | |||
| Жилы медь | Алюминий | Медь | Алюминий | |
| 1,5 | 0,17 | нет | 0,21 | нет |
| 2,5 | 0,3 | 0,18 | 0,34 | 0,2 |
| 4 | 0,4 | 0,3 | 0,54 | 0,36 |
| 6 | 0,7 | 0,4 | 0,8 | 0,5 |
| 10 | 1,1 | 0,7 | 1,37 | 0,9 |
| 16 | 1,8 | 1,1 | 2,16 | 1,4 |
| 25 | 2,8 | 1,8 | 3,46 | 2,2 |
| 35 | 3,9 | 2,5 | 4,8 | 3,09 |
| 50 | 5,2 | 3 | 6,5 | 4,18 |
| 70 | 7,5 | 5 | 9,4 | 6,12 |
| 95 | 10,5 | 6,9 | 13,03 | 8,48 |
| 120 | 13,2 | 8,7 | 16,4 | 10,7 |
| 150 | 16,3 | 10,6 | 20,3 | 13,2 |
| 185 | 20,4 | 13,4 | 25,4 | 16,5 |
| 240 | 26,8 | 17,5 | 33,3 | 21,7 |
Эта таблица поможет узнать ожидаемую условную длительность КЗ в нормальном режиме работы, амперметраж на шинах и различных типах проводов.
Если рассчитывать данные по формулам нет времени, то используется специальное оборудование. К примеру, большой популярностью у профессиональных электриков пользуется указатель Щ41160 – это измеритель тока короткого замыкания фаза-ноль 380/220В.
Цифровой прибор позволяет определить и рассчитать силу КЗ в бытовых и промышленных сетях. Такой измеритель можно купить в специальных электротехнических магазинах.
Эта методика хороша, если нужно быстро и точно определить уровень тока петли или отрезка цепи.
Также используется программа «Аврал», которая быстро может определить термическое действие КЗ, показатель потерь и силу тока. Проверка производится в автоматическом режиме, вводятся известные параметры и она сама рассчитывает все данные. Это проект платный, лицензия стоит около тысячи рублей.
защита электрической сети от короткого замыкания
Защита и указания по выбору оборудования
Несмотря на всю опасность этого явления, все же есть способ, как ограничить или свести к минимуму вероятность возникновения авариных ситуаций. Очень удобно использовать электрический аппарат для ограничения короткого замыкания, это может быть токоограничивающий реактор, который значительно снижает термическое действие высоких электрических импульсов. Но для бытового использования этот вариант не подойдет.
Фото — схема блока защиты от кз
В домашних условиях часто можно встретить использование автомата и релейной защиты. Эти расцепители имеют определенные ограничения (максимальный и минимальный ток сети), при превышении которых отключают питание.
Автомат позволяет определять допустимый уровень ампер, что помогает повысить безопасность. Выбор производится среди оборудования с высшим классом защиты, нежели нужно. Например, в сети 21 ампер рекомендуется использовать автомат для отключения 25 А.
Обсудить на форуме
Источник: https://www.asutpp.ru/tok-korotkogo-zamykaniya.html
Ювелирное обозрение
Reshak.ru – сборник решебников для учеников старших классов. Здесь можно найти решебники, ГДЗ, переводы текстов по школьной программе. Практически весь материал, собранный на сайте – сделанный для людей. Все решебники выполнены качественно, с приятной навигацией. Вы сможете скачать гдз, решебник английского, улучшить ваши школьные оценки, повысить знания, получить намного больше свободного времени.
задача сайта: помогать школьникам в решении домашнего задания. Кроме того, весь материал гдз совершенствуется, добавляются новые сборники решений.
Информация
adminreshak.ru
Однажды одной даме, не очень сведущей в электротехнике, монтер сообщил причину пропадания света в ее квартире. Это оказалось короткое замыкание, и женщина потребовала немедленно его удлинить. Над этой историей можно посмеяться, но лучше все же рассмотреть эту неприятность подробнее. Специалистам-электрикам и без этой статьи известно, что это за явление, чем оно грозит и как рассчитать ток короткого замыкания.
Изложенная ниже информация адресована людям, не имеющим технического образования, но, как и все прочие, не застрахованным от неприятностей, связанных с эксплуатацией техники, машин, производственного оборудования и самых обычных бытовых приборов. Каждому человеку важно знать, что такое короткое замыкание, каковы его причины, возможные последствия и методы его предотвращения. Не обойтись в этом описании и без знакомства с азами электротехнической науки.
Не знающий их читатель может заскучать и не дочитать статью до конца.
Популярное изложение закона Ома
Независимо от того, каков характер тока электрической цепи, он возникает только в том случае, если существует разница потенциалов (или напряжение, это то же самое). Природа этого явления может быть объяснена на примере водопада: если есть разность уровней, вода течет в каком-то направлении, а когда нет – она стоит на месте. Даже школьникам известен закон Ома, согласно которому, ток тем больше, чем выше напряжение, и тем меньше, чем выше сопротивление, включенное в нагрузку:
I – величина тока, которую иногда называют «силой тока», хотя это не совсем грамотный перевод с немецкого языка. Измеряется в Амперах (А).
На самом деле силой (то есть причиной ускорения) ток сам по себе не обладает, что как раз и проявляется во время короткого замыкания. Этот термин уже стал привычным и употребляется часто, хотя преподаватели некоторых вузов, услышав из уст студента слова «сила тока» тут же ставят «неуд».
«А как же огонь и дым, идущие от проводки во время короткого замыкания? – спросит настырный оппонент, – Это ли не сила?» Ответ на это замечание есть. Дело в том, что идеальных проводников не существует, и нагрев их обусловлен именно этим фактом.
Если предположить, что R=0, то и тепло бы не выделялось, как ясно из закона Джоуля-Ленца, приведенного ниже.
U – та самая разница потенциалов, называемая также напряжением. Измеряется в Вольтах (у нас В, за границей V). Его также называют электродвижущей силой (ЭДС).
R – электрическое сопротивление, то есть способность материала препятствовать прохождению тока. У диэлектриков (изоляторов) оно большое, хотя и не бесконечное, у проводников – малое. Измеряется в Омах, но оценивается в качестве удельной величины.
Само собой, что чем толще провод, тем он лучше проводит ток, а чем он длиннее, тем хуже. Поэтому удельное сопротивление измеряется в Омах, умноженных на квадратный миллиметр и деленных на метр. Кроме этого, на его величину влияет температура, чем она выше, тем больше сопротивление.
Например, золотой проводник длиной в 1 метр и сечением в 1 кв. мм при 20 градусах Цельсия обладает общим сопротивлением 0,024 Ома.
Есть еще формула закона Ома для полной цепи, в нее введено внутреннее (собственное) сопротивление источника напряжения (ЭДС).
Две простых, но важных формулы
Понять причину, по которой возникает ток короткого замыкания, невозможно без усвоения еще одной нехитрой формулы. Мощность, потребляемая нагрузкой, равна (без учета реактивных составляющих, но о них позже) произведению тока на напряжение.
P – мощность, Ватт или Вольт-Ампер;
U – напряжение, Вольт;
Мощность бесконечной не бывает, она всегда чем-то ограничена, поэтому при ее фиксированной величине при увеличении тока напряжение уменьшается. Зависимость этих двух параметров рабочей цепи, выраженная графически, называется вольт-амперной характеристикой.
И еще одна формула, необходимая для того, чтобы произвести расчет токов короткого замыкания, это закон Джоуля-Ленца. Она дает представление о том, сколько тепла выделяется при сопротивлении нагрузке, и очень проста. Проводник будет греться с интенсивностью, пропорциональной величинам напряжения и квадрата тока. И, конечно же, формула не обходится без времени, чем дольше раскаляется сопротивление, тем больше оно выделит тепла.
Что происходит в цепи при коротком замыкании
Итак, читатель может считать, что освоил все главные физические закономерности для того, чтобы разобраться в том, какой может быть величина (ладно, пусть будет сила) тока короткого замыкания. Но сначала следует определиться с вопросом о том, что, собственно, это такое. КЗ (короткое замыкание) – это ситуация, при которой сопротивление нагрузки близко к нулю. Смотрим на формулу закона Ома.
Если рассматривать его вариант для участка цепи, несложно понять, что ток будет стремиться к бесконечности. В полном варианте он будет ограничен сопротивлением источника ЭДС. В любом случае ток короткого замыкания очень велик, а по закону Джоуля-Ленца, чем он больше, тем сильнее греется проводник, по которому он идет. Причем зависимость не прямая, а квадратичная, то есть, если I увеличится стократно, то тепла выделится в десять тысяч раз больше.
В этом и состоит опасность явления, приводящего порой к пожарам.
Источник: https://uvelirobzor.com/kakova-sila-toka-pri-korotkom-zamykanii/
Короткое замыкание: что это и как его предотвратить
18 сентября 2018
Из-за короткого замыкания часто происходят пожары. Из этой статьи вы узнаете, что такое короткое замыкание, в каких ситуациях оно происходит и как его предупредить.
Короткое замыкание – одна из основных причин пожаров в быту и на производстве
Что такое короткое замыкание
Короткое замыкание – искажение маршрута тока в сети, вызванное неисправностью или недопустимым вмешательством в цепь, в результате которого резко падает электрическое сопротивление. По закону Ома это приводит к росту силы тока на много порядков по сравнению с расчетной.
По закону Ома сила тока (I) обратно пропорциональна сопротивлению (R)
Рассмотрим короткое замыкание на наглядном примере. На иллюстрации ниже изображена цепь, по которой ток от источника течет к лампе накаливания.
Схема цепи с источником и лампой накаливания
Представьте, что в результате поломки в цепь попал дополнительный проводник.
Дополнительный проводник замыкает цепь
Сопротивление проводников стремится к нулю. Поэтому большая часть электрического тока после замыкания будет течь через дополнительный проводник, словно избегая лампы накаливания с высоким сопротивлением. В результате лампа или другой электрический прибор на ее месте не получит достаточно тока и будет работать некорректно. Но это не самое опасное.
Как сказано выше, по закону Ома сила тока обратно пропорциональна сопротивлению. То есть при падении сопротивления в цепи в результате короткого замыкания на несколько порядков растет сила тока. По закону Джоуля – Ленца при росте силы тока увеличивается выделение тепла.
Многократный рост силы тока заставляет проводники мгновенно нагреваться. Если в цепи нет предохранителей или они не срабатывают достаточно быстро, проводники плавятся, а изоляция начинает гореть. Именно так возникают пожары в результате короткого замыкания.
Короткое замыкание на линии электропередач
В каких ситуациях происходит короткое замыкание
В реальных условиях короткое замыкание происходит в таких ситуациях:
- Повреждение изоляции проводников. Из-за изношенности или механического воздействия изоляция повреждается, а жилы кабеля замыкаются напрямую или через корпус оборудования.
- Некорректное подключение электроприборов к сети. В данном случае короткое замыкание возникает из-за ошибки монтера или владельца электрооборудования.
- Попадание в электрический прибор воды. Она выступает проводником и замыкает контакты.
На практике в быту короткое замыкание происходит во время ремонта стен, когда рабочий повреждает проводку. Также аварии случаются в квартирах и домах со старой проводкой, которая повреждается из-за нагревания, в результате воздействия воды, грызунов.
Последствия короткого замыкания можно определить по типичной картине: оплавленная или сгоревшая изоляция, запах гари, следы оплавления или горения внутри электрического прибора.
Типичная картина последствий короткого замыкания в электрощитовой многоэтажного дома
Как предотвратить короткое замыкание
На этот вопрос есть короткий ответ: чтобы не произошло короткое замыкание, соблюдайте правила эксплуатации электрических приборов. Конкретные рекомендации ниже помогут предупредить короткое замыкание.
Следите за состоянием проводки
Аварии обычно происходят в старых зданиях, проводка которых прокладывалась десятки лет назад. Сечение кабеля старой проводки часто не соответствует мощности и силе тока, необходимым для работы современных электроприборов: кондиционеров, стиральных машин, микроволновых печей, электрочайников и так далее. Это приводит к нагреву кабеля и риску короткого замыкания.
Старую проводку нужно своевременно менять. Сечение кабеля новой проводки должно соответствовать потребляемой мощности и силе тока в сети. Эти параметры устанавливаются поставщиком электроэнергии, а посмотреть их можно в договоре на подключение здания к электросети. Выбрать нужное сечение кабеля поможет таблица.
Таблица для выбора сечения кабеля по мощности и силе тока
Используйте подходящие автоматические предохранители
Рекомендация в первую очередь касается бытовых потребителей: владельцев квартир, домов, дач. Использование вместо предохранителей так называемых «жучков», а также установка неподходящих автоматических выключателей повышает риск нагрева кабеля и короткого замыкания.
Пример: поставщик электроэнергии согласовал установку «автомата» 16А. Этот предохранитель рассчитан на разрешенную потребляемую мощность и силу тока. Он срабатывает, когда сила тока превышает 16 ампер и защищает сеть от аварии. Если установить в эту сеть «автомат» 40А или «жучок», потребитель не будет страдать от частых срабатываний предохранителя. Но сеть останется незащищенной от ненормативных нагрузок. Это повышает риск повреждения кабеля и короткого замыкания.
«Жучком» называют самодельный или самостоятельно модифицированный предохранитель. Обычно это предохранитель, в котором вместо плавкой вставки используется толстая проволока.
Предохранитель с «жучком»
Проверяйте работоспособность кабеля
Перед монтажом проводки проверяйте кабель на целостность изоляции и отсутствие короткого замыкания. Кабель с ленточной броней надо проверять на замыкание на броню. Это проще всего сделать с помощью мегаомметра.
Мегаомметр поможет выявить короткое замыкание
Не эксплуатируйте электросети без заземления или зануления
Заземление и зануление само по себе не предупреждает короткое замыкание. Но благодаря этой защите при коротком замыкании сила тока мгновенно уменьшается до безопасного для человека и оборудования уровня.
В многоквартирных и частных домах заземление реализовано так, чтобы при коротком замыкании срабатывали автоматы защиты. Поэтому бытовым потребителям достаточно использовать надежные предохранители, как описано выше.
Учитывайте схему электропроводки в здании и на участке во время ремонта
Во время ремонта или земляных работ на участке важно не повредить проводку. Поэтому при сверлении или штроблении стен важно проверить участок с помощью тестера скрытой проводки. А перед выполнением земляных работ важно изучить схему проводки на участке.
Заключение
Короткое замыкание возникает в результате повреждения проводников или электрических приборов, а также их некорректного подключения. В этой ситуации возможен пожар, выход приборов из строя и поражение людей током. Чтобы предупредить замыкание, используйте кабели с подходящим сечением и предохранители. Избегайте механического повреждения проводки во время ремонта.
Источник: https://tze1.ru/articles/detail/korotkoe-zamykanie-chto-eto-i-kak-ego-predotvratit/
ЭДС. Закон Ома для полной цепи
Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев
Темы кодификатора ЕГЭ: электродвижущая сила, внутреннее сопротивление источника тока, закон Ома для полной электрической цепи
До сих пор при изучении электрического тока мы рассматривали направленное движение свободных зарядов во внешней цепи, то есть в проводниках, подсоединённых к клеммам источника тока.
Как мы знаем, положительный заряд :
• уходит во внешнюю цепь с положительной клеммы источника;
• перемещается во внешней цепи под действием стационарного электрического поля, создаваемого другими движущимися зарядами;
• приходит на отрицательную клемму источника, завершая свой путь во внешней цепи.
Теперь нашему положительному заряду нужно замкнуть свою траекторию и вернуться на положительную клемму. Для этого ему требуется преодолеть заключительный отрезок пути — внутри источника тока от отрицательной клеммы к положительной.
Но вдумайтесь: идти туда ему совсем не хочется! Отрицательная клемма притягивает его к себе, положительная клемма его от себя отталкивает, и в результате на наш заряд внутри источника действует электрическая сила , направленная против движения заряда (т.е.
против направления тока).
Сторонняя сила
Тем не менее, ток по цепи идёт; стало быть, имеется сила, «протаскивающая» заряд сквозь источник вопреки противодействию электрического поля клемм (рис. 1).
Рис. 1. Сторонняя сила
Эта сила называется сторонней силой; именно благодаря ей и функционирует источник тока. Сторонняя сила не имеет отношения к стационарному электрическому полю — у неё, как говорят, неэлектрическое происхождение; в батарейках, например, она возникает благодаря протеканию соответствующих химических реакций.
Обозначим через работу сторонней силы по перемещению положительного заряда q внутри источника тока от отрицательной клеммы к положительной. Эта работа положительна, так как направление сторонней силы совпадает с направлением перемещения заряда. Работа сторонней силы называется также работой источника тока.
Во внешней цепи сторонняя сила отсутствует, так что работа сторонней силы по перемещению заряда во внешней цепи равна нулю. Поэтому работа сторонней силы по перемещению заряда вокруг всей цепи сводится к работе по перемещению этого заряда только лишь внутри источника тока. Таким образом, — это также работа сторонней силы по перемещению заряда по всей цепи.
Мы видим, что сторонняя сила является непотенциальной — её работа при перемещении заряда по замкнутому пути не равна нулю. Именно эта непотенциальность и обеспечивает циркулирование электрического тока; потенциальное электрическое поле, как мы уже говорили ранее, не может поддерживать постоянный ток.
Опыт показывает, что работа прямо пропорциональна перемещаемому заряду . Поэтому отношение уже не зависит от заряда и является количественной характеристикой источника тока. Это отношение обозначается :
(1)
Данная величина называется электродвижущей силой (ЭДС) источника тока. Как видим, ЭДС измеряется в вольтах (В), поэтому название «электродвижущая сила» является крайне неудачным. Но оно давно укоренилось, так что приходится смириться.
Когда вы видите надпись на батарейке: «1,5 В», то знайте, что это именно ЭДС. Равна ли эта величина напряжению, которое создаёт батарейка во внешней цепи? Оказывается, нет! Сейчас мы поймём, почему.
Закон Ома для полной цепи
Любой источник тока обладает своим сопротивлением , которое называется внутренним сопротивлением этого источника. Таким образом, источник тока имеет две важных характеристики: ЭДС и внутреннее сопротивление.
Пусть источник тока с ЭДС, равной , и внутренним сопротивлением подключён к резистору (который в данном случае называется внешним резистором, или внешней нагрузкой, или полезной нагрузкой). Всё это вместе называется полной цепью (рис. 2).
Рис. 2. Полная цепь
Наша задача — найти силу тока в цепи и напряжение на резисторе .
За время по цепи проходит заряд . Согласно формуле (1) источник тока совершает при этом работу:
(2)
Так как сила тока постоянна, работа источника целиком превращается в теплоту, которая выделяется на сопротивлениях и . Данное количество теплоты определяется законом Джоуля–Ленца:
(3)
Итак, , и мы приравниваем правые части формул (2) и (3):
После сокращения на получаем:
Вот мы и нашли ток в цепи:
(4)
Формула (4) называется законом Ома для полной цепи.
Если соединить клеммы источника проводом пренебрежимо малого сопротивления , то получится короткое замыкание. Через источник при этом потечёт максимальный ток — ток короткого замыкания:
Из-за малости внутреннего сопротивления ток короткого замыкания может быть весьма большим. Например, пальчиковая батарейка разогревается при этом так, что обжигает руки.
Зная силу тока (формула (4)), мы можем найти напряжение на резисторе с помощью закона Ома для участка цепи:
(5)
Это напряжение является разностью потенциалов между точками и (рис. 2). Потенциал точки равен потенциалу положительной клеммы источника; потенциал точки равен потенциалу отрицательной клеммы. Поэтому напряжение (5) называется также напряжением на клеммах источника.
Мы видим из формулы (5), что в реальной цепи будет — ведь умножается на дробь, меньшую единицы. Но есть два случая, когда .
1. Идеальный источник тока. Так называется источник с нулевым внутренним сопротивлением. При формула (5) даёт .
2. Разомкнутая цепь. Рассмотрим источник тока сам по себе, вне электрической цепи. В этом случае можно считать, что внешнее сопротивление бесконечно велико: . Тогда величина неотличима от , и формула (5) снова даёт нам .
Смысл этого результата прост: если источник не подключён к цепи, то вольтметр, подсоединённый к полюсам источника, покажет его ЭДС.
Кпд электрической цепи
Нетрудно понять, почему резистор называется полезной нагрузкой. Представьте себе, что это лампочка. Теплота, выделяющаяся на лампочке, является полезной, так как благодаря этой теплоте лампочка выполняет своё предназначение — даёт свет.
Количество теплоты, выделяющееся на полезной нагрузке за время , обозначим .
Если сила тока в цепи равна , то
Некоторое количество теплоты выделяется также на источнике тока:
Полное количество теплоты, которое выделяется в цепи, равно:
Кпд электрической цепи — это отношение полезного тепла к полному:
КПД цепи равен единице лишь в том случае, если источник тока идеальный .
Закон Ома для неоднородного участка
Простой закон Ома справедлив для так называемого однородного участка цепи — то есть участка, на котором нет источников тока. Сейчас мы получим более общие соотношения, из которых следует как закон Ома для однородного участка, так и полученный выше закон Ома для полной цепи.
Участок цепи называется неоднородным, если на нём имеется источник тока. Иными словами, неоднородный участок — это участок с ЭДС.
На рис. 3 и источник тока. ЭДС источника равна , его внутреннее сопротивление считаем равным нулю (усли внутреннее сопротивление источника равно , можно просто заменить резистор на резистор ).
Рис. 3. ЭДС «помогает» току:
Сила тока на участке равна , ток течёт от точки к точке . Этот ток не обязательно вызван одним лишь источником . Рассматриваемый участок, как правило, входит в состав некоторой цепи (не изображённой на рисунке), а в этой цепи могут присутствовать и другие источники тока. Поэтому ток является результатом совокупного действия всех источников, имеющихся в цепи.
Пусть потенциалы точек и равны соответственно и . Подчеркнём ещё раз, что речь идёт о потенциале стационарного электрического поля, порождённого действием всех источников цепи — не только источника, принадлежащего данному участку, но и, возможно, имеющихся вне этого участка.
Напряжение на нашем участке равно: . За время через участок проходит заряд , при этом стационарное электрическое поле совершает работу:
Кроме того, положительную работу совершает источник тока (ведь заряд прошёл сквозь него!):
Сила тока постоянна, поэтому суммарная работа по продвижению заряда , совершаемая на участке стационарным элетрическим полем и сторонними силами источника, целиком превращается в тепло: .
Подставляем сюда выражения для , и закон Джоуля–Ленца:
Сокращая на , получаем закон Ома для неоднородного участка цепи:
(6)
или, что то же самое:
(7)
Обратите внимание: перед стоит знак «плюс». Причину этого мы уже указывали — источник тока в данном случае совершает положительную работу, «протаскивая» внутри себя заряд от отрицательной клеммы к положительной. Попросту говоря, источник «помогает» току протекать от точки к точке .
Отметим два следствия выведенных формул (6) и (7).
1. Если участок однородный, то . Тогда из формулы (6) получаем — закон Ома для однородного участка цепи.
2. Предположим, что источник тока обладает внутренним сопротивлением . Это, как мы уже упоминали, равносильно замене на :
Теперь замкнём наш участок, соединив точки и . Получим рассмотренную выше полную цепь. При этом окажется, что и предыдущая формула превратится в закон Ома для полной цепи:
Таким образом, закон Ома для однородного участка и закон Ома для полной цепи оба вытекают из закона Ома для неоднородного участка.
Может быть и другой случай подключения, когда источник «мешает» току идти по участку. Такая ситуация изображена на рис. 4. Здесь ток, идущий от к , направлен против действия сторонних сил источника.
Рис. 4. ЭДС «мешает» току:
Как такое возможно? Очень просто: другие источники, имеющиеся в цепи вне рассматриваемого участка, «пересиливают» источник на участке и вынуждают ток течь против . Именно так происходит, когда вы ставите телефон на зарядку: подключённый к розетке адаптер вызывает движение зарядов против действия сторонних сил аккумулятора телефона, и аккумулятор тем самым заряжается!
Что изменится теперь в выводе наших формул? Только одно — работа сторонних сил станет отрицательной:
Тогда закон Ома для неоднородного участка примет вид:
(8)
или:
где по-прежнему — напряжение на участке.
Давайте соберём вместе формулы (7) и (8) и запишем закон Ома для участка с ЭДС следующим образом:
Ток при этом течёт от точки к точке . Если направление тока совпадает с направлением сторонних сил, то перед ставится «плюс»; если же эти направления противоположны, то ставится «минус».
Источник: https://ege-study.ru/ru/ege/materialy/fizika/eds-zakon-oma-dlya-polnoj-cepi/
