Мощность электрического тока: особенности, формулы расчета

Об электрическом токе

Для облегчения понимания темы можно применить аналоги (сравнения) из окружающего мира. Электрические величины иногда объясняют на примере обычного трубопровода:

ток электронов подобен движению жидкости;
напряжение (разница потенциалов) – различные уровни давления;
при уменьшении сечения проводника увеличивается сопротивление току – таким же образом приходится повышать напор для перемещения большего количества воды за единицу времени.

Через прозрачные стенки можно наблюдать движение потока жидкости. Упростит визуальный эксперимент наличие визуальных маркеров – загрязнений. Однако самый зоркий человек не в состоянии увидеть перемещение микроскопически малых электронов.

Тем не менее, именно движение потока заряженных частиц является электрическим током. Почему такое действие даже при продолжительном времени опыта не изменяет массу (размеры) отдельных участков проводника?

Как и в случае с наблюдением, ответ на вопрос объясняется очень малой величиной рассматриваемых параметров. Электроны можно сравнить с муравьями. При переселении в другой «дом» старый муравейник сохраняет размеры (форму). Так и масса проводника не изменится заметно даже при полном удалении из него частиц с электрическими зарядами.

Формула взаимосвязи между мощностью, напряжением и силой тока

В электротехнике работу рассматривают как некоторое количество энергии, отдаваемое источником питания на действие электроприбора в период времени. Поэтому электрическая мощность есть величина, описывающая быстроту трансформации или передачи электроэнергии. Её формула для постоянного тока выглядит так:

P = U*I,

где:

U – напряжение, В;
I – сила тока, А.

Для некоторых случаев, пользуясь формулой закона Ома, мощность можно вычислить, подставив значение сопротивления:

P = I*2*R, где:

I – сила тока, А;
R – сопротивление, Ом.

В случае расчётов мощности цепей переменного тока придётся столкнуться с тремя видами:

активная её формула: P = U*I*cos ϕ, где – коэффициент угла сдвига фаз;
реактивная рассчитывается: Q = U*I*sin ϕ ;
полная представлена в виде: S = √P2 + Q2, гдe P – aктивная, а Q2 – реактивная.

Расчёты для однофазной и трёхфазной цепей переменного тока выполняются по разным формулам.

Важно! Потребители электроэнергии на предприятиях в большинстве асинхронные двигатели, трансформаторы и другие индуктивные приёмники. При работе они используют реактивную мощность, а та, протекая по линиям электропередач, приводит ЛЭП к дополнительной нагрузке

Чтобы повысить качество энергии, используют компенсацию реактивной энергии в виде конденсаторных установок.

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 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 Миллиамперы в амперы

Вам это будет интересно Миллиамперы в амперы

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: = .

Ом и формула

В чем измеряется энергия

В переводе с греческого языка энергия – деятельность, сила, действие. Она является величиной скалярной и измеряет всевозможные виды движения и взаимосвязи материи. Энергия обозначается буквой E. Единицами измерения этой величины служат: в системе СИ – джоуль (Дж), в системе СГС – эрг.

Подсчёт электрической энергии, потребляемой электроприборами, осуществляют счётчики. Они выдают численные показания потребляемой мощности (квт) в квт час.

Связь между силой и энергией

Установлена связь между консервативной силой, которая вызывает потенциальную энергию всех взаимодействующих между собой тел, и этой энергией.

К сведению. Консервативными силами называются такие силы, которые совершают работу по перемещению точки. При этом работа обусловливается крайними положениями этой точки: начальным и конечным.

К консервативным силам относятся следующие силы:

тяжести;
упругости;
кулоновские силы.

Если замкнуть траекторию движения точки под действием консервативных сил, она будет равна нулю.

Проследить связь можно по следующему алгоритму:

</ul>

Когда в любой точке пространства тело подвержено действию консервативной силы, значит, оно расположено в потенциальном поле.
Изменение положения тела внутри поля вызывает изменение потенциальной энергии, при котором консервативная сила выполняет работу.

Эта работа может быть выражена математическими действиями. К примеру, перемещение тела произошло в случайном направлении r, отклонившись от начального положения на очень малое расстояние dr. Значит, dA = F*dr*cosα = Fr, dr, где F = F* cosα составляет проекцию силы на направление r.

Есть равенство: dA = – dEп, где Eп – потенциальная энергия. Значит, поставив знак равенства между двумя выражениями, получается:

Fr *dr = – dEп, из которого выражается Fr = – dEп/dr.

Соотношение dEп/dr – это величина, показывающая скорость изменения потенциальной энергии вдоль данного направления, является производной Eп по направлению r.

Внимание! Знак «минус» означает уменьшение потенциальной энергии в направлении dr. Символ частной производной указывает на то, что дифференцирование потенциальной энергии Eп (x, y, z) происходит только с аргументом x при неизменных двух других

Мощность и энергия

Мощностью Р называется работа, производимая в единицу времени. Единица измерения мощности – ватт (Вт). Чтобы узнать, 1 квт сколько вт, нужно помнить, что «кило» это 103. Следовательно, 1 квт = 103 вт, а 10 квт = 104 вт.

Обычно мощность электроприёмников измеряют в киловаттах. Применимо к технике ещё существует измерение мощности в лошадиных силах (л.с.). Одна такая лошадиная сила равна 736 Вт.

Мощность и лошадиные силы

Возможность определённого тела или целой системы выполнять работу характеризуется их энергией. Энергия объединяет в своём понятии все события в природе. Для различных видов движения характерны разные виды энергии.

Совет. Механическая энергия, относящаяся к движению тела, называется кинетической, связанная с взаимоположением тел (частей тела) системы – потенциальной.

Механическая энергия

Калории и джоули

Прежде, чем разбираться, как переводить (конвертировать) калории в джоули и обратно, нужно знать, что означают эти два понятия.

Джоулем называется единица, которой измеряют работу, энергию или количество теплоты. В международной системе СИ джоуль обозначается Дж (J). Работа, производимая силой в один ньютон (1Н) по перемещению точки по направлению приложения силы на один метр (1м), равна одному джоулю (1 Дж).

Калория – величина, отдельно не отражённая в системах измерений, служит для определения количества тепла. Чтобы нагреть 1 г. воды на 1 С0, необходимо потратить энергию, равную 1 калории (кал). При этом 1 кал = 4,1868 Дж.

Связь с другими единицами

Для выражения калорий в джоули и назад можно воспользоваться онлайн-калькулятором.

Интерфейс программы позволяет вводить значения необходимых величин (пользуясь сокращениями кратных значений). Когда под рукой нет интернета, легко осуществить перевод, составив пропорцию. К примеру, необходимо узнать, сколько килокалорий в 100 кДж. Для этого составляют пропорцию:

1 кКал = 4,1868 кДж;
Х = 100 кДж.

Решая пропорцию, получают выражение Х=100*1/4,1868 = 23,9 кКал. Ответ – в 100 кДж заключается 23,9 ккал.

Сила тока в проводнике

Очень часто в физике можно встретить проблемы с вопросом: какова сила тока в проводнике? Проводник, также называемый проволокой, может иметь несколько параметров: диаметр или площадь поперечного сечения; материал, из которого сделана нить; длина, которая тоже играет немаловажную роль.

В любом случае сопротивление проводника рассчитывается по формуле:

формула сопротивления проводника

Таблица удельного сопротивления, сделанная из разных материалов, выглядит так.

таблица с удельным сопротивлением веществ

Чтобы найти силу тока в проводнике, нам нужно использовать закон Ома для участка цепи. Похоже на то:

закон Ома

Задача

У нас есть медный провод длиной 1 метр и сечением 1 мм2. Какой ток будет течь по этому проводнику (проводу), если на его концы приложить напряжение 1 вольт?

задание на текущую силу в хендлере

Решение:

Единицы измерения: вольт, ампер и ом

Чтобы иметь возможность делать осмысленные утверждения об этих величинах в цепях, нам нужно уметь описывать их количества так же, как мы могли бы количественно определить массу, температуру, объем, длину или любые другие физические величины. Для массы мы можем использовать единицы «килограмм» или «грамм». Для температуры мы можем использовать градусы Фаренгейта или градусы Цельсия. В таблице ниже приведены стандартные единицы измерения электрического тока, напряжения и сопротивления:

Единицы измерения тока, напряжения, сопротивления
Величина	Символ	Единица измерения	Сокращение единицы измерения
Ток	I	Ампер	А
Напряжение	V	Вольт	В
Сопротивление	R	Ом	Ом

«Символ», присвоенный каждой величине, представляет собой стандартную букву латинского алфавита, используемую для представления этой величины в формулах. Подобные стандартизированные буквы распространены во всех физических и технических дисциплинах и признаны во всем мире. «Сокращение единицы измерения» для каждой величины представляет собой алфавитный символ(ы), используемый в качестве сокращенного обозначения конкретной единицы измерения.

Каждая единица измерения названа в честь известного экспериментатора в области электричества: ампер в честь француза Андре М. Ампера, вольт в честь итальянца Алессандро Вольта, а ом в честь немца Георга Симона Ома.

Математический символ для каждой величины также имеет значение. «R» для сопротивления и «V» для напряжения говорят сами за себя («Resistance» и «Voltage», соответственно), тогда как «I» для тока кажется немного странным. Предполагается, что буква «I» должна представлять «интенсивность» («Intensity»)(потока заряда). Судя по исследованиям, которые мне удалось провести, кажется, что есть некоторые разногласия по поводу значения слова «I». Другой символ напряжения, «E», означает «электродвижущую силу» («Electromotive force»). Символы «E» и «V» по большей части взаимозаменяемы, хотя в некоторых текстах «E» зарезервировано для обозначения напряжения на источнике (таком как батарея или генератор), а «V»– для обозначения напряжения на любом другом элементе.

Все эти символы выражаются заглавными буквами, за исключением случаев, когда величина (особенно напряжение или ток) описывается в терминах короткого периода времени (так называемые «мгновенные» значения). Например, напряжение батареи, которое стабильно в течение длительного периода времени, будет обозначаться заглавной буквой «E», тогда как пиковое напряжения при ударе молнии в тот самый момент, когда она попадает в линию электропередачи, скорее всего, будет обозначаться строчной буквой «е» (или строчной буквой «v»), чтобы отметить это значение как имеющееся в один момент времени. Это же соглашение о нижнем регистре справедливо и для тока: строчная буква «i» представляет ток в некоторый момент времени. Однако большинство измерений в цепях постоянного тока, которые стабильны во времени, будут обозначаться заглавными буквами.

Общие сведения

Название единицы измерения мощности электрического тока произошло от фамилии шотландского инженера-изобретателя Джеймса Уатта (1736−1819 гг.), который известен всему миру. Он изобрел паровую машину. Мощность электрического тока измеряется в ваттах (Вт).

Каждый электрический прибор обладает определенной мощностью и потребляет какое-то количество электрической энергии. Ее величина измеряется в ваттах, а для мощных потребителей — в киловаттах. Однако некоторые люди не понимают, что киловатт и киловатт-час являются двумя различными единицами измерения. В этом случае нужно рассмотреть физический смысл основных физических величин, определяющих их: силу тока, напряжение (разность потенциалов), сопротивление (электропроводимость), время работы электрооборудования.

Сила тока

Сила тока — количество электрического заряда, проходящего через проводник за единицу времени. Обозначается величина литерой «I» и измеряется в амперах. Она находится расчетным методом или измеряется при помощи электронно-измерительного прибора, который называется амперметром. Он подключается последовательно к нагрузке. Физический смысл силы тока в 1 А следующий: прохождение количества электрического заряда Qз, равное 1 кулону, через площадь поперечного сечения за 1 секунду. 1 Кл примерно равен 6,241*10 18 отрицательно заряженных частиц (электронов). Формула зависимости силы тока от Qз и времени (t) следующая: I = Qз / t.

Производные единицы измерения: 1 мА (0,001 А) и 1 кА (1000 А). Для удобства расчетов применяются сокращенные названия или аббревиатуры. Ток классифицируется на постоянный и переменный. Постоянный ток не изменяет направление протекания через проводник, но его амплитуда и величина могут меняться. Переменный ток изменяет направление и амплитуду по определенному закону. Его основной характеристикой является частота.

Согласно закону, происходит разделение на синусоидальный и несинусоидальный виды. В первом случае графиком является синусоида, которая зависит от амплитудного значения (Iмакс) и угловой частоты (w). Закон изменения тока с течением времени (t) записывается таким образом: i = Iмакс * sin (w * t). Параметр угловой частоты зависит от частоты тока (f): w = 2 * Пи * f. В этом соотношении величина Пи является значением, приблизительно равным 3,141592653589793238462643.

К току, изменяемому по несинусоидальному закону, относятся любые законы, в которых отсутствует функция синуса (sin). Очень часто в проектировании преобразователей можно встретить ток трапецеидальной и прямоугольной форм. Определить закон изменения электротока можно с помощью осциллографа, дающего его графическое представление. Необходимо учитывать, что ток является векторной величиной, поскольку имеет направление.

Разность потенциалов

Любое вещество состоит из атомов. Каждый атом обладает нейтральным зарядом и содержит элементарные или субатомные частицы: протоны, электроны и нейтроны. Суммарный положительный заряд протонов (Qp) и отрицательный заряд всех электронов (Qe) компенсируют друг друга (Qp = Qe). При воздействии на вещество внешних сил возможны случаи «захвата» атомом другого электрона, находящегося в составе другого атома. В результате чего атом, «захвативший» «чужой электрон», обладает отрицательным зарядом, поскольку в нем количество электронов преобладает над численным показателем числа протонов (Qe>Qp).

При потере или притяжении частицы образуется электромагнитное поле. Его составляющая зависит от заряда иона и бывает положительной или отрицательной. Разность между составляющими разноименных зарядов называется разностью потенциалов или напряжением. Чем больше разность, тем больше величина напряжения. Оно измеряется в вольтах (В, V) и обозначается буквой U. Замерять его значение можно с помощью вольтметра или осциллографа.

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.

Вам это будет интересно Применение полевых транзисторов

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

Электрическое поле

Общие сведения

Поднимаясь в гору, мы совершаем работу против силы притяжения

Поскольку мы живём в эпоху электричества, многим нам с детства знакомо понятие электрического напряжения:

ведь мы порой, исследуя окружающую действительность, получали от него немалый шок, засунув тайком от родителей пару пальцев в розетку питания электрических устройств. Поскольку вы читаете эту статью, ничего особо страшного с вами не произошло — трудно жить в эпоху электричества и не познакомится с ним накоротке. С понятиемэлектрического потенциала дело обстоит несколько сложнее.

Будучи математической абстракцией, электрический потенциал лучше всего по аналогии описывается действием гравитации — математические формулы абсолютно схожи, за исключением того, не существуют отрицательные гравитационные заряды, так как масса всегда положительная и в то же время электрические заряды бывают как положительными, так и отрицательными; электрические заряды могут как притягиваться, так и отталкиваться. В результате же действия гравитационных сил тела могут только притягиваться, но не могут отталкиваться. Если бы мы смогли разобраться с отрицательной массой, мы бы овладели антигравитацией.

Но стоит только оттолкнуться…

Понятие электрического потенциала играет важную роль в описании явлений, связанных с электричеством. Вкратце понятие электрического потенциала описывает взаимодействие различных по знаку или одинаковых по знаку зарядов или групп таких зарядов.

Из школьного курса физики и из повседневного опыта, мы знаем, что поднимаясь в гору, мы преодолеваем силу притяжения Земли и, тем самым, совершаем работу против сил притяжения, действующих в потенциальном гравитационном поле. Поскольку мы обладаем некоторой массой, Земля старается понизить наш потенциал — стащить нас вниз, что мы с удовольствием позволяем ей, стремительно катаясь на горных лыжах и сноубордах. Аналогично, электрическое потенциальное поле старается сблизить разноимённые заряды и оттолкнуть одноимённые.

Отсюда следует вывод, что каждое электрически заряженное тело старается понизить свой потенциал, приблизившись как можно ближе к мощному источнику электрического поля противоположного знака, если никакие силы этому не препятствуют. В случае одноимённых зарядов каждое электрически заряженное тело старается понизить свой потенциал, удалившись как можно дальше от мощного источника электрического поля одинакового знака, если никакие силы этому не препятствуют. А если они препятствуют, то потенциал не меняется — пока вы стоите на ровном месте на вершине горы, сила гравитационного притяжения Земли компенсируется реакцией опоры и вас ничто не тянет вниз, только ваш вес давит на лыжи. Но стоит только оттолкнуться…

Аналогично и поле, создаваемое каким-то зарядом, действует на любой заряд, создавая потенциал для его механического перемещения к себе или от себя в зависимости от знака заряда взаимодействующих тел.

«Сизиф», Тициан, Музей Прадо, Мадрид, Испания

Определение

Ответ на вопрос, что представляет собой постоянный электрический ток, лежит в слове «постоянный» – неизменный в плане величины и направления. Физически под этим подразумевается однонаправленное движение неменяющегося во времени потока заряженных частиц. Направление постоянного тока совпадает с вектором движения положительно заряженных частиц, а при перемещении отрицательных зарядов направление тока будет противоположно направлению движения.

Итак, постоянный ток – это электрический ток, сохраняющий неизменность величины и направления движения в течение всего времени прохождения физического процесса. Это в теории.

А на практике обычно в качестве постоянного тока подразумевают электрический ток, имеющий столь незначительные изменения своей величины, что ими вполне можно пренебречь. Так как это не оказывает существенного влияния на ёмкостной и индуктивный характер эксплуатируемой электрической цепи.

Электроизмерительные приборы: виды и особенности

Измерение основных электрических величин требует большого разнообразия приборов. В зависимости от физического принципа, положенного в основу их работы, все они делятся на следующие группы:

Электромеханические приборы обязательно имеют в конструкции подвижную часть. К этой большой группе измерительных средств относятся электродинамические, ферродинамические, магнитоэлектрические, электромагнитные, электростатические, индукционные приборы. Например, магнитоэлектрический принцип, применяющийся очень широко, может быть положен в основу таких устройств, как вольтметры, амперметры, омметры, гальванометры. На индукционном принципе основаны счетчики электроэнергии, частотомеры и т. д.
Электронные приборы отличаются наличием дополнительных блоков: преобразователей физических величин, усилителей, преобразователей и пр. Как правило, в приборах этого типа измеряемая величина преобразуется в напряжение, и конструктивной основой их служит вольтметр. Электронные измерительные приборы применяются в качестве частотомеров, измерителей емкости, сопротивления, индуктивности, осциллографов.
Термоэлектрические приборы сочетают в своей конструкции измерительное устройство магнитоэлектрического типа и термопреобразователь, образуемый термопарой и нагревателем, через который протекает измеряемый ток. Приборы этого типа используются в основном при измерениях высокочастотных токов.
Электрохимические. Принцип их работы базируется на процессах, которые протекают на электродах либо в исследуемой среде в межэлектродном пространстве. Применяются приборы этого типа для измерения электропроводности, количества электричества и некоторых неэлектрических величин.

По функциональным особенностям различают следующие виды приборов для измерения электрических величин:

Показывающие (сигнализирующие) – это устройства, позволяющие производить только непосредственное считывание измерительной информации, такие как ваттметры или амперметры.
Регистрирующие – приборы, допускающие возможность регистрации показаний, например, электронные осциллографы.

По типу сигнала приборы делятся на аналоговые и цифровые. Если устройство вырабатывает сигнал, представляющий собой непрерывную функцию измеряемой величины, оно является аналоговым, например, вольтметр, показания которого выдаются при помощи шкалы со стрелкой. В том случае, если в устройстве автоматически вырабатывается сигнал в виде потока дискретных значений, поступающий на дисплей в численной форме, говорят о цифровом измерительном средстве.

Цифровые приборы имеют некоторые недостатки по сравнению с аналоговыми: меньшая надежность, потребность в источнике питания, более высокая стоимость. Однако их отличают и существенные преимущества, в целом делающие применение цифровых устройств более предпочтительным: удобство эксплуатации, высокая точность и помехоустойчивость, возможность универсализации, сочетания с ЭВМ и дистанционной передачи сигнала без потери точности.