Формула для напряжения – 10 формул по физике

220v.guru

Формула электрического напряжения для новичков

Домашний мастер, затеявший ремонт бытовой проводки или электрического прибора, должен хорошо представлять электротехнические процессы, уметь проводить сложные расчеты. 

Самая простая формула электрического напряжения, выраженная для участка цепи, позволяет быстро выполнять такие вычисления. 

Я подготовил советы и рекомендации, которые помогут лучше запомнить сложные алгоритм. Рассчитываю, что вы станете правильно применять их на практике, зарекомендуете себя грамотными специалистами в глазах окружающих. 

Содержание статьи

Что такое напряжение и как его легко представлять

Мне нравится сравнение электрических процессов с более понятными механическими явлениями. Поэтому показываю такую картинку. 

Имеем какую-то горку с высотой h относительно начального уровня. На вершине стоит груз весом Р. Он не закреплён, может скатиться под действием совсем небольшого усилия, например, дуновения ветра. 

Но его нет, а если подует, то груз упадет на высоту h3. При этом им будет совершена работа, связанная с перемещением на расстояние h2. 

Такая же аналогия, на мой взгляд, действует в электротехнике. 

Рассматриваем два отличающихся потенциала φ1 и φ2, которые накопили разные материальные тела, например, облака при движении воздушных масс с противоположными знаками зарядов q. 

Они отделены слоем воздушной атмосферы, обладающей сопротивлением R, которое препятствует перемещению заряда q. 

Точно так же воробьи сидят на фазном проводе и даже аист сплел свое гнездо на столбе воздушной линии, как показано на верхней картинке. Но с ними пока ничего не происходит: от второго потенциала они отделены большим сопротивлением. 

Однако, под действием ветра груз Р может скатиться, а облака перемещаются относительно земли и друг друга: воздушная прослойка между ними изменяется. 

В какой-то момент времени разность потенциалов φ1-φ2 между заряженными телами пробьет сопротивление R и будет совершена работа по перемещению заряда q. 

Вот и получается определение формулировки напряжения U, как разность потенциалов φ1 и φ2 или работа А, совершаемая при переносе заряда q. 

Напряжение измеряется в вольтах специальными приборами — вольтметрами. Оно появляется на всех электрических схемах, где присутствуют разные потенциалы: 

• проводах фазы и нуля домашней проводки при поданном питании от трансформаторной подстанции;  

• шинах вводного щитка в дом или подъезд; 
• контактных выводах любой заряженной аккумуляторной батареи либо гальванического элемента; 
• выходных контактах включенного блока питания, зарядного устройства; 
• многих других местах. 

Когда груз Р уже скатился вниз или произошел разряд потенциалов φ1 и φ2 между собой, то работа по перемещению зарядов произойти не сможет. В этом случае, если φ1-φ2=0, напряжение отсутствует. 

Допускаю, что опытного электрика такое мое объяснение не устроит из-за упрощений. Что ж: пишите в комментариях. Будем приходить к общему мнению. Ведь я изложил самые начальные знания для новичков. 

Виды напряжения в квартире простыми словами

А вот здесь надо ориентироваться на то, как образуются потенциалы зарядов электрической энергии. 

Как работают источники постоянного тока для бытовых приборов

На выходных клеммах элементов солнечных батарей или гальванических элементов, сборок из них накапливаются потенциалы зарядов противоположной полярности: положительные и отрицательные. Они образуют цепи постоянного напряжения. 

На графике времени его вычерчивают горизонтальной линией U, которая не меняет свою величину. 

Хотя в принципе это довольно условно: по мере разряда от приложенной нагрузки происходит снижение разности потенциалов (ничего вечного в нашей жизни не существует) и уровень сигнала со временем все же падает. Но, этим качеством при расчетах, как правило, пренебрегают. 

Как определить уровень напряжения

Если вернуться к определению термина, основанного на разности потенциалов или совершении работы по перемещению зарядов, то мы попадем в тупик: их простыми методами оценить невозможно.  

При практической работе с цепями постоянного тока пользуются измерением или вычислением электрических величин на основе известного закона Ома для участка цепи U = i * R.

Простой онлайн калькулятор, спроектированный для этих целей, значительно облегчает такие вычисления. К тому же он построен на использовании еще одной функции: мощности потребления прибора, включенного в шпаргалку электрика. 

Воспользоваться можете любым из указанных способов. Каждая приведенная формула электрического напряжения работает правильно. 

Цепи переменного тока в квартире: откуда приходят и как формируются

Электрическая энергия в дома и квартиры поступает от трансформаторных подстанций различного напряжения по линиям электропередач 0,4 киловольта (кВ). 

Как появляется напряжение в розетке

От трансформаторной подстанции электроэнергия подводится в квартиру по: 

• двухпроводной схеме — система заземления TN-C; 
• или трехпроводной — система заземления TN-S либо TN-C-S. 

У них используются разные алгоритмы защит в аварийных ситуациях. 

В первом случае обеспечивается меньшая электрическая безопасность. Когда возникает пробой изоляции бытового прибора на корпус, то, случайно оказавшийся поблизости человек получает электрическую травму: через его тело проходит опасный потенциал на контур заземления подстанции. 

Трёхпроводная схема электропроводки сразу обеспечивает отвод опасного потенциала через дополнительный контур защитного РЕ проводника. 

На этой картинке допущены некоторые упрощения, которые я использовал, чтобы не усложнять понимание процессов. О них будет идти речь в других статьях. 

Если отключить от розетки потенциал фазы или нуля, то совершить работу не получится: напряжения в ней не будет — отсутствует разность потенциалов.

Формулы расчета напряжения для переменного тока, приведенные в шпаргалке электрика, остаются действующими. Но, на практике требуется учитывать многие нюансы работы электроэнергии, схемы подключения оборудования, особенности прохождения частотных сигналов. 

Важные характеристики синусоиды для выполнения расчетов

Электроэнергию производят промышленные генераторы, работающие на принципе вращения ротора с витками изолированного провода (рамки) в магнитном поле статора. 

На их выводах создается синусоидальное напряжение симметричной переменной формы с гармоничными колебаниями. 

Синусоида характеризуется следующим параметрами: 

• амплитудой; 
• частотой или периодом колебаний; 
• фазой. 

При этом под фазой понимают сдвиг угла между сигналами разных синусоид или относительно начала координат. 

Что такое действующее напряжение

При измерениях и вычислениях параметров синусоиды следует учитывать то обстоятельство, что ее величина постоянно изменяется по времени от нуля до максимального значения и обратно. 

Чтобы исключить ошибки и правильно вести расчет принято обозначение действующего напряжения. 

Его величина соответствует той работе, которую может выполнить одна полуволна гармоники. Ее приравнивают к действию постоянного тока за это же время Т/2. 

Для этого определяют площадь половины гармоники интегральным исчислением за полупериод. Приравнивают ее к прямоугольнику с такой же шириной. 

Далее вычисляют высоту, поделив площадь на ширину. Получается действующее значение напряжение. Оно в √2 или 1,41 раз меньше амплитудного синусоидального U max. 

Можно использовать и другую формулу расчета действующего напряжения на основе амплитудного: умножать его на 0,707. 

Все измерительные приборы — вольтметры работают за счет определения действующей величины напряжения, а не амплитудной.

Для сравнения: привычное нам значение 220 вольт является действующим, а амплитудное составляет 310. 

Что такое “импульсное напряжение”

В своей практике надо быть готовым к тому, что в бытовую проводку может проникнуть импульс перенапряжения от аварийного режима в системе электроснабжения, например, от удара молнии в воздушную линию. 

На ВЛ установлены специальные защиты от подобных случаев: разрядники. Они гасят полученные разряды, срабатывая в несколько ступеней. 

Но все равно такой импульс, хоть и пониженной величины, проникает по проводам в бытовые приборы. Он способен повредить их внутреннюю схему.

Для защиты от него используют УЗИП (устройства защиты от импульсного перенапряжения), которые рассчитывают и выбирают под местные условия. 

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 120^О. 

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. 

Обрыв нуля: как возникает и чем опасен

Нормальная работа электрооборудования происходит в сбалансированном режиме при нормально поданном напряжении на него. Если ноль пропадет, то бытовые приборы прекращают свою работу. 

Здесь есть важные отличия при эксплуатации проводки, собранной по схеме однофазного или трехфазного питания. 

Обрыв нуля в однофазной сети: опасность возникновения

Квартирная проводка подключается для подачи напряжения по двум проводам с потенциалами фазы и нуля (контура земли). Электрический ток нагрузки, совершающий полезную работу, может протекать только по замкнутому контуру. 

Это значит, что если один потенциал от обмотки трансформаторной подстанции не будет подведен к розетке или лампочке в квартире, то на них напряжения, а, следовательно, и работы не будет. 

Однако здесь есть особенность, связанная с безопасностью жильцов. 

Обычно розеточные группы собираются шлейфом при параллельном подключении между собой. В одну из них может быть вставлена вилка шнура питания какого-то прибора: холодильника, стиральной машины, микроволновки и т п. 

В такой ситуации через внутреннюю схему этого прибора потенциал фазы пройдет на контакт нуля розетку и дальше — к концу подключенного, но оборванного провода. 

Электрики говорят по этому поводу: две фазы в розетке! Их легко заметить однофазным индикатором напряжения. Его контрольная лампочка будет светиться в обоих контактных гнездах. 

Этот режим опасен тем, что оторванный конец не изолирован. Под действие вновь образованного потенциала может попасть человек, получить электрическую травму. 

Обрыв нуля в трехфазной сети и как от него защититься

Теперь еще раз внимательно посмотрим, как работает схема трехфазного подключения к квартирной проводке, приведенная выше. Разберем случай, когда оборван ноль не в однофазной цепи, а в общей питающей.  

 В этой ситуации до места обрыва практически ничего не изменяется: сформированная система напряжений 380/220 остается прежней. А вот внутри квартир происходят ну очень нехорошие вещи.  

Потребители остаются подключенными по схеме “звезды”. Но ее средняя точка, где был подвод нулевого потенциала, отсоединен от нейтрали трансформаторной подстанции. 

В итоге создаются новые контура последовательного подключения потребителей квартир к линейному напряжению 380, как я показал на правой картинке, взяв за основу сопротивления Rа и Rв.  

Теперь представим, что жильцы квартиры А очень бережливые. Они мало потребляют энергии, экономят деньги на ее оплате. При этом владелец второй квартиры B эксплуатирует большое количество бытовой техники. У него всегда высокое потребление. 

Другими славами электрика: сопротивление Rа и его мощность потребления близки к нулю, а Rв — завышены. 

Вместе они создали последовательную цепочку Rа+Rв, через которую потечет ток, вызванный приложенной разностью потенциалов 380 вольт. Этот общий ток по закону Ома на каждом сопротивлении создаст падение напряжения. (Перемножьте составляющие формулу величины). 

Получим, что к одной квартире будет приложено очень мало вольт, а к другой около максимального предела 380. 

Что из этого следует: 

1. у экономного владельца приборы недополучат требуемую мощность и отключатся или станут работать на износ; 

1. во второй квартире электрооборудование станет запитано практически от всего приложенного линейного напряжения 380. 

Рачительный хозяин останется без света до устранения неисправности, а у расточительного выйдут из строя работающие электродвигатели, перегорят лампочки, блоки питания электронной аппаратуры и вся подключенная дорогостоящая техника. 

Обрыв нуля в трехфазной сети на стороне питания энергоснабжающей организации очень опасен для бытовых потребителей. Но, от этого аварийного режима существует простая и эффективная защита — реле РКН.

Этот модуль очень быстро, за время роста первой четверти гармоники
напряжения, вычисляет неисправность и до окончания первого периода
колебания отключает питание с квартиры, разрывая цепи подвода
электроэнергии. 

За счет этого все электрооборудование обесточивается, остается в исправном состоянии. 

Кстати, формулы расчета электрического напряжения для этого случая я привел прямо на картинке. Пользуйтесь на здоровье, делайте правильные выводы для себя. 

Я постарался очень простенько объяснить сложные процессы, связанные с электричеством. Поэтому у вас могут появиться дополнительные вопросы. Задавайте их. Будем выяснять совместно.

electrikblog.ru

Формула напряжения электрического поля

Здесь – напряжение, – работа, – заряд.

Единица измерения напряжения – В (вольт).

Напряжение не следует путать с напряжённостью – отношением силы к заряду, так как это разные по своей природе понятия. Ещё не нужно его путать с напряжением электрического тока (которое нужно искать по закону Ома), хотя это взаимосвязанные понятия. Не всякое перемещение заряда в электрическом поле сопровождается совершением работы. В частности, при перемещении заряда в электростатическом поле работа не совершается, если в конечном положении перемещённый заряд оказался в точке, в которой напряжённость равна напряжённости в точке, из которой заряд начал движение.

В зависимости от заряда, который создаёт электрическое поле, напряжение может быть как положительным, так и отрицательным.

Примеры решения задач по теме «Напряжение электрического поля»

ru.solverbook.com

Основные электрические законы. Базовые формулы и расчеты

В предыдущей статье мы познакомились с основными электрическими понятиями, такими как электрический ток, напряжение, сопротивление и мощность. Настал черед основных электрических законов, так сказать, базиса, без знания и понимания которых невозможно изучение и понимание электронных схем и устройств.

Закон Ома

Электрический ток, напряжение, сопротивление и мощность, безусловно, между собой связаны. А взаимосвязь между ними описывается, без сомнения, самым главным электрическим законом – законом Ома. В упрощенном виде этот закон называется: закон Ома для участка цепи. И звучит этот закон следующем образом:

«Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению данного участка цепи».

Для практического применения формулу закона Ома можно представить в виде вот такого треугольника, который помимо основного представления формулы, поможет определить и остальные величины.

Работает треугольник следующим образом. Чтобы вычислить одну из величин, достаточно закрыть ее пальцем. Например:

В предыдущей статье мы проводили аналогию между электричеством и водой, и выявили взаимосвязь между напряжением, током и сопротивлением. Также хорошей интерпретацией закона Ома может послужить следующий рисунок, наглядно отображающий сущность закона:

На нем мы видим, что человечек «Вольт» (напряжение) проталкивает человечка «Ампера» (ток) через проводник, который стягивает человечек «Ом» (сопротивление). Вот и получается, что чем сильнее сопротивление сжимает проводник, тем тяжелее току через него проходить («сила тока обратно пропорциональна сопротивлению участка цепи» – или чем больше сопротивление, тем хуже приходится току и тем он меньше). Но напряжение не спит и толкает ток изо всех сил (чем выше напряжение, тем больше ток или – «сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению»).

Когда фонарик начинает слабо светить, мы говорим – «разрядилась батарейка». Что с ней произошло, что значит разрядилась? А значит это, что напряжение батарейки снизилось и оно больше не в состоянии «помогать» току преодолевать сопротивление цепей фонарика и лампочки. Вот и получается, что чем больше напряжение – тем больше ток.

Последовательное подключение – последовательная цепь

При последовательном подключении потребителей, например обычных лампочек, сила тока в каждом потребителе одинаковая, а вот напряжение будет отличаться. На каждом из потребителей напряжение будет падать (снижаться).

А закон Ома в последовательной цепи будет иметь вид:

При последовательном соединении сопротивления потребителей складываются. Формула для расчета общего сопротивления:

Параллельное подключение – параллельная цепь

При параллельном подключении, к каждому потребителю прикладывается одинаковое напряжение, а вот ток через каждый из потребителей, в случае, если их сопротивление отличается – будет отличаться.

Закон Ома для параллельной цепи, состоящей из трех потребителей, будет иметь вид:

При параллельном соединении общее сопротивление цепи всегда будет меньше значения самого маленького отдельного сопротивления. Или еще говорят, что «сопротивление будет меньше наименьшего».

Общее сопротивление цепи, состоящей из двух потребителей, при параллельном соединении:

Общее сопротивление цепи, состоящей из трех потребителей, при параллельном соединении:

Для большего числа потребителей расчет производится исходя из того, что при параллельном соединении проводимость (величина обратная сопротивлению) рассчитывается как сумма проводимостей каждого потребителя.

Электрическая мощность

Мощность – это физическая величина, характеризующая скорость передачи или преобразования электрической энергии. Рассчитывается мощность по следующей формуле:

Таким образом зная, напряжение источника и измерив потребляемый ток, мы можем определить мощность потребляемую электроприбором. И наоборот, зная мощность электроприбора и напряжение сети, можем определить величину потребляемого тока. Такие вычисления порой необходимы. Например, для защиты электроприборов используются предохранители или автоматические выключатели. Чтобы правильно подобрать средство защиты нужно знать потребляемый ток. Предохранители, применяемые в бытовой технике, как правило подлежат ремонту и для их восстановления достаточно подобрать и заменить проволоку.

Применив закон Ома, можно рассчитать мощность и по другой формуле:

При расчетах надо учитывать, что часть потребляемой электроэнергии расходуется на нагрев и преобразуется в тепло. При работе греются не только электрообогреватели, но и телевизоры, и компьютеры и другая бытовая техника.

И в завершение, в качестве бонуса, вот такая шпаргалка, которая поможет определить любой из основных электрических параметров, по уже известным.

imolodec.com

Закон Ома и Джоуля-Ленца – формулы, калькуляторы для расчета

В природе существует два основных вида материалов, проводящие ток и не проводящие (диэлектрики). Отличаются эти материалы наличием условий для перемещения в них электрического тока (электронов).

Из токопроводящих материалов (медь, алюминий, графит, и многие другие), делают электрические проводники, в них электроны не связаны и могут свободно перемещаться.

В диэлектриках электроны привязаны к атомам намертво, поэтому ток в них течь не может. Из них делают изоляцию для проводов, детали электроприборов.

Для того чтобы электроны начали перемещаться в проводнике (по участку цепи пошел ток), им нужно создать условия. Для этого в начале участка цепи должен быть избыток электронов, а в конце – недостаток. Для создания таких условий используют источники напряжения – аккумуляторы, батарейки, электростанции.

Формула Закона Ома

В 1827 году Георг Симон Ом открыл закон силы электрического тока. Его именем назвали Закон и единицу измерения величины сопротивления. Смысл закона в следующем.

Чем толще труба и больше давление воды в водопроводе (с увеличением диаметра трубы уменьшается сопротивление воде) – тем больше потечет воды. Если представить, что вода это электроны (электрический ток), то, чем толще провод и больше напряжение (с увеличением сечения провода уменьшается сопротивление току) – тем больший ток будет протекать по участку цепи.

Сила тока, протекающая по электрической цепи, прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна величине сопротивления цепи.

где

I – сила тока, измеряется в амперах и обозначается буквой А;

U – напряжение, измеряется в вольтах и обозначается буквой В;

R – сопротивление, измеряется в омах и обозначается Oм.

Если известны напряжение питания U и сопротивление электроприбора R, то с помощью выше приведенной формулы, воспользовавшись онлайн калькулятором, легко определить силу протекающего по цепи тока I.

С помощью закона Ома рассчитываются электрические параметры электропроводки, нагревательных элементов, всех радиоэлементов современной электронной аппаратуры, будь то компьютер, телевизор или сотовый телефон.

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.

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.

Формула Закона Джоуля-Ленца

Величину резистора для изготовления блока нагрузки для блока питания компьютера мы рассчитали, но нужно еще определить какой резистор должен быть мощности? Тут поможет другой закон физики, который, независимо друг от друга открыли одновременно два ученых физика. В 1841 году Джеймс Джоуль, а в 1842 году Эмиль Ленц. Этот закон и назвали в их честь – Закон Джоуля-Ленца.

Потребляемая нагрузкой мощность прямо пропорциональна приложенной величине напряжения и протекающей силе тока. Другими словами, при изменении величины напряжения и тока будет пропорционально будет изменяться и потребляемая мощность.

где

P – мощность, измеряется в ваттах и обозначается Вт;

U – напряжение, измеряется в вольтах и обозначается буквой В;

I – сила ток, измеряется в амперах и обозначается буквой А.

Зная напряжения питания и силу тока, потребляемую электроприбором, можно по формуле определить, какую он потребляет мощность. Достаточно ввести данные в окошки ниже приведенного онлайн калькулятора.

Закон Джоуля-Ленца позволяет также узнать силу тока, потребляемую электроприбором зная его мощность и напряжение питания. Величина потребляемого тока необходима, например, для выбора сечения провода при прокладке электропроводки или для расчета номинала.

Например, рассчитаем потребляемый ток стиральной машины. По паспорту потребляемая мощность составляет 2200 Вт, напряжение в бытовой электросети составляет 220 В. Подставляем данные в окошки калькулятора, получаем, что стиральная машина потребляет ток величиной 10 А.

Еще один пример, Вы решили в автомобиле установить дополнительную фару или усилитель звука. Зная потребляемую мощность устанавливаемого электроприбора легко рассчитать потребляемый ток и правильно подобрать сечение провода для подключения к электропроводке автомобиля. Допустим, дополнительная фара потребляет мощность 100 Вт (мощность установленной в фару лампочки), бортовое напряжение сети автомобиля 12 В. Подставляем значения мощности и напряжения в окошки калькулятора, получаем, что величина потребляемого тока составит 8,33 А.

Разобравшись всего в двух простейших формулах, Вы легко сможете рассчитать текущие по проводам токи, потребляемую мощность любых электроприборов – практически начнете разбираться в основах электротехники.

Преобразованные формулы Закона Ома и Джоуля-Ленца

Встретил в Интернете картинку в виде круглой таблички, в которой удачно размещены формулы Закона Ома и Джоуля-Ленца и варианты математического преобразования формул. Табличка представляет собой несвязанные между собой четыре сектора и очень удобна для практического применения

По таблице легко выбрать формулу для расчета требуемого параметра электрической цепи по двум другим известным. Например, нужно определить ток потребления изделием по известной мощности и напряжению питающей сети. По таблице в секторе тока видим, что для расчета подойдет формула I=P/U.

А если понадобится определить напряжение питающей сети U по величине потребляемой мощности P и величине тока I, то можно воспользоваться формулой левого нижнего сектора, подойдет формула U=P/I.

Подставляемые в формулы величины должны быть выражены в амперах, вольтах, ваттах или Омах.

ydoma.info