Напряжение электрического тока – виды, формула, единица измерения

Содержание

Напряжение электрического тока – виды, формула, единица измерения

Ток-мэн

Для характеристики действия электрического поля используют понятие «напряжение». Электрическое напряжение является физической величиной, обозначающей величину работы, которую совершает электрическое поле для изменения координаты (из точки A в точку B) заряда напряжённостью в 1 кулон. Единицу измерения напряжения принято называть Вольтом, в честь известного физика итальянского происхождения Алессандро Вольта.

Как возникает напряжение

Процесс возникновения напряжения в электрической цепи состоит из следующих этапов:

  1. Цепь, состоящую из проводников и потребителей, подключают к двум полюсам источника тока (батареи или генератора);
  2. На одном из полюсов источника (клемм батареи или контактных выводов генератора) содержится избыток электронов, на другом – недостаток. Тот полюс, на котором сконцентрировались носители заряда (электроны), принято называть положительным, в то время как второй – отрицательным.
  3. При подключении к цепи источника питания находящиеся на положительном полюсе и в проводнике свободные электроны под действием возникшего электро поля начнут притягиваться к отрицательно полюсу батареи, имеющему положительный заряд вследствие отсутствия электронов.
  4. Вследствие разности потенциалов между клеммами источника питания в проводниках и нагрузке возникнет упорядоченное движение электронов, и появится разность потенциалов определенной величины. При этом потенциал полюса с избытком электронов в случае с источниками постоянного тока постепенно уменьшается.

На заметку. Наиболее доходчиво и просто объясняет, что такое напряжение, определение, гласящее, что это разность между количеством свободных подвижных электронов на разных концах электрической цепи (клеммах источника питания).

Напряжение электрического тока – виды, формула, единица измерения Напряжение электрического тока – виды, формула, единица измерения Трехфазный переменный ток: Напряжение электрического тока – виды, формула, единица измерения Напряжение электрического тока – виды, формула, единица измерения

Разница между переменным и постоянным напряжением

Чтобы разобраться с напряжениями, возьмем для примера – постоянный и переменный электрический ток. Постоянный ток, представляет движение заряженных частиц только в одном направлении. Представьте шоссе, по которому едут много машин в одном направлении. При переменном токе, направление движения частиц меняется очень часто, но остается упорядоченным. Это же самое шоссе, только поток машин постоянно меняет направление движения на противоположное, но движется все вместе.

Читайте также: Монтаж комплекта модульно-штыревого заземления

Если говорить, о постоянном напряжении, то один конец провода всегда « + + +», а другой « − — −». Обычная батарейка, является источником постоянного напряжения. На ней всегда показано, где плюс и минус. При переменном напряжении полярности конца проводника постоянно меняются местами. Физическая величина частота отвечает сколько раз меняется полярность за единицу времени. В обычной сети частота, с которой меняется напряжение и, соответственно, направление тока равно 50 герц, т.е. 50 раз в секунду.

Переменный ток широко используется, если необходимо передать энергию на большие расстояния при минимальных потерях.

Советуем прочитать статью про электрический ток.

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:

где:

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

Напряжение электрического тока – виды, формула, единица измерения

Треугольник Ома – удобная форма формулы одноименного закона

Напряжение электрического тока – виды, формула, единица измерения Напряжение электрического тока – виды, формула, единица измерения Напряжение электрического тока – виды, формула, единица измерения

Единицы измерения

В международной системе единиц (системе СИ) единица измерения напряжения (В) названа в честь итальянского исследователя Алессандро Вольта (1745-1827г.). Так как работа измеряется в джоулях (Дж), а заряд в кулонах (К), то:

Единица измерения тока — ампер. Это одна из семи базовых единиц в системе СИ. Ток может изменяться (и измеряться) в широчайших пределах, поэтому часто используются такие внесистемные единицы, как:

  • 1 наноампер (нА) = 10-9 А;
  • 1 микроампер (мкА) = 0,000001 А;
  • 1 миллиампер (мА) = 0,001 А;
  • 1 килоампер (кА) = 1000 А.

Напряжение в цепях переменного тока

Электрическое поле — что это такое, понятие в физике

В таких бытовых и производственных цепях значение разности потенциалов на их концах непостоянно и изменяется во времени. При этом в определенный момент на одном конце цепи наблюдается максимальное значение данной характеристики, а на другом – минимальное. Графически такое изменение имеет вид синусоиды с двумя вершинами, соответствующими максимальным и минимальным значениями.

На заметку. Синусоидальную сущность разности потенциалов в данном случае можно наблюдать при помощи такого измерительного прибора, как осциллограф.

Читайте также: Основные требования, предъявляемые к релейной защите

Напряжение с точки зрения гидравлики

Все вы видели и представляете, как выглядит водонапорная башня или просто водобашня. Грубо говоря, это большой высокий “бокал”, заполненный водой.

Так вот, представим себе, что башня доверху наполнена водой. Получается, в данный момент на дне башни ого-го какое давление!

Напряжение электрического тока – виды, формула, единица измерения

водобашня, заполненная водой

А что, если слить из башни воду хотя бы наполовину? Давление на дно башни уменьшится вдвое. А давайте-ка нальем в пустую башню одно ведро воды! Давление на дно башни будет мизерное.

Представьте такую ситуацию. У нас есть водонос, а шланг мы закупорили пробкой.

Вода вроде бы готова бежать, но бежать то некуда! Пробка туго закупоривает шланг. Но на саму пробку сейчас оказывается давление, которое создает насосная станция. От чего зависит давление на пробку? Думаю понятно, что от мощности насоса. Если мощность насоса будет большая, то пробка вылетит со скоростью пули, или давление порвет шланг, если пробка туго сидит в шланге. В данном случае давление создается с помощью насоса. То есть можно сказать, что это модель башни с водой в горизонтальном положении.

Все то же самое можно сказать и про водобашню. Здесь давление на дно создается уже гравитационной силой. Как я уже говорил, давление на дне башни зависит от того, сколько воды в башне в данный момент. Если башня наполнена водой под завязку, то и давление на дне башни будет большое, и наоборот.

А теперь представьте себе какое давление на дне океана, особенно в Марианской впадине! Что можно сказать про давление в этих двух случаях? Оно вроде как есть, но молекулы воды стоят на месте и никуда не двигаются. Запомните этот момент. Давление есть, а движухи – нет.

Напряжение в цепях трёхфазного тока

Как проверить емкость аккумулятора мультиметром

В таких, используемых чаще всего на производствах, цепях, состоящих из трех фазных проводов и общей нейтрали (нуля), различают два вида разности потенциалов:

  • Линейная – между всеми фазными проводами и нейтралью;
  • Фазная – между отдельным фазным проводом и нейтралью. Величина ее в 1,732 раза (квадратный корень из 3) меньше, чем линейного.

Напряжение электрического тока – виды, формула, единица измерения

Розетка трехфазной электросети

Чему равна работа электрического поля

Отношение работы А, совершаемой любым электрическим полем при перемещении положительного заряда из одной точки поля в другую, к величине заряда q называется электрическим напряжением U между этими точками:

Можно сказать, что электрическое напряжение равно работе по перемещению заряда величиной в 1 кулон из одной точки электрического поля в другую.

Читайте также: Вещества которые не проводят электрический ток называются

Тогда для определения величины совершенной полем работы, можно получить следующее выражение:

Электроны в электрическом поле

Рис. 1. Электроны в электрическом поле.

От чего зависит напряжение

Величина описываемой в данной статье характеристики зависит от следующих факторов:

  • Материла проводников, которыми соединены потребители в той или иной сети;
  • Количества подключённых к сети потребителей: приборов, инструментов, станков;
  • Температуры окружающей среды.

Также на величину разности потенциалов влияет качество монтажа той или иной электропроводки – при неаккуратной сборке и соединении проводов, использовании некачественных предохранителей она может существенно изменятся, создавая тем самым опасность для окружающих.

Действующее значение напряжения

Значение электрического потенциала, имеющегося между двумя точками электросети, может быть определено по тому, какая работа была выполнена за некоторый временной отрезок, либо по выделенному количеству теплоты. В случае переменного напряжения поступают по-другому. Поскольку его характер колебаний имеет форму синусоидальной кривой, и максимальное значение показатель принимает на пике амплитуды (а при перемещении из плюсовой зоны кривой в минусовую напряжение нулевое), для вычислений применяют усредненный показатель. Именно его называют действующим, и он может быть приравнен к такому же значению постоянного напряжения.

Читать статью  Открытая электропроводка: особенности и варианты использования

Он меньше максимального допустимого показателя на величину, равную корню из двух от последнего (то есть примерно в 1,4 раза). У сети, имеющей номинальное напряжение 220 В, максимум, таким образом, будет равен 311 В. Эти показатели нужно учитывать, подбирая конденсаторы, диодные компоненты и другие подобные элементы для монтажа в ту или иную систему.

Напряжение электрического тока – виды, формула, единица измерения

Синусоидальное напряжение с амплитудой 310 В эквивалентно постоянному, значение которого – 210 В

Меры предосторожности при измерении напряжений электротоков

Измерение напряжения электрического токаэто очень необходимая, но при этом опасная операция, требующая соблюдения следующих мер предосторожности:

  • Все работы должны производиться с использованием исправных вольтметров и мультиметров – приборы должны показывать точное в пределах допустимой для них погрешности значение измеряемых характеристик. Не допускается применение неисправных и не прошедших своевременную поверку измерительных приборов.
  • Независимо от того, будет измеряться данная характеристика для постоянного или переменного тока, вольтметр (мультиметр) подключается к участку цепи параллельно;
  • При измерении вольт-амперных характеристик высокочастотных электросетей необходим специальный наряд-допуск. Нужен он потому, что работа с таким высоким напряжения требует наличия специальных навыков и опыта. При отсутствии такого документа самовольное выполнение работ на электроустановках может привести к административной ответственности;
  • Для измерительных работ необходимо также использование средств защиты: специальных перчаток, диэлектрических бот, электро,- и ручных инструментов с прорезиненными ручками, резиновых ковриков.

Важно! Специалисты советуют владельцам частных домов и коттеджей при отсутствии опыта в проведении подобных измерений обращаться к лицензированным в данной области организациям или к местной энергоснабжающей организации.

Напряжение электрического тока – виды, формула, единица измерения

Мультиметр и вольтметр

Также при проведении измерения на сетях с разностью потенциалов более 1000 В (1кВ) необходим физический барьер (специальная ограждающая лента), с помощью которого создается зона радиусом 5 метров вокруг токоведущего провода, жилы, электроустановки.

Таким образом, поняв, что такое напряжение как в физике, так и в быту, можно не только вникнуть в суть этой, простой на первый взгляд, характеристики электрического тока, но и, осознав ее опасность, более аккуратно и внимательно относится к выполнению электромонтажных работ.

Более наглядно понять, что называется электрическим напряжением, и в чем его суть можно по следующему видео.

Напряжение электрического тока – виды, формула, единица измерения Напряжение электрического тока – виды, формула, единица измерения Напряжение электрического тока – виды, формула, единица измерения Напряжение электрического тока – виды, формула, единица измерения Напряжение электрического тока – виды, формула, единица измерения

Определение величины напряжения

Выполняя электромонтажные работы, специалист сталкивается с разными типами напряжения. Например, розетки в квартирах и частных домах являются источниками переменного напряжения. Оно может быть понижено или повышено трансформатором, выпрямлено специальным устройством. Измерение напряжения трения производят в лабораторных условиях электрохимическим методом. Мастеру нужно знать об особенностях измерения разных видов напряжения.

Постоянное напряжение

Его можно измерить, используя магнитоэлектрические устройства. Сейчас в продаже можно найти высокоточные приборы, оснащенные цифровым дисплеем. Проще всего непосредственно подключить устройство к участку, на котором нужно провести измерения. При этом необходимо соблюдать следующие правила:

  1. Предельное значение должно превышать предполагаемый максимум. В случае, когда измерительные работы выполняются без знания этого параметра, полагается установить максимальный предел и постепенно снижать его.
  2. Учитывать полярность подсоединения. В противном случае у стрелочного прибора указатель наклонится в противоположную сторону, у цифрового – на экране высветится отрицательное число.

Напряжение электрического тока – виды, формула, единица измерения

Лабораторный вольтметр

Переменное напряжение

В этом случае в ход идут измерительные приборы разных видов, за исключением магнитоэлектрических. Работают с такими аппаратами только посредством подключения к выходу выпрямителя.

Как и чем измеряют напряжение

Напряжение измеряют с помощью прибора, который называется вольтметром. Вольтметр подключается параллельно элементу электрической цепи, где хотят измерить падение напряжения. Обозначается на схемах вольтметр в виде кружка, с расположенной внутри него буквой V.

Различные вольтметры и их обозначение на схемах

Рис. 3. Различные вольтметры и их обозначение на схемах.

Раньше все вольтметры были стрелочные, и значение напряжения показывала стрелка на шкале прибора с нанесенными цифровыми значениями. Сейчас большинство этих приборов выпускаются с электронной индикацией (светодиодной или жидкокристаллической). Сам вольтметр не должен влиять на результат измерения, поэтому его собственное сопротивление делают очень большим, чтобы через него практически не протекали заряды (электрический ток).

Напряжение тока.

Наверняка, у каждого из нас, хотя бы раз в жизни, возникали вопросы о том, что такое ток, напряжение тока, заряд и др. Все это составляющие одного большого физического понятия – электричество. Давайте, на простейших примерах, попробуем изучить основные закономерности электрических явлений.

Что такое электричество.

Электричество – это совокупность физических явлений, связанных с возникновением, накоплением, взаимодействием и переносом электрического заряда. По мнению большинства историков науки, первые электрические явления были открыты древнегреческим философом Фалесом в седьмом веке до нашей эры. Фалес наблюдал действие статического электричества: притяжение к натертому шерстью янтарю легких предметов и частичек. Чтобы повторить этот опыт самостоятельно вам необходимо потереть о шерстяную или хлопковую ткань любой пластиковый предмет (например, ручку или линейку) и поднести его к мелконарезанным кусочкам бумаги.

статическим электричеством

Первой серьезной научной работой, в которой описаны исследования электрических явлений стал трактат английского ученого Уильяма Гилберта «О магните, магнитных телах и большом магните – Земле» изданный в 1600 г. В этой работе автор описал результаты своих опытов с магнитами и наэлектризованными телами. Здесь же впервые упоминается термин электричество.

Исследования У. Гилберта дали серьезный толчок развитию науки об электричестве и магнетизме: за период с начала 17 до конца 19 века было проведено большое количество экспериментов и сформулированы основные законы, описывающие электромагнитные явления. А в 1897 году английский физик Джозеф Томсон открыл электрон – элементарную заряженную частицу, которая определяет электрические и магнитные свойства вещества. Электрон (на древнегреческом языке электрон – это янтарь) имеет отрицательный заряд примерно равный 1,602*10-19 Кл (Кулона) и массу равную 9,109*10-31 кг. Благодаря электронам и другим заряженным частицам происходят электрические и магнитные процессы в веществах.

Что такое напряжение.

Перемещение заряженных частиц в телах и веществах происходит благодаря разности потенциалов или электрическому напряжению. Напряжение (напряжение тока) — это физическая величина равная отношению работы электрического поля затраченной на перенос электрического заряда из одной точки в другую (между полюсами) к этому заряду. Напряжение измеряется в Вольтах (В) и обозначается буквой V. Для того чтобы переместить между полюсами заряд в 1 Кл, совершив при этом работу в 1 Дж (Джоуль), необходимо напряжение тока равное 1 В.

Для лучшего понимания взаимосвязей между разностью потенциалов, электрическим зарядом и током воспользуемся следующим наглядным примером. Представим емкость с трубой внизу, наполненную до определенного уровня водой. Условимся, что количество воды соответствует величине заряда, высота воды в емкости (давление столба жидкости) – это напряжение, а интенсивность выхода потока воды из трубы – это электрический ток.

Напряжение тока

Чем больше воды в резервуаре, тем больше высота столба воды и выше давление. Аналогично в электрических явлениях: чем больше величина заряда, тем выше напряжение необходимое для его переноса. Начнем выпускать воду: давление в резервуаре будет уменьшаться. Т. е. с уменьшением величины заряда – снижается напряжение тока. Также наглядно это видно при работе фонарика с начавшими разряжаться батарейками: по мере того как разряжаются батарейки яркость лампочки становится все меньше и меньше.

Электрический ток.

Электрический ток – это направленное движение заряженных частиц. Носителями заряда, при этом, могут быть электроны, ионы, протоны и дырки. Для возникновения и существования электрического тока необходимо наличие свободных заряженных частиц и наличие электрического поля. В зависимости от наличия или отсутствия заряженных частиц в веществах, они могут быть проводниками, полупроводниками и диэлектриками. Условно направлением движения тока считается направление от положительно заряженного полюса к отрицательному. На практике направление движения зараженных частиц зависит от знака их заряда: отрицательно заряженные электроны движутся от минуса к плюсу, положительно заряженные ионы – от плюса к минусу.

Напряжение тока

Количественной характеристикой электрического тока является сила тока. Сила тока обозначается буквой I и измеряется в Амперах (А). Сила тока в 1 А возникает при прохождении через поперечное сечение проводника заряда в 1 К за 1 сек.

Вернемся к примеру, с водой в емкости. Возьмем два резервуара с одинаковым уровнем воды, но разными диаметрами труб на выходе.

Напряжение тока

Сравним характер вытекания воды из обоих резервуаров: уровень воды в левом баке уменьшается быстрее, чем в правом. Т. е. интенсивность истечения воды зависит от диаметра трубы. Попробуем уравнять два потока: добавим в правый бак воду, таким образом увеличив высоту столба жидкости. Это повысит давление в правом баке и, соответственно, увеличит интенсивность истечения воды. Аналогично и в электрических цепях: с увеличением напряжения тока, увеличивается и его сила. Аналогом диаметра трубы в цепи является электрическое сопротивление проводника.

Напряжение тока

Приведенные примеры с водой наглядно демонстрируют связь между электрическим током, напряжением тока и сопротивлением.

Различают постоянный и переменный электрические токи. Если заряженные частицы постоянно движутся в одном направлении, то в цепи – постоянный ток и, соответственно, постоянное напряжение тока. Если направление движения частиц периодически меняется (они перемещаются то в одном, то в другом направлении), то это – переменный ток и возникает он, соответственно, при наличии переменного напряжения (т. е. когда разность потенциалов меняет свою полярность). Для переменного тока характерно периодическое изменение величины силы тока: она принимает то максимальное, то минимальное значения. Эти значения силы тока являются амплитудными, или пиковыми. Частота изменения полярности напряжения может быть разной. Например, в нашей стране эта частота равна 50 Герц (т. е. напряжение меняет свою полярность 50 раз в секунду), а в США частота переменного тока – 60 Гц (Герц).

Читать статью  Монтаж электропроводки в деревянном доме своими руками — пошаговая инструкция

Формула электрического напряжения для новичков от А до Я

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.

Что такое напряжение и как его легко представлять

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

Электрическое напряжение

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 h2. При этом им будет совершена работа, связанная с перемещением на расстояние h1.

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.

Формула напряжения

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.

Солнечная панель

Аккумуляторная батарея

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.

Треугольник закона Ома

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.

Шпаргалка 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).

Трансформаторная подстанция

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.

Система заземления TN-C

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

Система заземления TN-S

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.

Принцип работы генератора переменного тока

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

Синусоида характеризуется следующим параметрами:

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

Синусоидальный сигнал

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

Сдвиг по фазе

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.

Действующее напряжение

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.

Импульсное напряжение

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.

Трехфазное напряжение

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.

Схема трехфазного подключения

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.

Читать статью  Как выбрать электрический кабель для внутренней проводки

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.

Обрыв нуля в однофазной сети

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.

Обрыв нуля в трехфазной сети

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).

Все приборы в квартире подключены параллельно. Чем больше их в работе, тем выше суммарная мощность потребления и ниже сопротивление. По оборудованию обоих квартир течет один и тот же ток. К ним прикладывается напряжение, зависящее от сопротивления.

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 к приборам будет приложено очень высокое напряжение порядка 380 В;
  2. во второй квартире электрооборудование станет запитано от очень низкого напряжения. Оно станет работать на износ или отключится.

Расточительный хозяин останется без света до устранения неисправности, а у бережливого 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.

Рейтинг статьи

5 / 5 ( 5 голосов )
Просмотров страницы: 27244

Рекомендуем прочитать:

Биполярный транзистор что такое

Тиристоры принципы работы

Как работает полевой транзистор

Комментарии 11

Владислав

Спасибо за отличную статью! Но мне кажется, что приборы выдут из стороя в квартире с бережливыми жильцами, т.к. у не бережливых R нагрузки будет меньше. Приборы в квартире подключены паралельно, а не последовательно, соответственно, чем больше приборов подключены к сети, тем меньше суммарное R нагрузки, больше ток и потребляемая мощность.

Алексей

Владислав, благодарю за комментарий и замечание!
Вы правы! Позор на мою седую голову: думал об одном, а написал совсем противоположное…это называется человеческий фактор. Только поэтому ответственные оперативные переключения выполняют минимум три человека, два из которых осуществляют функцию контроля.
Буду исправляться.

Владислав

Ещё раз огромное спасибо за ваши шикарные статьи, написанные доступным языком!

Алексей

Да уж…коммент…прям стимул не забрасывать сей эксперимент. Благодарю

tipa

…физику за 8-й класс отправить изучать, срочно! Площадь прямоугольника, одинаковая с аркой синуса, и действующая мощность,- не есть равнозначные .
величины, Картинка всё объясняет.
f2.mylove.ru/8_1XfuiJ2sGl3e4vr.jpg

Алексей

Здравствуйте, tipa.
Измерением площадей занимаются геометрия и математика. В статье я показал, что за действующее напряжение принимается величина, меньшая амплитудного значения. Она вычисляется, как вы показали на графике по формуле Uд=0,707 Uа.
Уточните, что не так написано в статье? Я показываю, что берется интеграл от половины синусоиды. Эта площадь делится на ширину. Получаем высоту, идентичную действию постоянного тока. Посему она и названа действующей.

tipa

Привет,Алексей!
Статья весьма познавательна и содержательна. Нет
«воды», мямлянья, и т.п. Вам лично-респект за проделанную работу. Особенно заостряюсь на обрыве нуля на подстанции 10/0,4 кв., когда в одних домах (а я живу в деревне, выйдя на пенсию) холодильники идут на взлёт, в других-горят пусковые релюшки и движки.
Не стал бы заморачиваться с комментами, когда бы сам не столкнулся с этой тонкостью, при подсчёте мощности «обрезанного синуса», работая в программе «Мультисим 14.2».
Формулы нашёл здесь:
en.ppt-online.org/78184. Изначальное различие хорошо пояснено здесь:
cf.ppt-online.org/files/slide/d/dEf8iThSpPbnxeU1v5lmyXLkBV0c9sZtIaRHzw/slide-4.jpg поначалу интегрировал кусок синусоиды, то есть вычислял её площадь отсечённого куска, затем делил на полпериода. а это есть среднее напряжение , а нужнО-среднеквадратичное. Среднее и среднеквадратичное дают разные мощности, ближе к истине- среднеквадратичное, почему его и приняла на вооружение вся электротехника земного шара. «Я показываю, что берется интеграл от половины синусоиды».(вас цитирую), но не интеграл от половины синуса, а квадратики напряжения(зависящие от t) за бесконечно малые моменты времени-dt, в чем вся соль. Простому обывателю это не интересно, да и разница в мощностях — небольшая, в пределах погрешностей натуральных измерений. Для блогера же это — принципиально.
Желаю удачи. Статье всё равно ставлю 5 звёзд.

tipa

формУлы в лекциях сидят на странице семьдесЯт

Алексей

Тяжелый поиск документа по таким ссылкам, не каждый доберется…
Эта статья написана для начинающих электриков и у меня не было особого желания запутывать их сложным материалом. Видимо зря так поступил…
Среднее значение обозначается термином AVG, является постоянной составляющей сигнала. Среднее значение используют при расчетах электрических схем, которые выделяют из переменного сигнала постоянную величину. Например, LC фильтр, RC цепочка…
Действующее или эффективное, среднеквадратичное напряжение (RMS) определяют по тепловому воздействию на чисто активной нагрузке. При этом его сравнивают с постоянным напряжением. создающим такой же нагрев за тот же промежуток времени в аналогичных условиях окружающей среды.
При таких расчетах приходится учитывать форму сигнала (синус, меандр, отрезанный тиристором синус, треугольник, трапеция, прямоугольник и т п), создающие потери энергии.
Для расчета среднеквадратичного напряжения можно воспользоваться соответствующими формулами или онлайн-калькуляторами.
Начинающим электрикам важно понимать, что действующее напряжение названо так потому, что при приложении синусоиды к сопротивлению оно по закону Ома создает ток, совершающий работу.
Например, измерительная головка аналогового вольтметра отклоняет стрелку на величину угла, проградуированного в делениях среднеквадратичной величины, а не амплитудной. Аналогично калибруются цифровые приборы.
Амплитуда, или же пиковое максимальное значение на практике учитывается для того, чтобы учесть диэлектрические свойства слоя изоляции. Оно не должно его пробить. Например, бытовая сеть 220 вольт по существующим нормативам может иметь напряжение от 207 до 253 вольт. И это нормально. Но при этом пиковое значение синусоиды будет превышать величину 300 вольт. Чтобы не создать короткое замыкание пробоем изоляции последнюю создают с запасом минимум на 1000 вольт и проверяют мегаомметром.
Опытным электрикам, занимающимся расчетом сложных электрических цепей приходится постоянно учитывать разницу между средним и среднеквадратичным напряжением, а обычным людям достаточно понимать разницу между действующей и амплитудной величиной.

Николай Куликов

Источник https://tokman.ru/osnovy/napryazhenie-eto.html

Источник https://www.calc.ru/Napryazheniye-Toka.html

Источник https://electrikblog.ru/formula-elektricheskogo-napryazheniya-dlya-novichkov/

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: