Основные законы электричества
Рассмотрим простейшую электрическую цепь, состоящую из одного элемента питания (батарейки) и одной нагрузки (лампочка).
Эту электрическую цепь можно описать с помощью следующих параметров:
НАЗВАНИЕ | ОБОЗНАЧЕНИЕ | ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ |
Напряжение источника питания | U0 | Вольты, (В) или (V) |
Напряжение на нагрузке (лампочке) | U1 | Вольты, (В) или (V) |
Сила тока в цепи | I | Амперы, (А) |
Внутреннее сопротивления источника питания | R0 | Омы, (Ом) или (Ω) |
Сопротивление нагрузки (лампочки) | R1 | Омы, (Ом) или (Ω) |
Мощность, выделившаяся на нагрузке (лампочке) | P | Ватты, (Вт) или (W) |
Для того, чтобы измерить каждый из этих параметров, существуют специальные приборы:
- Вольтметры (измеряют напряжение);
- Амперметры (измеряют силу тока);
- Омметры (измеряют сопротивление);
- Мультиметры (могут измерять как напряжение, так и силу тока с сопротивлением);
- Ваттметры (измеряют мощность).
Напряжение источника питания U0 измерять чаще всего не нужно, так как оно и так указанно на самом элементе питания. Если же напряжение неизвестно, то его можно измерить, подключив вольтметр (или мультиметр в режиме измерения напряжения) к клеммам + и – источника питания.
Обратите внимание: реальное напряжение на источнике питания может отличаться от его номинального (написанного на самом элементе) напряжения.
Для того, чтобы измерить напряжение на любом элементе электрической цепи, необходимо подключить вольтметр к клеммам этого элемента, не разрывая цепи:
Таким же способом можно измерить электрическое сопротивление R каждого элемента элемента электрической цепи. Важно! Перед измерением электрического сопротивления, нужно разорвать цепь, т.е. отключить питание на нагрузке:
Обратите внимание: выключатель на схеме, находится в выключенном положении. Для того, чтобы узнать внутреннее сопротивление элемента питания, необходимо изучить документацию, которую предоставляет производитель этих элементов. Кроме этого, электрическое сопротивление многих элементов может быть указанно на самих элементах.
Перейдём к измерению силы тока I. Для того, чтобы измерить силу тока в цепи, необходимо подключить в неё амперметр (мультиметр в режиме измерения силы тока), предварительно разорвав цепь:
ЗАКОН ОМА ДЛЯ УЧАСТКА ЦЕПИ
Для расчёта параметров электрических цепей применяется главный закон электричества – закон Ома. Он позволяет определить зависимость между силой тока, протекающего через элемент электрической цепи, с напряжением на этом элементе и его электрическим сопротивлением:
\(\mathrm{I=\frac{U}{R}}\) | I – сила тока на участке цепи |
U – напряжение на элементе цепи | |
R – сопротивление элемента цепи |
Для того, чтобы проверить закон Ома, рассчитаем ток, который должен протекать через лампочку при напряжении U1 = 1,48 В и сопротивлении R1 = 48 Ом:
\(\mathrm{I=\frac{U_{1}}{R_{1}}=\frac{1,48}{48} \approx 0,0308 ~А = 30,8~мА}\)
Это значение практически совпадает со значением, которое показал мультиметр. Разницу в значениях можно объяснить тем, что часть энергии теряется на самих соединительных проводах, приводя падению напряжения на лампочке, а значит и падению силы тока, проходящего через неё.
МОЩНОСТЬ
В ходе работы элементов электрической цепи, электрическая энергия преобразовывается в другие виды энергии (световую, механическую и т.д.). Энергию Q которую будет потреблять и преобразовывать какой-либо элемент электрической цепи можно рассчитать по одной из следующих формул:
\(\mathrm{Q=IU \Delta t}\) | \(\mathrm{Q=\frac{U^{2} \Delta t}{R}}\) | \(\mathrm{Q=I^{2}R \Delta t}\) | Q – энергия электрического тока |
Δt – время работы элемента под нагрузкой |
Мощность P электрического тока показывает – какая энергия Q выделится на участке электрической цепи за единицу времени Δt. Простыми словами, мощность – это скорость преобразования электрической энергии. Зная это, мы можем преобразовать наши формулы:
\(\mathrm{P=IU}\) | \(\mathrm{P=\frac{U^{2}}{R}}\) | \(\mathrm{P=I^{2}R}\) |
К сожалению, мир не идеален и часть электроэнергии непременно трансформируется в тепло. Из-за этого и греются компьютеры, телефоны, телевизоры и другая электроника. Поэтому потребляемая мощность и мощность, которая будет преобразована для совершения полезной работы, различаются. Любой электроприбор всегда потребляет больше энергии, нежели преобразовывает. Реальную потребляемую мощность можно рассчитать по формуле:
\(\mathrm{P=P_{W}+P_{D}}\) | P – потребляемая мощность |
PW – полезная мощность | |
PD – мощность, выделяемая в виде тепла |
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ И ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ ПОДКЛЮЧЕНИЕ
Элементы электрической цепи могут быть подключены двумя различными способами. При последовательном подключении, элементы соединяются последовательно друг за другом. Для того, чтобы подключить новый элемент, необходимо разорвать цепь и в этот разрыв подключить новую нагрузку.
При таком подключении:
Сила тока I протекающая через каждый из элементов – одинакова | \(\mathrm{I=I_{1}=I_{2}=I_{3}}\) |
Напряжение на участке цепи U будет равно сумме напряжений на каждом из элементов | \(\mathrm{U=U_{1}+U_{2}+U_{3}}\) |
Общее сопротивление участка цепи R будет равно сумме сопротивлений каждого из элементов на этом участке | \(\mathrm{R=R_{1}+R_{2}+R_{3}}\) |
Существенный недостаток такого соединения заключается в том, что при выходе из строя одного из элементов, отключится весь участок цепи. Такое часто можно наблюдать на примере новогодней гирлянды, когда перегорание одной лампочки ведёт к отключению всей гирлянды.
При параллельном подключении, элементы в цепи располагаются следующим образом:
Для того, чтобы подключить новый элемент цепи, нет необходимости разрывать цепь. Именно этот способ подключения чаще всего используется в быту.
Сила тока I в электрической цепи равна сумме сил токов на каждом из элементов. | \(\mathrm{I=I_{1}+I_{2}+I_{3}}\) |
Напряжение Uна каждом из элементов электрической цепи – одинаково. | \(\mathrm{U=U_{1}=U_{2}=U_{3}}\) |
Общее сопротивление электрической цепи R можно рассчитать по формуле: | \(\mathrm{\frac{1}{R}=\frac{1}{R_{1}}+\frac{1}{R_{2}}+\frac{1}{R_{3}}}\) |
Обратите внимание: при подключении нескольких одинаковых нагрузок, суммарное сопротивление участка электрической цепи всегда будем меньшим, нежели сопротивления каждого элемента в отдельности. Это значит, что при подключении новых элементов цепи, сила тока в этой цепи, будет расти.
КОРОТКОЕ ЗАМЫКАНИЕ
Когда электрический ток течёт по проводам, он теряет на них часть своей энергии, которая выделяется в виде тепла. Простыми словами – провода греются. Чем больший ток течёт через эти провода, тем большим становится их нагрев. Энергию, выделившуюся на проводнике можно рассчитать по закону Джоуля-Ленца:
Закон Джоуля-Ленца: | \(\mathrm{Q=I^{2}R \Delta t}\) |
Чем меньше сопротивление элемента электрической цепи, тем больший ток в ней будет течь, и тем большая мощность будет выделяться на проводах в виде тепла. Это может привести к чрезмерному нагреву этих проводов. Нагрев может быть на столько силён, что приведёт к плавлению изоляции эти проводов, в результате чего может возникнуть короткое замыкание.
При коротком замыкании, ток начинает двигаться в обход элементов электрической цепи, через закоротившие провода. При этом, ток в цепи многократно возрастает и может привести к сильному нагреву и даже плавлению металлических жил самих проводов! Короткое замыкание может возникнуть не только из-за перегрузки электрической сети, но и из-за старости проводки, изоляция которой не может надёжно защитить провода от электрических пробоев.
При коротком замыкании очень часто страдают и сами источники питания. Для батареек такое замыкание крайне опасно, оно может привести к вздутию батареек и даже их взрыву!