Мощность тока выделяющаяся на резисторе формула: расчет мощности, формула, как определить по внешнему виду

Расчет простых цепей постоянного тока

В электротехнике принято считать, что простая цепь – это цепь, которая сводится к цепи с одним источником и одним эквивалентным сопротивлением. Свернуть цепь можно с помощью эквивалентных преобразований последовательного, параллельного и смешанного соединений. Исключением служат цепи, содержащие более сложные соединения звездой и треугольником. Расчет цепей постоянного тока производится с помощью закона Ома и Кирхгофа.  

Пример 1

  Два резистора подключены к источнику постоянного напряжения 50 В, с внутренним сопротивлением r= 0,5 Ом. Сопротивления резисторов  R₁ = 20 и R₂ = 32 Ом. Определить ток в цепи и напряжения на резисторах.

Так как резисторы подключены последовательно, эквивалентное сопротивление будет равно их сумме. Зная его, воспользуемся законом Ома для полной цепи, чтобы найти ток в цепи. 

Теперь зная ток в цепи, можно определить падения напряжений на каждом из резисторов. 

Проверить правильность решения можно несколькими способами. Например, с помощью закона Кирхгофа, который гласит, что сумма ЭДС в контуре равна сумме напряжений в нем. 

Но с помощью закона Кирхгофа удобно проверять простые цепи, имеющие один контур. Более удобным способом проверки является баланс мощностей.

В цепи должен соблюдаться баланс мощностей, то есть энергия отданная источниками должна быть равна энергии полученной приемниками. 

Мощность источника определяется как произведение ЭДС на ток, а мощность полученная приемником как произведение падения напряжения на ток.

Преимущество проверки балансом мощностей в том, что не нужно составлять сложных громоздких уравнений на основании законов Кирхгофа, достаточно знать ЭДС, напряжения и токи в цепи.

Пример 2

  Общий ток цепи, содержащей два соединенных параллельно резистора R₁=70 Ом и R₂=90 Ом, равен 500 мА. Определить токи в каждом из резисторов.

Два последовательно соединенных резистора ничто иное, как делитель тока. Определить токи, протекающие через каждый резистор можно с помощью формулы делителя, при этом напряжение в цепи нам не нужно знать, потребуется лишь общий ток и сопротивления резисторов. 

Токи в резисторах 

В данном случае удобно проверить задачу с помощью первого закона Кирхгофа, согласно которому сумма токов сходящихся, в узле равна нулю.

Если у вас возникли затруднения, прочтите статью законы Кирхгофа.

Если вы не помните формулу делителя тока, то можно решить задачу другим способом. Для этого необходимо найти напряжение в цепи, которое будет общим для обоих резисторов, так как соединение параллельное. Для того чтобы его найти, нужно сначала рассчитать сопротивление цепи 

А затем напряжение 

Зная напряжения, найдем токи, протекающие через резисторы 

Как видите, токи получились теми же.

Пример 3

  В электрической цепи, изображенной на схеме R₁=50 Ом, R₂=180 Ом, R₃=220 Ом. Найти мощность, выделяемую на резисторе R₁, ток через резистор R₂, напряжение на резисторе R₃, если известно, что напряжение на зажимах цепи 100 В.

Чтобы рассчитать мощность постоянного тока, выделяемую на резисторе R₁, необходимо определить ток I₁, который является общим для всей цепи. Зная напряжение на зажимах и эквивалентное сопротивление цепи, можно его найти.

Эквивалентное сопротивление и ток в цепи 

Отсюда мощность, выделяемая на R₁ 

Ток I₂ определим с помощью формулы делителя тока, учитывая, что ток I₁ для этого делителя является общим 

Так как, напряжение при параллельном соединении резисторов одинаковое, найдем U₃, как напряжение на резисторе R₂ 

Таким образом производится расчет простых цепей постоянного тока.

1.2. Основные характеристики резисторов | Электротехника

Номинальной величиной сопротивления называют ука­зываемое на резисторе значение сопротивле­ния, являющееся средним для данной совокупности.

Для расчета сопротивления резистора можно использовать формулу:

R = r ,                                                             (1.1)

где S – площадь поперечного сечения резистора, равная S = ab, если резистор сделан из ленты шириной а и толщиной b; и S = (pD²) / 4 – если резистор выполнен из круглой проволоки; r – удельное сопротивление резистора; l – длина резистора.

Если резистор выполнен из нескольких участков (по типу пленочного), то сопротивление будет определяться формой последовательного или параллельного соединения участков. Например, для резистора, состоящего из трех участков (рис. 1.2), сопротивление участков пленки R₁ и R_2, соединенных последовательно, определяется суммой: R_å = R₁ + R₂, а участки R_å и R₃ соединены параллельно, поэтому для них результирующая расчетная формула будет иметь вид:

R = ,                              (1.2)

где R₁, R₂, R_{3 –} сопротивления соответствующих участков пленочного резистора.

Допуском называют установленные для данной совокупности ре­зисторов предельные отклонения от номинальной величины сопро­тивления.

Номинальной мощностью рассеяния называют мак­симально допустимую мощность, которую резистор может рассеи­вать при непрерывной электрической нагрузке и заданной темпера­туре окружающей среды, не изменяя параметров свыше норм, ус­тановленных техническими условиями.

Электрической прочностью резистора называют пре­дельное рабочее напряжение, которое кратковременно прикладывается к выводам резисто­ра без нарушения его работоспособности. Максимальное напряжение, которое может быть подано на резистор, не должно превышать значения, рассчитанного, исходя из номинальной мощности рассеяния и сопротивления:

P_ном = U_max² /R,                                                      (1.3)

откуда                                                     U_max =,

где R = R_{T –} ∆R – сопротивление резистора с учетом температурных изменений сопротивления. Для определения R_T существует формула:

R_T = R[1 + a(T – 20)],                                               (1.4)

где a – температурный коэффициент сопротивления резистора.

Допустимое напряжение резистора (U_доп) – характеристика, определяющая верхнюю границу использования резистора по напряжению. Для понимания этой характеристики можно воспользоваться упрощенной эквивалентной схемой резистора (рис. 1.3), а также формулой для расчета U_доп:

U_доп = ,                                               (1.5)

где P – мощность, выделяющаяся на резисторе; R_н – номинальное сопротивление; w = 2pf – круговая частота; С_{п –} паразитная емкость.

Уровень собственных шумов резистора определяется переменным электрическим напряжением на его зажимах вслед­ствие теплового изменения объемной концентрации электронов в его проводящем элементе. Кроме тепловых шумов, в проводящем элементе резистора с зернистой структурой возникают токовые шумы, связанные с изме­нением контактных сопротивлений между зернами проводящего элемента. 

Температурный коэффициент сопротивления резистора (ТКR или a) определяет изменение величины сопротивления резистора при изменении температуры на 1 °С.

Коэффициент напряжения характеризует нелинейную зависимость величины сопротивления резистора от приложенного напряжения, проявляющуюся в неметаллических проводящих эле­ментах. Для реостатов важной характеристикой является падение напряжения, для определения которого может быть использована формула :

∆U = IR,                                                             (1.6)

где I = jS; j – плотность
тока, S – площадь сечения резистора.

Стабильность резисторов характеризуется изменением величины сопротивления в результате влияния как внешних (влаж­ности, температуры), так и внутренних (физико-химических про­цессов в проводящем слое) факторов. Эти изменения могут быть как обратимыми (свойства резисторов восстанавливаются при прекращении действия воз­буждающего фактора), так и необратимыми (свойства резисторов не восстанавлива­ются).

Одним из сильнодействующих факторов, влияющих на стабильность резисторов, является влажность, вызывающая как обратимые, так и необратимые изменения сопротивления.

Стабильность резисторов к действию влаги оценивается коэффициентом влагостойкости, выражающим относительное изменение величины сопротивления резистора в условиях повышенной влаж­ности, по сравнению с величиной сопротивления в нормальных ус­ловиях за определенный период времени.

Старение резисторов характеризуется изменением величины сопротивления резистора от времени и происходит как при хранении, так и при эксплуатации. Причинами старения являются локальные перегревы проводящего элемента, электролитические процессы, процессы деструкции материалов под действием электрического поля, нагрева и неблагоприятных воздействий окружающей среды (влажности, химического загрязнения, солнечного света и др.).

ВЫВОД: основной характеристикой резисторов является сопротивление. Кроме номинального значения сопротивления, для резисторов важны такие характеристики как допуск, номинальная мощность рассеяния, электрическая прочность, температурный коэффициент сопротивления, уровень шумов, стабильность резисторов (в том числе стойкость к старению).

его формулировка и применение. Выбор проводов для цепей

Задача по теме «Законы постоянного тока». Задача может быть интересна учащимся 10-х классов и выпускникам для подготовки к ЕГЭ. Кстати, подобного рода задача была на ЕГЭ в части 1 с несколько иным вопросом (необходимо было найти отношение количеств теплоты, выделяющихся на резисторах).

На каком из резисторов выделится наибольшее (наименьшее) количество теплоты? R1 = R4 = 4 Ом, R2 = 3 Ом, R3 = 2Ом. Дать решение. Чтобы ответить на вопрос задачи, необходимо сравнить количество теплоты, выделяющееся на каждом их резисторов. Для этого воспользуемся формулой закона Джоуля — Ленца. То есть основной задачей будет являться определение силы тока (или сравнение), протекающей через каждый резистор.

Согласно законам последовательного соединения, сила тока, протекающая через резисторы R1 и R2, и R3 и R4, одинаковая.Чтобы определить силу тока в верхней и в нижней ветвях, воспользуемся законом параллельного соединения, согласно которому, напряжение на этих ветвях одинаковое.Расписывая напряжение на нижней и верхней ветвях по закону Ома для участка цепи, имеем:
Подставляя численные значения сопротивлений резисторов, получаем:То есть получаем соотношение между токами, протекающими в верхней и в нижней ветви:Определив силу тока через каждый из этих резисторов, определяем количество теплоты, выделяющееся на каждом из резисторов.Сравнивая числовые коэффициенты, приходим к выводу, что максимальное количество теплоты выделится на четвёртом резисторе, а минимальное количество теплоты — на втором.

Вы можете оставить комментарий, или поставить трэкбек со своего сайта.

Написать комментарий

fizika-doma.ru

Тепловая мощность — формула расчета

С теплотехническими расчётами приходится сталкиваться владельцам частных домов, квартир или любых других объектов. Это основа основ проектирования зданий.

Понять суть этих расчётов в официальных бумагах, не так сложно, как кажется.

Для себя также можно научиться выполнять вычисления, чтобы решить, какой утеплитель применять, какой толщины он должен быть, какой мощности приобретать котёл и достаточно ли имеющихся радиаторов на данную площадь.

Ответы на эти и многие другие вопросы можно найти, если понять, что такое тепловая мощность. Формула, определение и сферы применения – читайте в статье.

Что такое тепловой расчет?

Если говорить просто, тепловой расчёт помогает точно узнать, сколько тепла хранит и теряет здание, и сколько энергии должно вырабатывать отопление, чтобы поддерживать в жилье комфортные условия.

Оценивая теплопотери и степень теплоснабжения, учитываются следующие факторы:

1. Какой это объект: сколько в нём этажей, наличие угловых комнат, жилой он или производственный и т. д.
2. Сколько человек будет «обитать» в здании.
3. Важная деталь — это площадь остекления. И размеры кровли, стен, пола, дверей, высота потолков и т. д.
4. Какова продолжительность отопительного сезона, климатические характеристики региона.
5. По СНиПам определяют нормы температур, которые должны быть в помещениях.
6. Толщина стен, перекрытий, выбранные теплоизоляторы и их свойства.

Могут учитываться и другие условия и особенности, например, для производственных объектов считаются рабочие и выходные дни, мощность и тип вентиляции, ориентация жилья по сторонам света и др.

Для чего нужен тепловой расчет?

Как умудрялись обходиться без тепловых расчётов строители прошлого?

Сохранившиеся купеческие дома показывают, что всё делалось просто с запасом: окна поменьше, стены — потолще. Получалось тепло, но экономически не выгодно.

Теплотехнический расчёт позволяет строить наиболее оптимально. Материалов берётся ни больше — ни меньше, а ровно столько, сколько нужно. Сокращаются габариты строения и расходы на его возведение.

Вычисление точки росы позволяет строить так, чтобы материалы не портились как можно дольше.

Для определения необходимой мощности котла также не обойтись без расчётов. Суммарная мощность его складывается из затрат энергии на обогрев комнат, нагрев горячей воды для хозяйственных нужд, и способности перекрывать теплопотери от вентиляции и кондиционирования. Прибавляется запас мощности, на время пиковых холодов.

При газификации объекта требуется согласование со службами. Рассчитывается годовой расход газа на отопление и общая мощность тепловых источников в гигакалориях.

Нужны расчёты при подборе элементов отопительной системы. Обсчитывается система труб и радиаторов – можно узнать, какова должна быть их протяжённость, площадь поверхности. Учитывается потеря мощности при поворотах трубопровода, на стыках и прохождении арматуры.

При расчетах затрат тепловой энергии могут пригодиться знания, как перевести Гкал в Квт и обратно. В следующей статье подробно рассмотрена эта тема с примерами расчета.

Полный расчет теплого водяного пола приведен в этом примере.

Знаете ли вы, что количество секций радиаторов отопления не берется «с потолка»? Слишком малое их количество приведет к тому, что в доме будет холодно, а чрезмерно больше создаст жару и приведет к чрезмерной сухости воздуха. По ссылке http://microklimat.pro/sistemy-otopleniya/raschet-sistem-otopleniya/kolichestva-sekcij-radiatorov.html приведены примеры правильного расчета радиаторов.

Расчет тепловой мощности: формула

Рассмотрим формулу и приведем примеры, как произвести расчет для зданий с разным коэффициентом рассеивания.

Vx(дельта)TxK= ккал/ч (тепловая мощность), где:

• Первый показатель «V» – объем рассчитываемого помещения;
• Дельта «Т» — разница температур – это та величина, которая показывает насколько градусов внутри помещения теплее, чем снаружи;
• «К» — коэффициент рассеивания (его еще называют «коэффициент пропускания тепла»). Величина берется из таблицы. Обычно цифра колеблется от 4 до 0,6.

Примерные величины коэффициента рассеивания для упрощенного расчёта

• Если это неутепленный металлопрофиль или доска то «К» будет = 3 – 4 единицы.
• Одинарная кирпичная кладка и минимальное утепление – «К» = от 2 до 3-ёх.
• Стена в два кирпича, стандартное перекрытие, окна и
• двери – «К» = от 1 до 2.
• Самый теплый вариант. Стеклопакеты, кирпичные стены с двойным утеплителем и т. п. – «К» = 0,6 – 0,9.

Более точный расчет можно произвести, высчитывая точные размеры отличающихся по свойствам поверхностей дома в м2 (окна, двери и т. д.), производя расчёт для них отдельно и складывая получившиеся показатели.

Пример расчета тепловой мощности

Возьмем некое помещение 80 м2 с высотой потолков 2,5 м и посчитаем, какой мощности котел нам потребуется для его отопления.

Вначале высчитываем кубатуру: 80 х 2,5 = 200 м3. Дом у нас утеплен, но недостаточно – коэффициент рассеивания 1,2.

Морозы бывают до -40 °C, а в помещении хочется иметь комфортные +22 градуса, разница температур (дельта «Т») получается 62 °C.

Подставляем в формулу мощности тепловых потерь цифры и перемножаем:

200 х 62 х 1,2 = 14880 ккал/ч.

Полученные килокалории переводим в киловатты, пользуясь конвертером:

• 1 кВт = 860 ккал;
• 14880 ккал = 17302,3 Вт.

Округляем в большую сторону с запасом, и понимаем, что в самый сильный мороз -40 градусов нам потребуется 18 кВт энергии в час.

Умножаем периметр дома на высоту стен:

(8 + 10) х 2 х 2,5 = 90 м2 поверхности стены + 80 м2 потолок = 170 м2 поверхности, контактирующей с холодом. Теплопотери, высчитанные нами выше, составили 18 кВт/ч, делим поверхность дома на расчетную израсходованную энергию получаем, что 1 м2 теряет примерно 0,1 кВт или 100 Вт ежечасно при температуре на улице -40 °C, а в помещении +22 °С.

Эти данные могут стать основой для расчёта требуемой толщины утеплителя на стены.

Приведем другой пример расчета, он в некоторых моментах сложнее, но более точный.

Формула:

Q = S x (дельта)T / R:

• Q– искомая величина теплопотерь дома в Вт;
• S– площадь охлаждающих поверхностей в м2;
• T– разница температур в градусах Цельсия;
• R– тепловое сопротивление материала (м2 х К/Вт) (Метры квадратные умноженные на Кельвин и делёный на Ватт).

Итак, чтобы найти «Q» того же дома, что и в примере выше, подсчитаем площадь его поверхностей «S» (пол и окна считать не будем).

• «S» в нашем случае = 170 м2, из них 80 м2 потолок и 90 м2 — стены;
• T = 62 °С;
• R– тепловое сопротивление.

Ищем «R» по таблице тепловых сопротивлений или по формуле. Формула для расчета по коэффициенту теплопроводности такая:

R= H/ К.Т. (Н – толщина материала в метрах, К.Т. – коэффициент теплопроводности).

В этом случае, дом у нас имеет стены в два кирпича обшитые пенопластом толщиной 10 см. Потолок засыпан опилками толщиной 30 см.

Отопительную систему частного дома нужно устраивать с учетом экономии средств на энергоносители. Расчет системы отопления частного дома, а также рекомендации по выбору котлов и радиаторов — читайте внимательно.

Чем и как утеплить деревянный дом изнутри, вы узнаете, прочитав эту информацию. Выбор утеплителя и технология утепления.

Из таблицы коэффициентов теплопроводности (измеряется Вт / (м2 х К) Ватт делёный на произведение метра квадратного на Кельвин). Находим значения для каждого материала, они будут:

• кирпич — 0,67;
• пенопласт – 0,037;
• опилки – 0,065.

Подставляем данные в формулу (R= H/ К.Т.):

• R (потолка 30 см толщиной) = 0,3 / 0,065 = 4,6 (м2 х К) / Вт;
• R (кирпичной стены 50 см) = 0,5 / 0,67 = 0,7 (м2 х К) / Вт;
• R (пенопласт 10 см) = 0,1 / 0,037 = 2,7 (м2 х К) / Вт;
• R (стен) = R(кирпич) + R(пенопласт) = 0,7 + 2,7 = 3,4 (м2 х К) / Вт.

Теперь можем приступить к расчету теплопотерь «Q»:

• Q для потолка = 80 х 62 / 4,6 = 1078,2 Вт.
• Q стен = 90 х 62 / 3,4 = 1641,1 Вт.
• Остается сложить 1078,2 + 1641,1 и перевести в кВт, получается (если сразу округлить) 2,7 кВт энергии за 1 час.

Можно обратить внимание, насколько большая разница получилась в первом и втором случае, хотя объём домов и температура за окном в первом и втором случае были совершенно одинаковыми.

Всё дело в степени утомлённости домов (хотя, конечно, данные могли быть и иными, если бы мы рассчитывали пол и окна).

Заключение

Приведённые формулы и примеры показываю, что при теплотехнических расчётах очень важно учитывать как можно больше факторов, влияющих на теплопотери. Сюда входит и вентиляция, и площадь окон, степень их утомлённости и т. д.

А подход, когда на 10 м2 дома берётся 1 кВт мощности котла – слишком приблизительный, чтобы всерьёз опираться на него.

Видео на тему

microklimat.pro

13 Тепловой расчет

10. Тепловой расчет.

Конструкция ИМС должна быть такой, чтобы теплота, выделяющаяся при ее функционировании, не приводила в наиболее неблагоприятных условиях эксплуатации к отказам элементов в результате перегрева. К основным тепловыделяющим элементам следует отнести, прежде всего, резисторы, активные элементы и компоненты. Мощности, рассеиваемые конденсаторами и индуктивностями, невелики. Пленочная коммутация ИМС, благодаря малому электрическому сопротивлению и высокой теплопроводности металлических пленок, способствует отводу теплоты от наиболее нагретых элементов и выравниванию температуры платы ГИС и кристалла полупроводниковой ИМС.

Рис. 10.1. Вариант крепления платы на корпус.

Тепловой расчёт резисторов.

Тепловое сопротивление резистора вычислим по формуле (10.1)

п = 0.03 [Вт/см °С] — коэффициент теплопроводности материала подложки;

δп = 0.06 см – толщина платы.

RT=0.06/0.03=2 см2∙°С/Вт

Рассчитаем температуру пленочных резисторов по формуле

PR – мощность, выделяемая на резисторе;

SR – площадь, занимаемая резистором на плате;

P0 – суммарная мощность, выделяемая всеми компонентами микросхемы;

Sп – площадь платы.

PR = 0.43 мВт – мощность выделяемая на резисторе;

SR = 0.426мм2 – площадь занимаемая резистором;

Sn = 80 мм2 – площадь платы;

RT = 2 см2∙°С/Вт – тепловое сопротивление резистора;

Токр.ср = 40С – максимальная температура окружающей среды;

T = 125С = максимально допустимая температура пленочных резисторов.

TR=(0.43∙10-3∙200)/0.426+(24.82∙10-3∙200)/80+40=40.26 С

Температура остальных резисторов рассчитывается аналогично с помощью программы MathCad. Результаты расчётов представлены в Таблице10.1

Таблица. 10.1

Из таблицы видно, что для всех пленочных резисторов заданный тепловой режим соблюдается.

Тепловой расчет для навесного элемента.

Тепловое сопротивление будет вычисляться по формуле:

k = 0.003 [Вт/см °С] — коэффициент теплопроводности клея;

δк1 = 0.01 см – толщина клея.

Rт=(0.06/0.03)+(0.01/0.003)=5.33 см2∙°С/Вт

Рассчитаем температуру навесного элемента по формуле:

Расчет транзистор КТ202А, VT14

Pнэ = 2,6 мВт – мощность выделяемая на транзисторе;

Sнэ = 0,49 мм2 – площадь занимаемая транзистором;

P0 = 24.82 мВт – мощность выделяемая всеми компонентами платы;

Sn = 80 мм2 – площадь платы;

Т0С = 40С – максимальная температура окружающей среды;

T = 85С = максимально допустимая температура транзистора.

Tнэ=(2.6∙10-3∙533)/0.49+(24.82∙10-3∙533)/80+40=42.99С

Следовательно заданный тепловой режим соблюдается.

Температура остальных транзисторов рассчитывается аналогично с помощью программы MathCad. Результаты расчётов представлены в Таблице10.2

Таблица 10.2

Из таблицы видно, что для всех транзисторов заданный тепловой режим соблюдается. Следовательно и тепловые условия для всей схемы выполняются.

studfiles.net

Тепловая мощность электрического тока и ее практическое применение

Причина нагревания проводника кроется в том, что энергия движущихся в нем электронов (иными словами, энергия тока) при последовательном столкновении частиц с ионами молекулярной решётки металлического элемента преобразуется в тёплый тип энергии, или Q, так образуется понятие «тепловая мощность».

Работу тока измеряют с помощью международной системы единиц СИ, применяя к ней джоули (Дж), мощность тока определяют как «ватт» (Вт). Отступая от системы на практике, могут применять в том числе и внесистемные единицы, измеряющие работу тока. Среди них ватт-час (Вт × ч), киловатт-час (сокращённо кВт × ч). Например, 1 Вт × ч обозначает работу тока с удельной мощностью 1 ватт и длительностью времени на один час.

Если электроны движутся по неподвижному проводнику из металла, в этом случае вся полезная работа вырабатываемого тока распределяется на нагревание металлической конструкции, и, исходя из положений закона сохранения энергии, это можно описать формулой Q=A=IUt=I2Rt=(U2/R)*t. Такие соотношения с точностью выражают известный закон Джоуля-Ленца. Исторически он впервые был определён опытным путём учёным Д. Джоулем в середине 19-го века, и в то же время независимо от него ещё одним учёным — Э.Ленцем. Практическое применение тепловая мощность нашла в техническом исполнении с изобретения в 1873 году русским инженером А. Ладыгиным обыкновенной лампы накаливании.

Тепловая мощность тока задействуется в целом ряде электрических приборов и промышленных установок, а именно, в тепловых измерительных приборах, нагревательного типа электрических печках, электросварочной и инвенторной аппаратуре, очень распространены бытовые приборы на электрическом нагревательном эффекте – кипятильники, паяльники, чайники, утюги.

Находит себя тепловой эффект и в пищевой промышленности. С высокой долей использования применяется возможность электроконтактного нагрева, что гарантирует тепловая мощность. Он обуславливается тем, что ток и его тепловая мощность, оказывая влияние на пищевой продукт, который обладает определённой степенью сопротивления, вызывает в нем равномерное разогревание. Можно привести в пример то, как производятся колбасные изделия: через специальный дозатор мясной фарш поступает в металлические формы, стенки которых одновременно служат электродами. Здесь обеспечивается постоянная равномерность нагрева по всей площади и объёму продукта, поддерживается заданная температура, сохраняется оптимальная биологическая ценность пищевого продукта, вместе с этими факторами длительность технологических работ и расход энергии остаются наименьшими.

Удельная тепловая мощность электрического тока (ω), иными словами — количество теплоты, что выделяется в единице объёма за определённую единицу времени, рассчитывается следующим образом. Элементарный цилиндрический объём проводника (dV), с поперечным проводниковым сечением dS, длиной dl, параллельной направлению тока, и сопротивлением составляют уравнения R=p(dl/dS), dV=dSdl.

Согласно определениям закона Джоуля-Ленца, за отведённое время (dt) во взятом нами объёме выделится уровень теплоты, равный dQ=I2Rdt=p(dl/dS)(jdS)2dt=pj2dVdt. В таком случае ω=(dQ)/(dVdt)=pj2 и, применяя здесь закон Ома для установления плотности тока j=γE и соотношение p=1/γ, мы сразу получаем выражение ω=jE= γE2. Оно в дифференциальной форме даёт понятие о законе Джоуля-Ленца.

fb.ru

Страничка эмбеддера » Тепловые расчеты

Все электронные компоненты выделяют тепло, поэтому умение рассчитывать радиаторы так, чтобы не пролетать в прикидках на пару порядков очень полезно любому электронщику.

Тепловые расчеты очень просты и имеют очень много общего с расчетами электронных схем. Вот, посмотрите на обычную задачу теплового расчета, с которой я только что столкнулся

Задача

Нужно выбрать радиатор для 5-вольтового линейного стабилизатора, который питается от 12вольт максимум и выдает 0.5А. Максимальная выделяемая мощность получается (12-5)*0.5 = 3.5Вт

Погружение в теорию

Для того, чтобы не плодить сущностей, люди почесали тыковку и поняли, что тепло очень похоже на электрической ток, и для тепловых расчетов можно использовать обычный закон Ома, только

Напряжение (U) заменяется температурой (T)

Ток (I) заменяется мощностью (P)

Сопротивление заменяется тепловым сопротивлением. Обычное сопротивление имеет размерность Вольт/Ампер, а тепловое – °C/Ватт

В итоге, закон Ома заменяется на свой тепловой аналог:

Небольшой замечание – для того, чтобы обозначить, что имеется ввиду тепловое (а не электрическое) сопротивление, к букве R, дописывают букву тэта:на клавиатуре у меня такой буквы нет, а копировать из таблицы символов лень, поэтому я буду пользоваться просто буквой R.

Продолжаем

Тепло выделяется в кристалле стабилизатора, а наша цель – не допустить его перегрева (не допустить перегрева именно кристалла, а не корпуса, это важно!).

До какой температуры можно нагревать кристалл, написано в даташите:

Обычно, предельную температуру кристалла называют Tj (j = junction = переход – термочувствительные внутренности микросхем в основном состоят из pn переходов. Можно считать, что температура переходов равна температуре кристалла)

Без радиатора

Тепловая схема выглядит очень просто:

Специально для случаев использования корпуса без радиатора, в даташитах пишут тепловое сопротивление кристалл-атмосфера (Rj-a) (что такое j вы уже в курсе, a = ambient = окружающая среда)

Заметьте, что температура “земли” не нулевая, а равняется температуре окружающего воздуха (Ta). Температура воздуха зависит от того, в каких условиях находится радиатор Если стоит на открытом воздухе, то можно положить Ta = 40 °C, а вот, если в закрытой коробке, то температура может быть значительно выше!

Записываем тепловой закон Ома: Tj = P*Rj-a + Ta. Подставляем P = 3.5, Rj-a = 65, получаем Tj = 227.5 + 40 = 267.5 °C. Многовато, однако!

Цепляем радиатор

Тепловая схема нашего примера со стабилизатором на радиаторе становится вот такой:

• Rj-c – сопротивление от кристалла до теплоотвода корпуса (c = case = корпус). Дается в даташите. В нашем случае – 5 °C/Вт – из даташита
• Rc-r – сопротивление корпус-радиатор. Тут не все так просто. Это сопротивление зависит от того, что находится между корпусом и радиатором. К примеру, силиконовая прокладка имеет коэффициент теплопроводности 1-2 Вт/(м*°C), а паста КПТ-8 – 0.75Вт/(м*°C). Тепловое сопротивление можно получить из коэффициента теплопроводности по формуле:

  R = толщина прокладки/(коэффициент теплопроводности * площадь одной стороны прокладки)

  Часто Rc-r вообще можно игнорировать. К примеру, в нашем случае (используем корпус TO220, с пастой КПТ-8, средняя глубина пасты, взятая с потолка – 0.05мм). Итого, Rc-r = 0.5 °C/Вт. При мощности 3.5вт, разница температур корпуса стабилизатора и радиатора — 1.75градуса. Это – не много. Для нашего примера, возьмем Rc-r = 2 °C/Вт

Rr-a – тепловое сопротивление между радиатором и атмосферой. Определяется геометрией радиатора, наличием обдува, и кучей других факторов. Этот параметр намного проще измерить, чем посчитать (см в конце статьи). Для примера — Rr-c = 12.5 °C/Вт

Ta = 40°C – тут мы прикинули, что атмосферная температура редко выше, можно взять и 50 градусов, чтобы уж точно было.

Подставляем все эти данные в закон Ома, и получаем Tj = 3.5*(5+2+12.5) + 40 = 108.25 °C

Это значительно меньше, чем предельные 150 °C. Такой радиатор можно использовать. При этом, корпус радиатора будет греться до Tc = 3.5*12.5 + 40 = 83.75 °C. Такая температура уже способна размягчить некоторые пластики, поэтому нужно быть осторожным.

Измерение сопротивления радиатор-атмосфера.

Скорее-всего, у вас уже валяется куча радиаторов, которые можно задействовать. Тепловое сопротивление измеряется очень легко. Это этого нужно сопротивление и источник питания.

Лепим сопротивление на радиатор, используя термопасту:

Подключаем источник питания, и выставляем напряжение так, чтобы на сопротивлении выделялась некая мощность. Лучше, конечно, нагревать радиатор той мощностью, которую он будет рассеивать в конечном устройстве (и в том положении, в котором он будет находиться, это важно!). Я обычно оставляю такую конструкцию на пол часа, чтобы она хорошо прогрелась.

После того, как измерили температуру, можно рассчитать тепловое сопротивление

Rr-a = (T-Ta)/P. К примеру, у меня радиатор нагрелся до 81 градуса, а температура воздуха – 31 градус. таким образом, Rr-a = 50/4 = 12.5 °C/Вт.

Прикидка площади радиатора

В древнем справочнике радиолюбителя приводился график, по которому можно прикинуть площадь радиатора. Вот он:

Работать с ним очень просто. Выбираем перегрев, который хочется получить и смотрим, какая площадь соответствует необходимой мощности при таком перегреве.

К примеру, при мощности 4вт и перегреве 20 градусов, понадобится 250см^2 радиатора. Этот график дает завышенную оценку площади, и не учитывает кучу факторов как то принудительный обдув, геометрия ребер, итп.

bsvi.ru

Закон Джоуля – Ленца – закон физики, определяющий количественную меру теплового действия электрического тока. Сформулирован этот закон был в 1841 году английским учёным Д. Джоулем и совершенно отдельно от него в 1842 году известным русским физиком Э. Ленцем. Поэтому он получил своё двойное название — закон Джоуля – Ленца.

Определение закона и формула

Словесная формулировка имеет следующий вид: мощность тепла, выделяемого в проводнике при протекании сквозь него , пропорционально произведению значения плотности электрического поля на значение напряженности.

Математически закон Джоуля — Ленца выражается следующим образом:

ω = j E = ϭ E²,

где ω — количество тепла, выделяемого в ед. объема;

E и j – напряжённость и плотность, соответственно, электрического полей;

σ — проводимость среды.

Физический смысл закона Джоуля – Ленца

Закон можно объяснить следующим образом: ток, протекая по проводнику, представляет собой перемещение электрического заряда под воздействием . Таким образом, электрическое поле совершает некоторую работу. Эта работа расходуется на нагрев проводника.

Другими словами, энергия переходит в другое свое качество – тепло.

Но чрезмерный нагрев проводников с током и электрооборудования допускать нельзя, поскольку это может привести к их повреждению. Опасен сильный перегрев при проводов, когда по проводниках могут протекать достаточно большие токи.

В интегральной форме
для тонких проводников закон Джоуля – Ленца
звучит следующим образом: количество теплоты, которое выделяется в единицу времени в рассматриваемом участке цепи, определяется как произведение квадрата силы тока на сопротивление участка.

Математически эта формулировка выражается следующим образом:

Q = ∫ k I² R t,

при этом Q – количество выделившейся теплоты;

I – величина тока;

R — активное сопротивление проводников;

t – время воздействия.

Значение параметра k принято называть тепловым эквивалентом работы. Величина этого параметра определяется в зависимости от разрядности единиц, в которых выполняются измерения значений, используемых в формуле.

Закон Джоуля-Ленца имеет достаточно общий характер, поскольку не имеет зависимости от природы сил, генерирующих ток.

Из практики можно утверждать, что он справедлив, как для электролитов, так проводников и полупроводников.

Область применения

Областей применения в быту закона Джоуля Ленца – огромное количество. К примеру, вольфрамовая нить в лампе накаливания, дуга в электросварке, нагревательная нить в электрообогревателе и мн. др. Это наиболее широко распространенный физический закон в повседневной жизни.

Содержание:

Знаменитый русский физик Ленц и английский физик Джоуль, проводя опыты по изучению тепловых действий электрического тока, независимо друг от друга вывели закон Джоуля-Ленца. Данный закон отражает взаимосвязь количества теплоты, выделяемого в проводнике, и электрического тока, проходящего по этому проводнику в течение определенного периода времени.

Свойства электрического тока

Когда электрический ток проходит через металлический проводник, его электроны постоянно сталкиваются с различными посторонними частицами. Это могут быть обычные нейтральные молекулы или молекулы, потерявшие электроны. Электрон в процессе движения может отщепить от нейтральной молекулы еще один электрон. В результате, его кинетическая энергия теряется, а вместо молекулы происходит образование положительного иона. В других случаях электрон, наоборот, соединиться с положительным ионом и образовать нейтральную молекулу.

В процессе столкновений электронов и молекул происходит расход энергии, в дальнейшем превращающейся в тепло. Затраты определенного количества энергии связаны со всеми движениями, во время которых приходится преодолевать сопротивление. В это время происходит превращение работы, затраченной на преодоление сопротивления трения, в тепловую энергию.

Закон джоуля Ленца формула и определение

Согласно закону джоуля Ленца, электрический ток, проходящий по проводнику, сопровождается количеством теплоты, прямо пропорциональным квадрату тока и сопротивлению, а также времени течения этого тока по проводнику.

В виде формулы закон Джоуля-Ленца выражается следующим образом:
Q = I 2 Rt, в которой Q отображает количество выделенной теплоты, I — , R — сопротивление проводника, t — период времени. Величина «к» представляет собой тепловой эквивалент работы и применяется в тех случаях, когда количество теплоты измеряется в калориях, сила тока — , сопротивление — в Омах, а время — в секундах. Численное значение величины к составляет 0,24, что соответствует току в 1 ампер, который при сопротивлении проводника в 1 Ом, выделяет в течение 1 секунды количество теплоты, равное 0,24 ккал. Поэтому для расчетов количества выделенной теплоты в калориях применяется формула Q = 0,24I 2 Rt.

При использовании системы единиц СИ измерение количества теплоты производится в джоулях, поэтому величина «к», применительно к закону Джоуля-Ленца, будет равна 1, а формула будет выглядеть: Q = I 2 Rt. В соответствии с I = U/R. Если это значение силы тока подставить в основную формулу, она приобретет следующий вид: Q = (U 2 /R)t.

Основная формула
Q = I 2 Rt очень удобна для использования при расчетах количества теплоты, которое выделяется в случае последовательного соединения. Сила тока во всех проводниках будет одинаковая. При последовательном соединении сразу нескольких проводников, каждый из них выделит столько теплоты, которое будет пропорционально сопротивлению проводника. Если последовательно соединить три одинаковые проволочки из меди, железа и никелина, то максимальное количество теплоты будет выделено последней. Это связано с наибольшим удельным сопротивлением никелина и более сильным нагревом этой проволочки.

При параллельном соединении этих же проводников, значение электрического тока в каждом из них будет различным, а напряжение на концах — одинаковым. В этом случае для расчетов больше подойдет формула Q = (U 2 /R)t. Количество теплоты, выделяемое проводником, будет обратно пропорционально его проводимости. Таким образом, закон Джоуля — Ленца широко используется для расчетов установок электрического освещения, различных отопительных и нагревательных приборов, а также других устройств, связанных с преобразованием электрической энергии в тепловую.

Закон Джоуля-Ленца. Работа и мощность электрического тока

Джеймс Прескотт Джоуль (слева) и Эмилий Христианович Ленц (справа)

Электрические нагреватели всевозможных типов используются человечеством уже столетия, благодаря свойству электрического тока выделять тепло при прохождении через проводник. У этого явления есть и негативный фактор – перегретая электропроводка из-за слишком большого тока часто становилась причиной короткого замыкания и возникновения пожаров. Выделение тепла от работы электрического тока изучалось в школьном курсе физики, но многие позабыли эти знания.

Впервые зависимость выделения теплоты от силы электрического тока была сформулирована и математически определена Джеймсом Джоулем в 1841 году, и чуть позже, в 1842 г., независимо от него, Эмилем Ленцем. В честь этих физиков и был назван закон Джоуля-Ленца, по которому рассчитывают мощность электронагревателей и потери на тепловыделение в линиях электропередач.

Определение закона Джоуля – Ленца

В словесном определении, согласно исследований Джоуля и Ленца закон звучит так:

Количество теплоты, выделяемой в определенном объеме проводника при протекании электрического тока прямо пропорционально умножению плотности электрического тока и величины напряженности электрического поля

В виде формулы данный закон выглядит следующим образом:

Выражение закона Джоуля — Ленца

Поскольку описанные выше параметры редко применяются в обыденной жизни, и, учитывая, что почти все бытовые расчеты выделения теплоты от работы электрического тока касаются тонких проводников (кабели, провода, нити накаливания, шнуры питания, токопроводящие дорожки на плате и т. п.), используют закон Джоуля Ленца с формулой, представленной в интегральном виде:

Интегральная форма закона

В словесном определении закон Джоуля Ленца звучит так:

Словесное определение закона Джоуля — Ленца

Если принять, что сила тока и сопротивление проводника не меняется в течение времени, то закон Джоуля — Ленца можно записать в упрощенном виде:

Применив закон Ома и алгебраические преобразования, получаем приведенные ниже эквивалентные формулы:

Эквивалентные выражения теплоты согласно закона Ома

Применение и практическое значение закона Джоуля – Ленца

Исследования Джоуля и Ленца в области тепловыделения от работы электрического тока существенно продвинули научное понимание физических процессов, а выведенные основные формулы не претерпели изменений и используются по сей день в различных отраслях науки и техники. В сфере электротехники можно выделить несколько технических задач, где количество выделяемой при протекании тока теплоты имеет критически важное значение
при расчете таких параметров:

• теплопотери в линиях электропередач;
• характеристики проводов сетей электропроводки;
• тепловая мощность (количество теплоты) электронагревателей;
• температура срабатывания автоматических выключателей;
• температура плавления плавких предохранителей;
• тепловыделение различных электротехнических аппаратов и элементов радиотехники.

Электроприборы, в которых используется тепловая работа тока

Тепловое действие электрического тока в проводах линий электропередач (ЛЭП) является нежелательным из-за существенных потерь электроэнергии на тепловыделение.

По различным данным в линиях электропередач теряется до 40% всей производимой электрической энергии в мире. Для уменьшения потерь при передаче электроэнергии на большие расстояния, поднимают напряжение в ЛЭП, производя расчеты по производным формулам закона Джоуля – Ленца.

Диаграмма всевозможных потерь электроэнергии, среди которых теплопотери на воздушных линиях составляют львиную долю (64%)

Очень упрощенно тепловую работу тока можно описать следующим образом: двигаются электроны между молекулами, и время от времени сталкиваются с ними, отчего их тепловые колебания становятся более интенсивными. Наглядная демонстрация тепловой работы тока и ассоциативные пояснения процессов показаны на видео ниже:

Расчеты потерь электроэнергии в линиях электропередач

В качестве примера можно взять гипотетический участок линии электропередач от электростанции до трансформаторной подстанции. Поскольку провода ЛЭП и потребитель электроэнергии (трансформаторная подстанция) соединены последовательно
, то через них течет один и тот же ток I. Согласно рассматриваемому тут закону Джоуля – Ленца количество выделяемой на проводах теплоты Q w (теплопотерь) рассчитывается по формуле:

Производимая электрическим током мощность (Q c) в нагрузке рассчитывается согласно закону Ома:

Таким образом, при равенстве токов, в первую формулу можно вставить вместо I выражение Q c /U c , поскольку I = Q c /U c:

Если проигнорировать зависимость сопротивления проводников от изменения температуры, то можно считать R w неизменным (константой). Таким образом, при стабильном энергопотреблении потребителя (трансформаторной подстанции), тепловыделение в проводах ЛЭП будет обратно пропорционально
квадрату напряжения в конечной точке линии. Другими словами, чем больше напряжение электропередачи, тем меньше потери электроэнергии.

Для передачи электроэнергии высокого напряжения требуются большие опоры ЛЭП

Работа закона Джоуля – Ленца в быту

Данные расчеты справедливы также и в быту при передаче электроэнергии на малые расстояния – например, от ветрогенератора до инвертора. При автономном энергоснабжении ценится каждый Ватт выработанной низковольтным ветряком энергии, и возможно, будет выгодней поднять напряжение трансформатором прямо у ветрогенератора, чем тратиться на большое сечение кабеля, чтобы уменьшить потери электроэнергии при передаче.

При значительном удалении низковольтного ветрогенератора переменного тока для уменьшения потерь электроэнергии будет выгодней подключение через повышающий трансформатор

В бытовых сетях электропроводки расстояния крайне малы, чтобы уменьшения тепловых потерь поднимать напряжение, поэтому при расчете проводки учитывается тепловая работа тока, согласно закону Джоуля – Ленца при выборе поперечного сечения проводов, чтобы их тепловой нагрев
не привел к оплавлению и возгоранию изоляции и окружающих материалов. Выбор кабеля по мощности и электропроводки проводятся согласно таблиц и нормативных документов ПУЭ, и подробно описаны на других страницах данного ресурса.

Соотношения силы тока и поперечного сечения проводников

При расчете температуры нагрева радиотехнических элементов, биметаллической пластины автоматического выключателя или плавкого предохранителя используется закон Джоуля – Ленца в интегральной форме, так как при росте температуры изменяется сопротивление данных материалов. При данных сложных расчетах также учитываются теплоотдача, нагрев от других источников тепла, собственная теплоемкость и множество других факторов.

Программное моделирование тепловыделения полупроводникового прибора

Полезная тепловая работа электрического тока

Тепловыделяющая работа электрического тока широко применяется в электронагревателях, в которых используется последовательное соединение проводников с различным сопротивлением. Данный принцип работает следующим образом: в соединенных последовательно проводниках течет одинаковый ток, значит, согласно закону Джоуля – Ленца, тепла выделится больше у материала проводника с большим сопротивлением.

Спираль с повышенным сопротивлением накаляется, но питающие провода остаются холодными

Таким образом, шнур питания и подводящие провода электроплитки остаются относительно холодными, в то время как нагревательный элемент нагревается до температуры красного свечения. В качестве материала для проводников нагревательных элементов используются сплавы с повышенным (относительно меди и алюминия электропроводки) удельным сопротивлением — нихром, константан, вольфрам и другие.

Нить лампы накаливания изготовляют из тугоплавких вольфрамовых сплавов

При параллельном соединении проводников тепловыделение будет больше на нагревательном элементе с меньшим сопротивлением, так как при его уменьшении возрастает ток относительного соседнего компонента цепи. В качестве примера можно привести очевидный пример свечения двух лампочек накаливания различной мощности – у более мощной лампы тепловыделение и световой поток больше.

Если прозвонить омметром лампочки, то окажется, что у более мощной лампы сопротивление меньше. На видео ниже автор демонстрирует последовательное и параллельное подключение, но к сожалению, он ошибся в комментарии — будет ярче светить лампа с большим
сопротивлением, а не наоборот.

Расчет токоограничивающего резистора для переменного резистора

UPD: Вся приведенная ниже статья была написана мной исходя из в корне неправильного понимания смысла параметра «номинальная мощность» для переменного резистора.

Я предполагал, что это мощность, которую переменный резистор может рассеять при любом значении его сопротивления. Так вот это не так!

На самом же деле это та мощность, которую резистор безболезненно рассеивает находясь в состоянии максимального сопротивления.

При уменьшении же этого сопротивления мощность (а следовательно и максимально допустимый ток через резистор) падают пропорционально уменьшению его сопротивления!

Что любопытно, занимаясь (естественно чисто любительски и понемногу) электроникой вот уже года три я вообще нигде не встречал ничего на тему «как посчитать максимально допустимый ток через переменный резистор в реостатном включении». Видимо, всилу очевидности — для тех, кто уже знает. Но тем не менее. Какое-то более внятное описание ситуации я нашел только по-английски в совершенно замечательном и подробном материале по переменным резитсорам Beginners’ Guide to Potentiometers:

Power — A pot with a power rating of (say) 0.5W will have a maximum voltage that can exist across the pot before the rating is exceeded. All power ratings are with the entire resistance element in circuit, so maximum dissipation reduces as the resistance is reduced (assuming series or ‘two terminal’ rheostat wiring). Let’s look at the 0.5W pot, and 10k is a good value to start with for explanation.

If the maximum dissipation is 0.5W and the resistance is 10k, then the maximum current that may flow through the entire resistance element is determined by…

P = I² * R… therefore

I =√P / R… so I = 7mA

In fact, 7mA is the maximum current that can flow in any part of the resistance element, so if the 10k pot were set to a resistance of 1k, current is still 7mA, and maximum power is now only 50mW, and not the 500mW we had before.

=== ВНИМАНИЕ! ВСЕ, НАПИСАННОЕ НИЖЕ, МАТЕМАТИЧЕСКИ ПРАВИЛЬНО, НО ИСХОДИТ ИЗ НЕВЕРНОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ! ДЛЯ РАСЧЕТА НОМИНАЛА ПЕРЕМЕННОГО РЕЗИСТОРА ЭТИ РАСЧЕТЫ ПРИМЕНЯТЬ НЕЛЬЗЯ — ПОЛУЧЕННЫЕ ЗНАЧЕНИЯ СИЛЬНО ЗАВЫШЕНЫ! ===

Вот, казалось бы, куда уж проще задача — при помощи переменного резистора получить простейщий регулируемый «эталон тока» (это я с токовыми шунтами и усилителем на ОУ играюсь). Вроде бы делать нечего, да?

Берем первый попавшийся перменный резистор — например R-0904N-A1K, подсоединяем его к какому-нибудь источнику напряжения в 5 Вольт, начинаем крутить… Естественно, не выкручивать его до нуля соображения все же хватает, ну так мультиметр подключен, показывает ток: 1мА, 5мА, 10мА, 80мА… Блин, сгорел. Чего это он?

А у него оказывается максимальная рассеиваемая мощность — 0.05 Вт. То есть если пропустить через него на 5 Вольтах более 10 мА, то все… Он, в общем-то, хорошо еще держался. Долго.

Упс.

Ну, хорошо. Берем тогда монстроидальный R-24N1-B1K (на фотографии в начале статьи — он).

0.5 Вт рассеиваемой мощности, извините.

Ну и заодно будет нелишне поставить обычный резистор последовательно с переменным в качестве токоограничивающего. Чтобы уж точно не сжечь.

Ну и надо бы посчитать как-нибудь, каким номиналом токоограничивающий резистор ставить. Посчитать бы как-нибудь… А оно как-то не хочет считаться… Какое-то оно все ну совсем нелинейное получается.

Сначала я думал прикинуть номинал в уме. Минут через пятнадцать я понял, что в уме как-то не получается и взял бумажку. Еще через полчаса я тупо глядел на три исписанных листа формата А4 и не мог понять, где я ошибся. Два последовательно подключенных резистора не могут требовать для расчета таких сложных формул!

Я плюнул на все и в течении недели время от времени возвращался к бумажкам и формулам, понимая, что не могу ни осознать эти уравнения, ни решить их. Через неделю я загнал формулы в Excel и построил по ним графики. Вот только тут я и начал немного понимать что к чему…

Начинаем от печки, рисуем схему цепи и вспоминаем закон Ома:

Сила тока в цепи равна:

Мощность, выделяемая всей цепью, Вт:

Падение напряжения на токоограничивающем резисторе R1, Вольт:

Мощность, выделяемая на токоограничивающем резисторе R1, Вт:

Аналогично,

Падение напряжения на переменном резисторе R2, Вольт:

Мощность, выделяемая на переменном резисторе R2, Вт:

Теперь можно загнать эти формулы в Excel и попробовать численно прикинуть, как будут меняться параметры цепи при изменении R2.

Например, возьмем U = 5 Вольт, R1=15 Ом.

А картинка-то получилась… хм… любопытная.

Падения наприяжения на резисторах R1 и R2 ведут себя предсказуемо. По мере того, как растет сопротивление R2 на нем высаживается все большая и большая часть напряжения цепи. Что и понятно — когда R2 близко к нулю имеет значение только сопротивление R1, а при R2 = 150 Ом наличием R1 = 15 Ом (на порядок меньше!) можно смело пренебрегать.

Также предсказуемо падает и ток в цепи, и суммарная мощность, в ней рассеиваемая — напряжение не меняется, суммарное сопротивление растет. Все ожидаемо.

А вот график мощности, рассеиваемой на переменно резисторе W2 имеет весьма необычную форму — мощность, выделяемая на этом резисторе сначала растет, а потом падает.

Если подумать — так и должно быть, ведь пока сопротивление переменного резистора мало он мало влияет на силу тока цепи I (она фактически задается постоянным значением R1) и мощность, выделяемая на R2 растет вместе с ростом R2. А когда R2 велико, то уже R1 не влияет на силу тока, она определяется исключительно значением R2 и падает пропорционально его росту.

Но это я пока картинку не увидел — не осознал.

С практической точки зрения — стоит максимуму выделяемой мощности вылезти за паспортные ограничения резистора, так он и сгорит. Причем не сразу, а когда «неудачно карты лягут» и эта максимальная мощность выделиться.

Теперь при помощи того же Excel-я попробуем прикинуть как ведет себя мощность W2 для разных номиналов токоограничивающего резистора. Опять же при U = 5 Вольт.

Понятно, что чем больше R1, тем ниже максимум мощности, выделяемой на переменном резисторе R2.

И чтобы не превысить ограничения в 0.5 Вт достаточно взять токоограничивающий резистор где-нибудь в 15 Ом — неожиданно небольшое значение…

А теперь попробуем со всем этим взлететь все это посчитать.

Cамо положение максимума мощности нам не слишком интересно, нам важно только то, чтобы этот максимум не превосходил паспортных ограничений по мощности:

С учетом того, что   умножаем на него обе части неравенства и раскрываем скобки:

А теперь переносим все на одну сторону и собираем коэффициенты при одинаковых степенях R2:

Мы получили неравенство относительно квадрата переменного сопротивления R2.

Т.к. коэффициент при R2 в квардрате у нас больше нуля, то в левой части мы имеем параболу «рожками вверх». Неравенство будет выполняться при любых значениях R2 если квадратное уравнение в левой части не будет иметь решений. А это, как известно из школьной математики, происходит тогда и только тогда, когда дискрименнант этого квадратного уравнения меньше нуля.

Дискриминант квадратного уровнения

считается по формуле

Подставим в нее коэффициенты нашего уровнения:

Раскроем скобки

… заметим, что в получившимся выражении два члена взаимно уничтожаются и избавимся от них

Квадрат напряжения больше нуля всегда, следовательно, чтобы дискриминант был меньше нуля необходимо:

Итак, для того, чтобы переменный резистор не вышел за пределы своих возможностей, необходимо применять токоограничивающий резистор с сопротивлением не менее, чем:

Для напряжения цепи 5 Вольт и ограничения по рассеиваемой на переменном резисторе мощности в 0.5 Вт получаем, что номинал токоограничивающего резистора R1 должен быть не меньше, чем 25/2= 12.5 Ом.

Однако, сам токоограничивающий резистор также имеет ограничения по рассеиваемой мощности.

Наибольший ток протекает через токоограничивающий резистор в момент, когда переменный резистор выведен в «0» и вся мощность рассеивается на токоограничивающем резисторе.

Исходя из этого (R2=0), получаем ограничение на токоограничивающий резистор

Тут уже для напряжения цепи 5 Вольт и обычного резистора с максимальной рассеиваемой мощностью в 0.25 Вт получаем, что номинал R1 не должен превосходить 100 Ом, что автоматически выполняет и ограничение по мощности на переменном резисторе, однако не позвволяет получить максимальный ток в цепи более 50 мА, что маловато.

Это ограничение можно обойти или взяв в качестве токоограничивающего резистора резистор помощнее или подключив несколько резисторов параллельно…

Мощность переменного тока. Мощность тока через катушку, резистор, конденсатор

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: переменный ток, вынужденные электромагнитные колебания.

Переменный ток несёт энергию. Поэтому крайне важным является вопрос о мощности в цепи переменного тока.

Пусть и — мгновенные значение напряжения и силы тока на данном участке цепи. Возьмём малый интервал времени — настолько малый, что напряжение и ток не успеют за это время сколько-нибудь измениться; иными словами, величины и можно считать постоянными в течение интервала .

Пусть за время через наш участок прошёл заряд (в соответствии с правилом выбора знака для силы тока заряд считается положительным, если он переносится в положительном направлении, и отрицательным в противном случае). Электрическое поле движущихся зарядов совершило при этом работу

Мощность тока — это отношение работы электрического поля ко времени, за которое эта работа совершена:

(1)

Точно такую же формулу мы получили в своё время для постоянного тока. Но в данном случае мощность зависит от времени, совершая колебания вместе током и напряжением; поэтому величина (1) называется ещё мгновенной мощностью.

Из-за наличия сдвига фаз сила тока и напряжение на участке не обязаны совпадать по знаку (например, может случиться так, что напряжение положительно, а сила тока отрицательна, или наоборот). Соответственно, мощность может быть как положительной, так и отрицательной. Рассмотрим чуть подробнее оба этих случая.

1. Мощность положительна: . Напряжение и сила тока имеют одинаковые знаки. Это означает, что направление тока совпадает с направлением электрического поля зарядов, образующих ток. В таком случае энергия участка возрастает: она поступает на данный участок из внешней цепи (например, конденсатор заряжается).

2. Мощность отрицательна: . Напряжение и сила тока имеют разные знаки. Стало быть, ток течёт против поля движущихся зарядов, образующих этот самый ток.

Как такое может случиться? Очень просто: электрическое поле, возникающее на участке, как бы «перевешивает» поле движущихся зарядов и «продавливает» ток против этого поля. В таком случае энергия участка убывает: участок отдаёт энергию во внешнюю цепь (например, конденсатор разряжается).

Если вы не вполне поняли, о чём только что шла речь, не переживайте — дальше будут конкретные примеры, на которых вы всё и увидите.

Мощность тока через резистор

Пусть переменный ток протекает через резистор сопротивлением . Напряжение на резисторе, как нам известно, колеблется в фазе с током:

Поэтому для мгновенной мощности получаем:

(2)

График зависимости мощности (2) от времени представлен на рис. 1. Мы видим, что мощность всё время неотрицательна — резистор забирает энергию из цепи, но не возвращает её обратно в цепь.

Рис. 1. Мощность переменного тока через резистор

Максимальное значение нашей мощности связано с амплитудами тока и напряжения привычными формулами:

На практике, однако, интерес представляет не максимальная, а средняя мощность тока. Это и понятно. Возьмите, например, обычную лампочку, которая горит у вас дома. По ней течёт ток частотой Гц, т. е. за секунду совершается колебаний силы тока и напряжения. Ясно, что за достаточно продолжительное время на лампочке выделяется некоторая средняя мощность, значение которой находится где-то между и . Где же именно?

Посмотрите ещё раз внимательно на рис. 1. Не возникает ли у вас интуитивное ощущение, что средняя мощность соответствует «середине» нашей синусоиды и принимает поэтому значение ?

Это ощущение совершенно верное! Так оно и есть. Разумеется, можно дать математически строгое определение среднего значения функции (в виде некоторого интеграла) и подтвердить нашу догадку прямым вычислением, но нам это не нужно. Достаточно интуитивного понимания простого и важного факта:

среднее значение квадрата синуса (или косинуса) за период равно .

Этот факт иллюстрируется рисунком 2.

Рис. 2. Среднее значение квадрата синуса равно

Итак, для среднего значения мощности тока на резисторе имеем:

(3)

В связи с этими формулами вводятся так называемые действующие (или эффективные) значения напряжения и силы тока (на самом деле это есть не что иное, как средние квадратические значения напряжения и тока. Такое у нас уже встречалось: средняя квадратическая скорость молекул идеального газа (листок «Уравнение состояния идеального газа»):

(4)

Формулы (3), записанные через действующие значения, полностью аналогичны соответствующим формулам для постоянного тока:

Поэтому если вы возьмёте лампочку, подключите её сначала к источнику постоянного напряжения , а затем к источнику переменного напряжения с таким же действующим значением , то в обоих случаях лампочка будет гореть одинаково ярко.

Действующие значения (4) чрезвычайно важны для практики. Оказывается, вольтметры и амперметры переменного тока показывают именно действующие значения (так уж они устроены). Знайте также, что пресловутые вольт из розетки — это действующее значение напряжения бытовой электросети.

Мощность тока через конденсатор

Пусть на конденсатор подано переменное напряжение . Как мы знаем, ток через конденсатор опережает по фазе напряжение на :

Для мгновенной мощности получаем:

График зависимости мгновенной мощности от времени представлен на рис. 3.

Рис. 3. Мощность переменного тока через конденсатор

Чему равно среднее значение мощности? Оно соответствует «середине» синусоиды и в данном случае равно нулю! Мы видим это сейчас как математический факт. Но интересно было бы с физической точки зрения понять, почему мощность тока через конденсатор оказывается нулевой.

Для этого давайте нарисуем графики напряжения и силы тока в конденсаторе на протяжении одного периода колебаний (рис. 4).

Рис. 4. Напряжение на конденсаторе и сила тока через него

Рассмотрим последовательно все четыре четверти периода.

1. Первая четверть, . Напряжение положительно и возрастает. Ток положителен (течёт в положительном направлении), конденсатор заряжается. По мере увеличения заряда на конденсаторе сила тока убывает.

Мгновенная мощность положительна: конденсатор накапливает энергию, поступающую из внешней цепи. Эта энергия возникает за счёт работы внешнего электрического поля, продвигающего заряды на конденсатор.

2. Вторая четверть, . Напряжение продолжает оставаться положительным, но идёт на убыль. Ток меняет направление и становится отрицательным: конденсатор разряжается против направления внешнего электрического поля.В конце второй четверти конденсатор полностью разряжен.

Мгновенная мощность отрицательна: конденсатор отдаёт энергию. Эта энергия возвращается в цепь: она идёт на совершение работы против электрического поля внешней цепи (конденсатор как бы «продавливает» заряды в направлении, противоположном тому, в котором внешнее поле «хочет» их двигать).

3. Третья четверть, . Внешнее электрическое поле меняет направление: напряжение отрицательно и возрастает по модулю. Сила тока отрицательна: идёт зарядка конденсатора в отрицательном направлении.

Ситуация полностью аналогична первой четверти, только знаки напряжения и тока — противоположные. Мощность положительна: конденсатор вновь накапливает энергию.

4. Четвёртая четверть, . Напряжение отрицательно и убывает по модулю. Конденсатор разряжается против внешнего поля: сила тока положительна.

Мощность отрицательна: конденсатор возвращает энергию в цепь. Ситуация аналогична второй четверти — опять-таки с заменой заменой знаков тока и напряжения на противоположные.

Мы видим, что энергия, забранная конденсатором из внешней цепи в ходе первой четверти периода колебаний, полностью возвращается в цепь в ходе второй четверти. Затем этот процесс повторяется вновь и вновь. Вот почему средняя мощность, потребляемая конденсатором, оказывается нулевой.

Мощность тока через катушку

Пусть на катушку подано переменное напряжение . Ток через катушку отстаёт по фазе от напряжения на :

Для мгновенной мощности получаем:

Снова средняя мощность оказывается равной нулю. Причины этого, в общем-то, те же, что и в случае с конденсатором. Рассмотрим графики напряжения и силы тока через катушку за период (рис. 5).

Рис. 5. Напряжение на катушке и сила тока через неё

Мы видим, что в течение второй и четвёртой четвертей периода энергия поступает в катушку из внешней цепи. В самом деле, напряжение и сила тока имеют одинаковые знаки, сила тока возрастает по модулю; для создания тока внешнее электрическое поле совершает работу против вихревого электрического поля, и эта работа идёт на увеличение энергии магнитного поля катушки.

В первой и третьей четвертях периода напряжение и сила тока имеют разные знаки: катушка возвращает энергию в цепь. Вихревое электрическое поле, поддерживающее убывающий ток, двигает заряды против внешнего электрического поля и совершает тем самым положительную работу. А за счёт чего совершается эта работа? За счёт энергии, накопленной ранее в катушке.

Таким образом, энергия, запасаемая в катушке за одну четверть периода, полностью возвращается в цепь в ходе следующей четверти. Поэтому средняя мощность, потребляемая катушкой, оказывается равной нулю.

Мощность тока на произвольном участке

Теперь рассмотрим самый общий случай. Пусть имеется произвольный участок цепи — он может содержать резисторы, конденсаторы, катушки…На этот участок подано переменное напряжение .

Как мы знаем из предыдущего листка «Переменный ток. 2», между напряжением и силой тока на данном участке имеется некоторый сдвиг фаз . Мы записывали это так:

Тогда для мгновенной мощности имеем:

(5)

Теперь нам хотелось бы определить, чему равна средняя мощность. Для этого мы преобразуем выражение (5), используя формулу:

В результате получим:

(6)

Но среднее значение величины равно нулю! Поэтому средняя мощность оказывается равной:

(7)

Данную формулу можно записать с помощью действующих значений (4) напряжения и силы тока:

Формула (7) охватывает все три рассмотренные выше ситуации. В случае резистора имеем , и мы приходим к формуле (3). Для конденсатора и катушки , и средняя мощность равна нулю.

Кроме того, формула (7) даёт представление о весьма общей проблеме, связанной с передачей электроэнергии. Чрезвычайно важно, чтобы у потребителя был как можно ближе к единице. Иначе потребитель начнёт возвращать значительную часть энергии назад в сеть (что ему совсем невыгодно), и к тому же возвращаемая энергия будет безвозвратно расходоваться на нагревание проводов и других элементов цепи.

С этой проблемой приходится сталкиваться разработчикам электрических схем, содержащих электродвигатели. Обмотки электродвигателей обладают большими индуктивностями, и возникает ситуация, близкая к «чистой» катушке. Чтобы избежать бесполезного циркулирования энергии по сети, в цепь включают дополнительные элементы, сдвигающие фазу — например, так называемые компенсирующие конденсаторы.

Мощность на резисторе в цепи переменного тока

По закону Джоуля-Ленца, мгновенное
значение тепловой мощности на участке
цепи определяется как произведение
силы тока на напряжение:

P = UI =U₀cos
ω t* I₀cos
ω t = I₀U₀cos
²ωt

Эта величина непрерывно изменяется. В
промышленной сети частота изменения
равна 50 Гц, то есть 50 раз в секунду
изменяется значение тепловой мощности.
Поэтому практического значения знание
мгновенной мощности не имеет.

Вычислим среднее значение мощности
за период колебаний:

<P> = <I₀U₀cos
²
ω t> = I₀U₀<cos
²
ω t>

<cos²ωt>
= ½

<P>
= 1/2I₀U₀

Введем определение:

Действующим значением силы тока (или
напряжения) называется сила такого
постоянного тока (или напряжения),
который, протекая по данной цепи, выделяет
в ней мощность, равную средней мощности
в цепи переменного тока за период

<P> = I_ДU_Д

Средняя мощность, выделяющаяся на
резисторе в цепи переменного тока за
период, равна произведению действующего
значения силы тока на действующее
значение напряжения.

Домашнее задание Повторить:
конденсатор, емкость конденсатора,
единицы измерения электроемкости,
энергия заряженного конденсатора,
последовательное и параллельное
соединение конденсаторов, энергия
электрического поля заряженного
конденсатора, закон Ома для участка
цепи.

Лекция 6 Конденсатор в цепи переменного тока

Включим конденсатор в цепь постоянного
тока. Некоторый заряд перетечет от
источника тока на обкладки конденсатора.
В цепи возникает кратковременный
импульс зарядного тока. Конденсатор
заряжается до напряжения источника,
после чего ток прекращается. Через
конденсатор постоянный ток течь не
может!

Рассмотрим
процессы, происходящие при включении
конденсатора в цепь переменного тока

зарядный ток

.

Через диэлектрик, разделяющий обкладки
конденсатора, электрический ток
протекать, как и прежде, не может. Но в
результате периодически повторяющихся
процессов зарядки и разрядки конденсатора
в цепи появится переменный ток.

Если напряжение в цепи изменяется по
гармоническому закону,

U = U₀cos ωt

то
заряд на обкладках конденсатора
изменяется

также по гармоническому закону

q=Cu = CU₀cos ωt

и силу тока в цепи можно найти как
производную заряда

i = q^/

i= -CU₀
ω sin ωt
= CU₀ω
cos(ωt+π/2),

i= I₀ω
cos(ωt+π/2)

Амплитуда силы
тока I₀
= CU₀ω

Из полученной формулы видно, что в любой
момент времени

фаза тока больше фазы напряжения на
π/2.

В цепи переменного напряжение на
конденсаторе тока отстает по фазе от
тока на π/2, или
на четверть периода.

Емкостное сопротивление

Величину

называют емкостным сопротивлением.

Связь между амплитудными значениями
силы тока и напряжения формально
совпадает с законом Ома для участка
цепи

Такое же соотношение выполняется для
действующих значений силы тока и
напряжения.

Емкостное сопротивление конденсатора
зависит от частоты переменного
напряжения. С увеличением частоты
колебаний напряжения емкостное
сопротивление уменьшается, поэтому
амплитуда силы тока увеличивается прямо
пропорционально частоте I₀
= CU₀ω.

При уменьшении частоты амплитуда силы
тока уменьшается и при ω=0 обращается в
0. Отметим, что нулевая частота колебаний
означает, что в цепи протекает постоянный
ток.

Работа и мощность электрического тока. Закон Джоуля-Ленца – FIZI4KA

1. Электрический ток, проходя по цепи, производит разные действия: тепловое, механическое, химическое, магнитное. При этом электрическое поле совершает работу, и электрическая энергия превращается в другие виды энергии: во внутреннюю, механическую, энергию магнитного поля и пр.

Как было показано, напряжение ​\( (U) \)​ на участке цепи равно отношению работы ​\( (F) \)​, совершаемой при перемещении электрического заряда ​\( (q) \)​ на этом участке, к заряду: ​\( U=A/q \)​. Отсюда ​\( A=qU \)​. Поскольку заряд равен произведению силы тока ​\( (I) \)​ и времени ​\( (t) \)​ ​\( q=It \)​, то ​\( A=IUt \)​, т.е. работа электрического тока на участке цепи равна произведению напряжения на этом участке, силы тока и времени, в течение которого совершается работа.2Rt \)​.

Количество теплоты, выделяющееся при прохождении тока но проводнику, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени.

Этот закон называют законом Джоуля-Ленца.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ

Часть 1

1. Силу тока в проводнике увеличили в 2 раза. Как изменится количество теплоты, выделяющееся в нём за единицу времени, при неизменном сопротивлении проводника?

1) увеличится в 4 раза
2) уменьшится в 2 раза
3) увеличится в 2 раза
4) уменьшится в 4 раза

2. Длину спирали электроплитки уменьшили в 2 раза. Как изменится количество теплоты, выделяющееся в спирали за единицу времени, при неизменном напряжении сети?

1) увеличится в 4 раза
2) уменьшится в 2 раза
3) увеличится в 2 раза
4) уменьшится в 4 раза

3. Сопротивления резистор ​\( R_1 \)​ в четыре раза меньше сопротивления резистора ​\( R_2 \)​. Работа тока в резисторе 2

1) в 4 раза больше, чем в резисторе 1
2) в 16 раз больше, чем в резисторе 1
3) в 4 раза меньше, чем в резисторе 1
4) в 16 раз меньше, чем в резисторе 1

4. Сопротивление резистора ​\( R_1 \)​ в 3 раза больше сопротивления резистора ​\( R_2 \)​. Количество теплоты, которое выделится в резисторе 1

1) в 3 раза больше, чем в резисторе 2
2) в 9 раз больше, чем в резисторе 2
3) в 3 раза меньше, чем в резисторе 2
4) в 9 раз меньше, чем в резисторе 2

5. Цепь собрана из источника тока, лампочки и тонкой железной проволоки, соединенных последовательно. Лампочка станет гореть ярче, если

1) проволоку заменить на более тонкую железную
2) уменьшить длину проволоки
3) поменять местами проволоку и лампочку
4) железную проволоку заменить на нихромовую

6. На рисунке приведена столбчатая диаграмма. На ней представлены значения напряжения на концах двух проводников (1) и (2) одинакового сопротивления. Сравните значения работы тока ​\( A_1 \)​ и ​\( A_2 \)​ в этих проводниках за одно и то же время.

1) ​\( A_1=A_2 \)​
2) \( A_1=3A_2 \)
3) \( 9A_1=A_2 \)
4) \( 3A_1=A_2 \)

7. На рисунке приведена столбчатая диаграмма. На ней представлены значения силы тока в двух проводниках (1) и (2) одинакового сопротивления. Сравните значения работы тока \( A_1 \)​ и ​\( A_2 \) в этих проводниках за одно и то же время.

1) ​\( A_1=A_2 \)​
2) \( A_1=3A_2 \)
3) \( 9A_1=A_2 \)
4) \( 3A_1=A_2 \)

8. Если в люстре для освещения помещения использовать лампы мощностью 60 и 100 Вт, то

А. Большая сила тока будет в лампе мощностью 100 Вт.
Б. Большее сопротивление имеет лампа мощностью 60 Вт.

Верным(-и) является(-ются) утверждение(-я)

1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б

9. Электрическая плитка, подключённая к источнику постоянного тока, за 120 с потребляет 108 кДж энергии. Чему равна сила тока в спирали плитки, если её сопротивление 25 Ом?

1) 36 А
2) 6 А
3) 2,16 А
4) 1,5 А

10. Электрическая плитка при силе тока 5 А потребляет 1000 кДж энергии. Чему равно время прохождения тока по спирали плитки, если её сопротивление 20 Ом?

1) 10000 с
2) 2000 с
3) 10 с
4) 2 с

11. Никелиновую спираль электроплитки заменили на нихромовую такой же длины и площади поперечного сечения. Установите соответствие между физическими величинами и их возможными изменениями при включении плитки в электрическую сеть. Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами. Цифры в ответе могут повторяться.

ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА
A) электрическое сопротивление спирали
Б) сила электрического тока в спирали
B) мощность электрического тока, потребляемая плиткой

ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ
1) увеличилась
2) уменьшилась
3) не изменилась

12. Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым эти величины определяются. Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ
A) работа тока
Б) сила тока
B) мощность тока

ФОРМУЛЫ
1) ​\( \frac{q}{t} \)​
2) ​\( qU \)​
3) \( \frac{RS}{L} \)​
4) ​\( UI \)​
5) \( \frac{U}{I} \)​

Часть 2

13. Нагреватель включён последовательно с реостатом сопротивлением 7,5 Ом в сеть с напряжением 220 В. Каково сопротивление нагревателя, если мощность электрического тока в реостате составляет 480 Вт?

Ответы

Работа и мощность электрического тока. Закон Джоуля-Ленца

2.8 (55.88%) 34 votes

резисторов последовательно и параллельно

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Нарисуйте цепь с резисторами, включенными параллельно и последовательно.
• Рассчитайте падение напряжения тока на резисторе, используя закон Ома.
• Contrast Способ расчета общего сопротивления для резисторов, включенных последовательно и параллельно.
• Объясните, почему полное сопротивление параллельной цепи меньше наименьшего сопротивления любого из резисторов в этой цепи.
• Вычислить общее сопротивление цепи, которая содержит смесь резисторов, соединенных последовательно и параллельно.

Большинство схем имеет более одного компонента, называемого резистором , который ограничивает поток заряда в цепи. Мера этого предела расхода заряда называется сопротивлением . Простейшие комбинации резисторов — это последовательное и параллельное соединение, показанное на рисунке 1. Общее сопротивление комбинации резисторов зависит как от их индивидуальных значений, так и от способа их подключения.

Рис. 1. (a) Последовательное соединение резисторов. (б) Параллельное соединение резисторов.

Когда резисторы в серии ? Резисторы включены последовательно всякий раз, когда поток заряда, называемый током , должен проходить через устройства последовательно. Например, если ток течет через человека, держащего отвертку, в землю, тогда R ₁ на Рисунке 1 (а) может быть сопротивлением вала отвертки, R ₂ сопротивлением ее ручки , R ₃ сопротивления тела человека и R ₄ сопротивления его обуви.На рисунке 2 показаны резисторы, последовательно подключенные к источнику напряжения . Кажется разумным, что полное сопротивление является суммой отдельных сопротивлений, учитывая, что ток должен проходить через каждый резистор последовательно. (Этот факт был бы преимуществом для человека, желающего избежать поражения электрическим током, который мог бы уменьшить ток, надев обувь с высоким сопротивлением на резиновой подошве. Это могло бы стать недостатком, если бы одно из сопротивлений было неисправным шнуром с высоким сопротивлением. прибор, уменьшающий рабочий ток.)

Рис. 2. Три резистора, подключенных последовательно к батарее (слева), и эквивалентное одиночное или последовательное сопротивление (справа).

Чтобы убедиться, что последовательно включенные сопротивления действительно складываются, давайте рассмотрим потерю электроэнергии, называемую падением напряжения , в каждом резисторе на рисунке 2. Согласно закону Ома, падение напряжения, В, , на резистор, когда через него протекает ток, рассчитывается по формуле V = IR , где I равно току в амперах (A), а R — сопротивление в омах (Ω).Другой способ представить это: В, — это напряжение, необходимое для протекания тока I через сопротивление R . Таким образом, падение напряжения на R ₁ составляет В ₁ = IR ₁ , что на R ₂ составляет В ₂ = IR ₂ и что для R ₃ это V ₃ = IR ₃ .Сумма этих напряжений равна выходному напряжению источника; то есть

В = В ₁ + В ₂ + В ₃ .

Это уравнение основано на сохранении энергии и сохранении заряда. Электрическая потенциальная энергия может быть описана уравнением PE = qV , где q — электрический заряд, а V — напряжение. Таким образом, энергия, подаваемая источником, составляет кв.кв. , а энергия, рассеиваемая резисторами, равна

.

qV ₁ + qV ₂ + qV ₃ .

Установление связей: законы сохранения

Вывод выражений для последовательного и параллельного сопротивления основан на законах сохранения энергии и сохранения заряда, которые утверждают, что общий заряд и полная энергия постоянны в любом процессе. Эти два закона непосредственно участвуют во всех электрических явлениях и будут многократно использоваться для объяснения как конкретных эффектов, так и общего поведения электричества.

Эти энергии должны быть равны, потому что в цепи нет другого источника и другого назначения для энергии.Таким образом, qV = qV ₁ + qV ₂ + qV ₃ . Плата q аннулируется, давая V = V ₁ + V ₂ + V ₃ , как указано. (Обратите внимание, что одинаковое количество заряда проходит через батарею и каждый резистор за заданный промежуток времени, поскольку нет емкости для хранения заряда, нет места для утечки заряда и заряд сохраняется.) Теперь подстановка значений для отдельных напряжений дает

В = IR ₁ + IR ₂ + IR ₃ = I ( R ₁ + R ₂ + R ₃ ).

Обратите внимание, что для эквивалентного сопротивления одной серии R _с , мы имеем

В = ИК _с .

Это означает, что полное или эквивалентное последовательное сопротивление R _с трех резисторов составляет R _с = R ₁ + R ₂ + R ₃ .Эта логика действительна в общем для любого количества резисторов, включенных последовательно; таким образом, полное сопротивление R _с последовательного соединения составляет

R _с = R ₁ + R ₂ + R ₃ +…,

, как предлагается. Поскольку весь ток должен проходить через каждый резистор, он испытывает сопротивление каждого, а последовательно соединенные сопротивления просто складываются.

Пример 1. Расчет сопротивления, тока, падения напряжения и рассеиваемой мощности: анализ последовательной цепи

Предположим, что выходное напряжение батареи на рисунке 2 равно 12.0 В, а сопротивления равны R ₁ = 1,00 Ом, R ₂ = 6,00 Ом и R ₃ = 13,0 Ом. а) Каково полное сопротивление? (б) Найдите ток. (c) Рассчитайте падение напряжения на каждом резисторе и покажите, как они складываются, чтобы равняться выходному напряжению источника. (d) Рассчитайте мощность, рассеиваемую каждым резистором. (e) Найдите выходную мощность источника и покажите, что она равна общей мощности, рассеиваемой резисторами.

Стратегия и решение для (а)

Общее сопротивление — это просто сумма отдельных сопротивлений, определяемая следующим уравнением:

[латекс] \ begin {array} {lll} {R} _ {\ text {s}} & = & {R} _ {1} + {R} _ {2} + {R} _ {3} \ \ & = & 1.00 \ text {} \ Omega + 6.00 \ text {} \ Omega + 13.0 \ text {} \ Omega \\ & = & 20.0 \ text {} \ Omega \ end {array} \\ [/ latex].

Стратегия и решение для (b)

Ток определяется по закону Ома: В = IR . Ввод значения приложенного напряжения и общего сопротивления дает ток для цепи:

[латекс] I = \ frac {V} {{R} _ {\ text {s}}} = \ frac {12.0 \ text {V}} {20.0 \ text {} \ Omega} = 0.60 \ text {A }\\[/латекс].

Стратегия и решение для (c)

Напряжение — или падение IR — на резисторе определяется законом Ома.Ввод тока и значения первого сопротивления дает

.

В ₁ = IR ₁ = (0,600 A) (1,0 Ом) = 0,600 В.

Аналогично

В ₂ = IR ₂ = (0,600 A) (6,0 Ом) = 3,60 В

и

V3 = IR ₃ = (0,600 A) (13,0 Ом) = 7,80 В.

Обсуждение для (c)

Три капли IR добавляют к 12.0 В, прогноз:

В ₁ + В ₂ + В ₃ = (0,600 + 3,60 + 7,80) В = 12,0 В.

Стратегия и решение для (d)

Самый простой способ рассчитать мощность в ваттах (Вт), рассеиваемую резистором в цепи постоянного тока, — это использовать закон Джоуля , P = IV , где P — электрическая мощность. В этом случае через каждый резистор протекает одинаковый полный ток.Подставляя закон Ома V = IR в закон Джоуля, мы получаем мощность, рассеиваемую первым резистором, как

P ₁ = I ² R ₁ = (0,600 A) ² (1,00 Ом) = 0,360 Вт

Аналогично

P ₂ = I ² R ₂ = (0,600 A) ² (6,00 Ом) = 2,16 Вт

и

P ₃ = I ² R ₃ = (0.{2}} {R} \\ [/ latex], где В, — это падение напряжения на резисторе (а не полное напряжение источника). Будут получены те же значения.

Стратегия и решение для (e)

Самый простой способ рассчитать выходную мощность источника — использовать P = IV , где В, — напряжение источника. Это дает

P = (0,600 A) (12,0 В) = 7,20 Вт.

Обсуждение для (e)

Обратите внимание, что по совпадению общая мощность, рассеиваемая резисторами, также равна 7.20 Вт, столько же, сколько мощность, выдаваемая источником. То есть

P ₁ + P ₂ + P ₃ = (0,360 + 2,16 + 4,68) W = 7,20 Вт.

Мощность — это энергия в единицу времени (ватт), поэтому для сохранения энергии требуется, чтобы выходная мощность источника была равна общей мощности, рассеиваемой резисторами.

Основные характеристики резисторов серии

1. Последовательные сопротивления добавить: R _с = R ₁ + R ₂ + R ₃ +….
2. Одинаковый ток протекает последовательно через каждый резистор.
3. Отдельные последовательно включенные резисторы не получают полное напряжение источника, а делят его.

На рисунке 3 показаны резисторы , подключенные параллельно , подключенные к источнику напряжения. Резисторы включены параллельно, когда каждый резистор подключен непосредственно к источнику напряжения с помощью соединительных проводов с незначительным сопротивлением. Таким образом, к каждому резистору приложено полное напряжение источника. Каждый резистор потребляет такой же ток, как если бы он один был подключен к источнику напряжения (при условии, что источник напряжения не перегружен).Например, автомобильные фары, радио и т. Д. Подключены параллельно, так что они используют полное напряжение источника и могут работать полностью независимо. То же самое и в вашем доме, или в любом другом здании. (См. Рисунок 3 (b).)

Рис. 3. (a) Три резистора, подключенных параллельно батарее, и эквивалентное одиночное или параллельное сопротивление. (б) Электроснабжение в доме. (Источник: Dmitry G, Wikimedia Commons)

Чтобы найти выражение для эквивалентного параллельного сопротивления R _p , давайте рассмотрим протекающие токи и их связь с сопротивлением.Поскольку каждый резистор в цепи имеет полное напряжение, токи, протекающие через отдельные резисторы, равны [латекс] {I} _ {1} = \ frac {V} {{R} _ {1}} \\ [/ latex] , [латекс] {I} _ {2} = \ frac {V} {{R} _ {2}} \\ [/ latex] и [латекс] {I} _ {3} = \ frac {V} {{R} _ {3}} \\ [/ латекс]. Сохранение заряда подразумевает, что полный ток I , производимый источником, является суммой этих токов:

I = I ₁ + I ₂ + I ₃ .

Подстановка выражений для отдельных токов дает

[латекс] I = \ frac {V} {{R} _ {1}} + \ frac {V} {{R} _ {2}} + \ frac {V} {{R} _ {3}} = V \ left (\ frac {1} {{R} _ {1}} + \ frac {1} {{R} _ {2}} + \ frac {1} {{R} _ {3}} \ справа) \\ [/ латекс].

Обратите внимание, что закон Ома для эквивалентного одиночного сопротивления дает

[латекс] I = \ frac {V} {{R} _ {p}} = V \ left (\ frac {1} {{R} _ {p}} \ right) \\ [/ latex].

Члены в круглых скобках в последних двух уравнениях должны быть равны. Обобщая для любого количества резисторов, общее сопротивление R _p параллельного соединения связано с отдельными сопротивлениями на

[латекс] \ frac {1} {{R} _ {p}} = \ frac {1} {{R} _ {1}} + \ frac {1} {{R} _ {2}} + \ гидроразрыв {1} {{R} _ {\ text {.} 3}} + \ text {.} \ Text {…} \\ [/ latex]

Это соотношение приводит к общему сопротивлению R _p , которое меньше наименьшего из отдельных сопротивлений. (Это видно в следующем примере.) При параллельном подключении резисторов от источника течет больше тока, чем протекает по любому из них по отдельности, поэтому общее сопротивление ниже.

Пример 2. Расчет сопротивления, тока, рассеиваемой мощности и выходной мощности: анализ параллельной цепи

Пусть выходное напряжение батареи и сопротивления в параллельном соединении на Рисунке 3 будут такими же, как и в ранее рассмотренном последовательном соединении: В = 12.0 В, R ₁ = 1,00 Ом, R ₂ = 6,00 Ом и R ₃ = 13,0 Ом. а) Каково полное сопротивление? (б) Найдите полный ток. (c) Рассчитайте токи в каждом резисторе и покажите, как они складываются, чтобы равняться общему выходному току источника. (d) Рассчитайте мощность, рассеиваемую каждым резистором. (e) Найдите выходную мощность источника и покажите, что она равна общей мощности, рассеиваемой резисторами.

Стратегия и решение для (а)

Общее сопротивление для параллельной комбинации резисторов находится с помощью следующего уравнения.Ввод известных значений дает

[латекс] \ frac {1} {{R} _ {p}} = \ frac {1} {{R} _ {1}} + \ frac {1} {{R} _ {2}} + \ frac {1} {{R} _ {3}} = \ frac {1} {1 \ text {.} \ text {00} \ text {} \ Omega} + \ frac {1} {6 \ text {. } \ text {00} \ text {} \ Omega} + \ frac {1} {\ text {13} \ text {.} 0 \ text {} \ Omega} \\ [/ latex].

Таким образом,

[латекс] \ frac {1} {{R} _ {p}} = \ frac {1.00} {\ text {} \ Omega} + \ frac {0 \ text {.} \ Text {1667}} {\ текст {} \ Omega} + \ frac {0 \ text {.} \ text {07692}} {\ text {} \ Omega} = \ frac {1 \ text {.} \ text {2436}} {\ text { } \ Omega} \\ [/ латекс].

(Обратите внимание, что в этих расчетах каждый промежуточный ответ отображается с дополнительной цифрой.) Мы должны перевернуть это, чтобы найти полное сопротивление R _p . Это дает

[латекс] {R} _ {\ text {p}} = \ frac {1} {1 \ text {.} \ Text {2436}} \ text {} \ Omega = 0 \ text {.} \ Text { 8041} \ text {} \ Omega \\ [/ latex].

Общее сопротивление с правильным количеством значащих цифр составляет R _p = 0,804 Ом

Обсуждение для (а)

R _p , как и предполагалось, меньше наименьшего индивидуального сопротивления.

Стратегия и решение для (b)

Полный ток можно найти из закона Ома, заменив полное сопротивление R _p . Это дает

[латекс] I = \ frac {V} {{R} _ {\ text {p}}} = \ frac {\ text {12.0 V}} {0.8041 \ text {} \ Omega} = \ text {14} \ text {.} \ text {92 A} \\ [/ latex].

Обсуждение для (б)

Ток I для каждого устройства намного больше, чем для тех же устройств, подключенных последовательно (см. Предыдущий пример).Схема с параллельным соединением имеет меньшее общее сопротивление, чем резисторы, включенные последовательно.

Стратегия и решение для (c)

Отдельные токи легко вычислить по закону Ома, поскольку каждый резистор получает полное напряжение. Таким образом,

[латекс] {I} _ {1} = \ frac {V} {{R} _ {1}} = \ frac {12.0 \ text {V}} {1.00 \ text {} \ Omega} = 12.0 \ text {A} \\ [/ латекс].

Аналогично

[латекс] {I} _ {2} = \ frac {V} {{R} _ {2}} = \ frac {12.0 \ text {V}} {6.00 \ text {} \ Omega} = 2 \ text {.} \ text {00} \ text {A} \\ [/ latex]

и

[латекс] {I} _ {3} = \ frac {V} {{R} _ {3}} = \ frac {\ text {12} \ text {.} 0 \ text {V}} {\ text {13} \ text {.} \ Text {0} \ text {} \ Omega} = 0 \ text {.} \ Text {92} \ text {A} \\ [/ latex].

Обсуждение для (c)

Общий ток складывается из отдельных токов:

I ₁ + I ₂ + I ₃ = 14,92 A.

Это соответствует сохранению заряда.{2}} {13.0 \ text {} \ Omega} = 11.1 \ text {W} \\ [/ latex].

Обсуждение для (d)

Мощность, рассеиваемая каждым резистором при параллельном подключении, значительно выше, чем при последовательном подключении к тому же источнику напряжения.

Стратегия и решение для (e)

Общую мощность также можно рассчитать несколькими способами. Выбрав P = IV и введя полный ток, получим

P = IV = (14,92 A) (12,0 В) = 179 Вт.

Обсуждение для (e)

Общая мощность, рассеиваемая резисторами, также составляет 179 Вт:

P ₁ + P ₂ + P ₃ = 144 Вт + 24,0 Вт + 11,1 Вт = 179 Вт

Это соответствует закону сохранения энергии.

Общее обсуждение

Обратите внимание, что как токи, так и мощность при параллельном подключении больше, чем для тех же устройств, подключенных последовательно.

Основные характеристики резисторов, подключенных параллельно

1. Параллельное сопротивление определяется из [latex] \ frac {1} {{R} _ {\ text {p}}} = \ frac {1} {{R} _ {1}} + \ frac {1} { {R} _ {2}} + \ frac {1} {{R} _ {3}} + \ text {…} \\ [/ latex], и оно меньше любого отдельного сопротивления в комбинации.
2. На каждый параллельно включенный резистор подается такое же полное напряжение источника. (В системах распределения электроэнергии чаще всего используются параллельные соединения для питания бесчисленных устройств, обслуживаемых одним и тем же напряжением, и для того, чтобы они могли работать независимо.)
3. Параллельные резисторы не получают суммарный ток каждый; они делят это.

Сочетания последовательного и параллельного

Более сложные соединения резисторов иногда представляют собой просто комбинации последовательного и параллельного. Они часто встречаются, особенно если учесть сопротивление провода. В этом случае сопротивление провода включено последовательно с другими сопротивлениями, включенными параллельно. Комбинации последовательного и параллельного подключения можно свести к одному эквивалентному сопротивлению, используя технику, показанную на рисунке 4.Различные части идентифицируются как последовательные или параллельные, уменьшаются до их эквивалентов и далее уменьшаются до тех пор, пока не останется единственное сопротивление. Процесс занимает больше времени, чем труден.

Рис. 4. Эта комбинация из семи резисторов имеет как последовательные, так и параллельные части. Каждый из них идентифицируется и приводится к эквивалентному сопротивлению, а затем уменьшается до тех пор, пока не будет достигнуто одно эквивалентное сопротивление.

Самая простая комбинация последовательного и параллельного сопротивления, показанная на рисунке 4, также является наиболее поучительной, поскольку она используется во многих приложениях.Например, R ₁ может быть сопротивлением проводов от автомобильного аккумулятора к его электрическим устройствам, которые подключены параллельно. R ₂ и R ₃ могли быть стартером и светом салона. Ранее мы предполагали, что сопротивление провода незначительно, но, когда это не так, оно имеет важные последствия, как показывает следующий пример.

Пример 3. Расчет сопротивления,

IR Падение, ток и рассеиваемая мощность: объединение последовательных и параллельных цепей

На рис. 5 показаны резисторы из двух предыдущих примеров, подключенные другим способом — сочетание последовательного и параллельного.Можно считать R ₁ сопротивлением проводов, ведущих к R ₂ и R ₃ . (а) Найдите полное сопротивление. (b) Что такое падение IR в R ₁ ? (c) Найдите текущие значения от I ₂ до R ₂ . (d) Какую мощность рассеивает R ₂ ?

Рис. 5. Эти три резистора подключены к источнику напряжения, так что R ₂ и R ₃ параллельны друг другу, и эта комбинация включена последовательно с R ₁ .

Стратегия и решение для (а)

Чтобы найти полное сопротивление, отметим, что R ₂ и R ₃ находятся параллельно, и их комбинация R _p находится последовательно с R ₁ . Таким образом, полное (эквивалентное) сопротивление этой комбинации составляет

.

R _итого = R ₁ + R _p .

Сначала находим R _p , используя уравнение для параллельных резисторов и вводя известные значения:

[латекс] \ frac {1} {{R} _ {\ text {p}}} = \ frac {1} {{R} _ {2}} + \ frac {1} {{R} _ {3 }} = \ frac {1} {6 \ text {.} \ text {00} \ text {} \ Omega} + \ frac {1} {\ text {13} \ text {.} 0 \ text {} \ Omega} = \ frac {0.2436} {\ text {} \ Омега} \\ [/ латекс].

Инвертирование дает

[латекс] {R} _ {\ text {p}} = \ frac {1} {0,2436} \ text {} \ Omega = 4.11 \ text {} \ Omega \\ [/ latex].

Таким образом, общее сопротивление равно

.

R _до = R ₁ + R _p = 1,00 Ом + 4,11 Ом = 5,11 Ом.

Обсуждение для (а)

Общее сопротивление этой комбинации является промежуточным между значениями чистой серии и чистой параллели (20.0 Ом и 0,804 Ом соответственно), найденные для тех же резисторов в двух предыдущих примерах.

Стратегия и решение для (b)

Чтобы найти падение IR в R ₁ , отметим, что полный ток I протекает через R ₁ . Таким образом, его падение IR составляет

.

В ₁ = ИК ₁

Мы должны найти I , прежде чем сможем вычислить V ₁ .Полный ток I находится с помощью закона Ома для схемы. То есть

[латекс] I = \ frac {V} {{R} _ {\ text {tot}}} = \ frac {\ text {12.0} \ text {V}} {5.11 \ text {} \ Omega} = 2.35 \ text {A} \\ [/ latex].

Вводя это в выражение выше, мы получаем

В ₁ = IR ₁ = (2,35 А) (1,00 Ом) = 2,35 В.

Обсуждение для (б)

Напряжение, приложенное к R ₂ и R ₃ , меньше полного напряжения на величину В ₁ .Когда сопротивление провода велико, это может существенно повлиять на работу устройств, представленных R ₂ и R ₃ .

Стратегия и решение для (c)

Чтобы найти ток через R ₂ , мы должны сначала найти приложенное к нему напряжение. Мы называем это напряжение В _p , потому что оно приложено к параллельной комбинации резисторов. Напряжение, приложенное как к R ₂ , так и к R ₃ , уменьшается на величину В ₁ , и поэтому оно составляет

В _p = V — V ₁ = 12.0 В — 2,35 В = 9,65 В.

Теперь ток I ₂ через сопротивление R ₂ находится по закону Ома:

[латекс] {I} _ {2} = \ frac {{V} _ {\ text {p}}} {{R} _ {2}} = \ frac {9.65 \ text {V}} {6.00 \ текст {} \ Omega} = 1,61 \ text {A} \\ [/ latex].

Обсуждение для (c)

Ток меньше 2,00 А, которые протекали через R ₂ , когда он был подключен параллельно к батарее в предыдущем примере параллельной цепи.

Стратегия и решение для (d)

Мощность, рассеиваемая R ₂ равна

P ₂ = ( I ₂ ) ² R ₂ = (1,61 A) ² (6,00 Ом) = 15,5 Вт

Обсуждение для (d)

Мощность меньше 24,0 Вт, рассеиваемых этим резистором при параллельном подключении к источнику 12,0 В.

Одним из следствий этого последнего примера является то, что сопротивление в проводах снижает ток и мощность, подаваемую на резистор.Если сопротивление провода относительно велико, как в изношенном (или очень длинном) удлинителе, то эти потери могут быть значительными. Если потребляется большой ток, падение IR в проводах также может быть значительным.

Например, когда вы роетесь в холодильнике и включается мотор, свет холодильника на мгновение гаснет. Точно так же вы можете увидеть тусклый свет в салоне, когда вы запускаете двигатель вашего автомобиля (хотя это может быть связано с сопротивлением внутри самой батареи).

То, что происходит в этих сильноточных ситуациях, показано на рисунке 6. Устройство, обозначенное номером R ₃ , имеет очень низкое сопротивление, поэтому при его включении протекает большой ток. Этот увеличенный ток вызывает большее падение IR в проводах, представленных R ₁ , уменьшая напряжение на лампочке (которое составляет R ₂ ), которое затем заметно гаснет.

Рис. 6. Почему гаснет свет, когда включен большой прибор? Ответ заключается в том, что большой ток, потребляемый двигателем прибора, вызывает значительное падение напряжения в проводах и снижает напряжение на свету.

Проверьте свое понимание

Можно ли любую произвольную комбинацию резисторов разбить на последовательную и параллельную? Посмотрите, сможете ли вы нарисовать принципиальную схему резисторов, которые нельзя разбить на комбинации последовательно и параллельно.

Решение

Нет, есть много способов подключения резисторов, которые не являются комбинациями последовательного и параллельного, включая петли и переходы. В таких случаях правила Кирхгофа, которые будут включены в Правила Кирхгофа, позволят вам проанализировать схему.

Стратегии решения проблем для последовательных и параллельных резисторов

1. Нарисуйте четкую принципиальную схему, обозначив все резисторы и источники напряжения. Этот шаг включает в себя список известных проблем, поскольку они отмечены на вашей принципиальной схеме.
2. Определите, что именно необходимо определить в проблеме (определите неизвестные). Письменный список полезен.
3. Определите, подключены ли резисторы последовательно, параллельно или в комбинации последовательно и параллельно.Изучите принципиальную схему, чтобы сделать эту оценку. Резисторы включены последовательно, если через них должен последовательно проходить один и тот же ток.
4. Используйте соответствующий список основных функций для последовательных или параллельных подключений, чтобы найти неизвестные. Есть один список для серий, а другой — для параллелей. Если ваша проблема представляет собой комбинацию последовательного и параллельного соединения, уменьшайте ее поэтапно, рассматривая отдельные группы последовательных или параллельных соединений, как это сделано в этом модуле и примерах. Особое примечание: при обнаружении R необходимо проявлять осторожность.
5. Проверьте, являются ли ответы разумными и последовательными. Единицы и числовые результаты должны быть разумными. Общее последовательное сопротивление должно быть больше, а общее параллельное сопротивление, например, должно быть меньше. Мощность должна быть больше для одних и тех же устройств, подключенных параллельно, по сравнению с последовательными и т. Д.

Сводка раздела

Концептуальные вопросы

1. Переключатель имеет переменное сопротивление, близкое к нулю в замкнутом состоянии и очень большое в разомкнутом, и он включен последовательно с устройством, которым он управляет.Объясните влияние переключателя на рис. 7 на ток в разомкнутом и замкнутом состоянии.

Рис. 7. Выключатель обычно включается последовательно с источником сопротивления и напряжения. В идеале переключатель имеет почти нулевое сопротивление в замкнутом состоянии, но имеет чрезвычайно большое сопротивление в разомкнутом состоянии. (Обратите внимание, что на этой диаграмме скрипт E представляет напряжение (или электродвижущую силу) батареи.)

2. Какое напряжение на разомкнутом переключателе на Рисунке 7?

3. На разомкнутом переключателе есть напряжение, как на Рисунке 7.Почему же тогда мощность, рассеиваемая разомкнутым переключателем, мала?

4. Почему мощность, рассеиваемая замкнутым переключателем, как на Рисунке 7, мала?

5. Студент в физической лаборатории по ошибке подключил электрическую лампочку, батарею и выключатель, как показано на рисунке 8. Объясните, почему лампочка горит, когда выключатель разомкнут, и гаснет, когда он замкнут. (Не пытайтесь — батарея сильно разряжается!)

Рис. 8. Ошибка подключения. Включите этот переключатель параллельно устройству, обозначенному [латекс] R [/ латекс].(Обратите внимание, что на этой диаграмме скрипт E представляет напряжение (или электродвижущую силу) батареи.)

6. Зная, что сила электрического шока зависит от величины тока, протекающего через ваше тело, вы бы предпочли, чтобы он был включен последовательно или параллельно с сопротивлением, таким как нагревательный элемент тостера, если он шокирован им? Объяснять.

7. Были бы ваши фары тусклыми при запуске двигателя автомобиля, если бы провода в вашем автомобиле были сверхпроводниками? (Не пренебрегайте внутренним сопротивлением батареи.) Объяснять.

8. Некоторые гирлянды праздничных огней соединены последовательно для экономии затрат на проводку. В старой версии использовались лампочки, которые при перегорании разрывают электрическое соединение, как открытый выключатель. Если одна такая лампочка перегорит, что случится с остальными? Если такая цепочка работает от 120 В и имеет 40 одинаковых лампочек, каково нормальное рабочее напряжение каждой? В более новых версиях используются лампы, которые при перегорании замыкаются накоротко, как замкнутый выключатель. Если одна такая лампочка перегорит, что случится с остальными? Если такая цепочка работает от 120 В и в ней осталось 39 идентичных лампочек, каково тогда рабочее напряжение каждой?

9.Если две бытовые лампочки мощностью 60 и 100 Вт подключить последовательно к бытовой электросети, какая из них будет ярче? Объяснять.

10. Предположим, вы проводите физическую лабораторию, в которой вас просят вставить резистор в цепь, но все прилагаемые резисторы имеют большее сопротивление, чем запрошенное значение. Как бы вы соединили доступные сопротивления, чтобы попытаться получить меньшее запрошенное значение?

11. Перед Второй мировой войной некоторые радиостанции получали питание через «шнур сопротивления», который имел значительное сопротивление.Такой резистивный шнур снижает напряжение до желаемого уровня для ламп радиоприемника и т.п., и это экономит расходы на трансформатор. Объясните, почему шнуры сопротивления нагреваются и тратят энергию при включенном радио.

12. У некоторых лампочек есть три уровня мощности (не включая ноль), получаемые от нескольких нитей накала, которые индивидуально переключаются и соединяются параллельно. Какое минимальное количество нитей необходимо для трех режимов мощности?

Задачи и упражнения

Примечание. Можно считать, что данные, взятые из цифр, имеют точность до трех значащих цифр.

1. (а) Каково сопротивление десяти последовательно соединенных резисторов сопротивлением 275 Ом? (б) Параллельно?

2. (a) Каково сопротивление последовательно соединенных резисторов 1,00 × 10 ² Ом, 2,50 кОм и 4,00 кОм? (б) Параллельно?

3. Какое наибольшее и наименьшее сопротивление можно получить, соединив резисторы на 36,0 Ом, 50,0 Ом и 700 Ом?

4. Тостер на 1800 Вт, электрическая сковорода на 1400 Вт и лампа на 75 Вт подключены к одной розетке в цепи 15 А, 120 В.(Три устройства работают параллельно, если они подключены к одной розетке.) а) Какой ток потребляет каждое устройство? (b) Перегорит ли эта комбинация предохранитель на 15 А?

5. Фара мощностью 30,0 Вт и стартер мощностью 2,40 кВт обычно подключаются параллельно в систему на 12,0 В. Какую мощность потребляли бы одна фара и стартер при последовательном подключении к батарее 12,0 В? (Не обращайте внимания на любое другое сопротивление в цепи и любое изменение сопротивления в двух устройствах.)

6.(a) Учитывая батарею на 48,0 В и резисторы на 24,0 и 96,0 Ом, найдите для каждого из них ток и мощность при последовательном соединении. (b) Повторите, когда сопротивления включены параллельно.

7. Ссылаясь на пример комбинирования последовательных и параллельных цепей и рисунок 5, вычислите I ₃ двумя следующими способами: (a) по известным значениям I и I ₂ ; (б) используя закон Ома для R ₃ . В обеих частях явно показано, как вы следуете шагам, описанным выше в стратегии решения проблем для последовательных и параллельных резисторов .

Рис. 5. Эти три резистора подключены к источнику напряжения, так что R ₂ и R ₃ параллельны друг другу, и эта комбинация включена последовательно с R ₁ .

8. Ссылаясь на рисунок 5: (a) Вычислите P ₃ и обратите внимание на его сравнение с P ₃ , найденным в первых двух примерах задач в этом модуле. (b) Найдите полную мощность, отдаваемую источником, и сравните ее с суммой мощностей, рассеиваемых резисторами.

9. См. Рисунок 6 и обсуждение затемнения света при включении тяжелого прибора. (a) Учитывая, что источник напряжения составляет 120 В, сопротивление провода составляет 0,400 Ом, а номинальная мощность лампы составляет 75,0 Вт, какая мощность будет рассеиваться лампой, если при включении двигателя через провода пройдет в общей сложности 15,0 А? Предположите незначительное изменение сопротивления лампы. б) Какая мощность потребляет двигатель?

Рис. 6. Почему гаснет свет, когда включен большой прибор? Ответ заключается в том, что большой ток, потребляемый двигателем прибора, вызывает значительное падение напряжения в проводах и снижает напряжение на свету.

10. Линия электропередачи 240 кВ с 5,00 × 10 ² подвешена к заземленным металлическим опорам с помощью керамических изоляторов, каждый из которых имеет сопротивление 1,00 × 10 ⁹ Ом (рисунок 9 (a)). Какое сопротивление на землю у 100 изоляторов? (b) Рассчитайте мощность, рассеиваемую 100 из них. (c) Какая доля мощности, переносимой линией, составляет это? Ясно покажите, как вы следуете шагам, описанным выше в стратегии решения проблем для последовательных и параллельных резисторов .

Рис. 9. Высоковольтная (240 кВ) линия электропередачи 5,00 × 10 ² подвешена к заземленной металлической опоре электропередачи. Ряд керамических изоляторов обеспечивает сопротивление 1,00 × 10 ⁹ Ом каждый.

11. Покажите, что если два резистора R ₁ и R ₂ объединены, и один из них намного больше другого ( R ₁ >> R ₂ ): (a ) Их последовательное сопротивление почти равно большему сопротивлению R ₁ .(б) Их параллельное сопротивление почти равно меньшему сопротивлению R ₂ .

12. Необоснованные результаты Два резистора, один из которых имеет сопротивление 145 Ом, подключены параллельно, чтобы получить общее сопротивление 150 Ом. а) Каково значение второго сопротивления? б) Что неразумного в этом результате? (c) Какие предположения необоснованны или непоследовательны?

13. Необоснованные результаты Два резистора, один из которых имеет сопротивление 900 кОм, соединены последовательно, чтобы получить общее сопротивление 0.500 МОм. а) Каково значение второго сопротивления? б) Что неразумного в этом результате? (c) Какие предположения необоснованны или непоследовательны?

Глоссарий

серия:

последовательность резисторов или других компонентов, включенных в цепь один за другим

резистор:

компонент, обеспечивающий сопротивление току, протекающему через электрическую цепь

сопротивление:

вызывает потерю электроэнергии в цепи

Закон Ома:

соотношение между током, напряжением и сопротивлением в электрической цепи: В = IR

напряжение:

электрическая потенциальная энергия на единицу заряда; электрическое давление, создаваемое источником питания, например аккумулятором

падение напряжения:

потеря электроэнергии при прохождении тока через резистор, провод или другой компонент

ток:

поток заряда через электрическую цепь мимо заданной точки измерения

Закон Джоуля:

взаимосвязь между потенциальной электрической мощностью, напряжением и сопротивлением в электрической цепи, определяемая следующим образом: [latex] {P} _ {e} = \ text {IV} [/ latex]

параллельно:

разводку резисторов или других компонентов в электрической цепи, так что каждый компонент получает одинаковое напряжение от источника питания; часто изображается на диаграмме в виде лестницы, где каждый компонент находится на ступеньке лестницы

Избранные решения проблем и упражнения

1.(а) 2,75 кОм (б) 27,5 Ом

3. (а) 786 Ом (б) 20,3 Ом

5. 29,6 Вт

7. (а) 0,74 А (б) 0,742 А

9. (а) 60,8 Вт (б) 3,18 кВт

11. (a) [латекс] \ begin {array} {} {R} _ {\ text {s}} = {R} _ {1} + {R} _ {2} \\ \ Rightarrow {R} _ {\ text {s}} \ приблизительно {R} _ {1} \ left ({R} _ {1} \ text {>>} {R} _ {2} \ right) \ end {array} \\ [/ латекс]

(b) [латекс] \ frac {1} {{R} _ {p}} = \ frac {1} {{R} _ {1}} + \ frac {1} {{R} _ {2} } = \ frac {{R} _ {1} + {R} _ {2}} {{R} _ {1} {R} _ {2}} \\ [/ latex],

, так что

[латекс] \ begin {array} {} {R} _ {p} = \ frac {{R} _ {1} {R} _ {2}} {{R} _ {1} + {R} _ {2}} \ приблизительно \ frac {{R} _ {1} {R} _ {2}} {{R} _ {1}} = {R} _ {2} \ left ({R} _ {1 } \ text {>>} {R} _ {2} \ right) \ text {.} \ end {array} \\ [/ latex]

13. (a) –400 кОм (b) Сопротивление не может быть отрицательным. (c) Считается, что последовательное сопротивление меньше, чем у одного из резисторов, но должно быть больше, чем у любого из резисторов.

3.5: Рассеивание мощности в цепях резисторов

Задачи обучения

• Рассеивание мощности в цепях резисторов.

Мы можем найти напряжения и токи в простых схемах, содержащих резисторы и источники напряжения или тока. Мы должны проверить, подчиняются ли эти переменные схемы принципу сохранения энергии: поскольку схема является замкнутой системой, она не должна рассеивать или создавать энергию.На данный момент наш подход состоит в том, чтобы сначала исследовать потребление / создание мощности цепи резистора . Позже мы докажем , что из-за KVL и KCL все цепи сохраняют электроэнергию.

Как определено на [ссылка], мгновенная мощность, потребляемая / создаваемая каждым элементом схемы, равна произведению его напряжения и тока. Общая мощность, потребляемая / создаваемая цепью, равна сумме мощностей каждого элемента.

\ [P = \ sum_ {k} v_ {k} i_ {k} \]

Напомним, что ток и напряжение каждого элемента должны соответствовать соглашению, согласно которому положительный ток определен для входа на клемму положительного напряжения.При таком соглашении положительное значение v _k i _k соответствует потребляемой мощности, отрицательное значение — создаваемой мощности. Поскольку общая мощность в цепи должна быть равна нулю ( P = 0), некоторые элементы схемы должны создавать мощность, в то время как другие потребляют ее.

Рассмотреть простую последовательную схему следует в [ссылка]. При выполнении наших расчетов мы определили ток i _out , протекающий через клеммы положительного напряжения обоих резисторов, и нашли его равным:

\ [i_ {out} = \ frac {v_ {in}} {R_ {1} + R_ {2}} \]

Напряжение на резисторе R ₂ является выходным напряжением, и мы нашли его равным:

\ [v_ {out} = \ frac {R_ {2}} {R_ {1} + R_ {2}} v_ {in} \]

Следовательно, вычисление мощности для этого резистора дает

\ [P_ {2} = \ frac {R_ {2}} {(R_ {1} + R_ {2}) ^ {2}} v_ {in} ^ {2} \]

Следовательно, этот резистор рассеивает мощность, потому что P ₂ положительный.{2} Р \]

Поскольку резисторы имеют положительное значение, резисторы всегда рассеивают мощность . Но куда девается мощность резистора? При сохранении мощности рассеиваемая мощность должна где-то поглощаться. Ответ не предсказывается непосредственно теорией цепей, но физикой. Ток, протекающий через резистор, нагревает его; его мощность рассеивается теплом.

Удельное сопротивление

Физический провод имеет сопротивление и, следовательно, рассеивает мощность (нагревается, как резистор в цепи).Фактически, сопротивление провода длиной L и площадью поперечного сечения A определяется по формуле:

\ [R = \ frac {\ rho L} {A} \]

Величина ρ известна как удельное сопротивление и представляет собой сопротивление материала единичной длины с единичной площадью поперечного сечения, составляющего провод. Удельное сопротивление измеряется в ом-метрах. Большинство материалов имеют положительное значение ρ , что означает, что чем длиннее провод, тем больше сопротивление и, следовательно, рассеиваемая мощность. {2} \ tau}) \ frac {L} {a}, V = I (ne2τm) aL,

, где mmm и eee — масса и заряд электрона соответственно, LLL и aaa — длина и площадь проводящего материала, составляющего резистор, nnn — плотность носителей заряда, а τ \ tau τ — интервал времени между два столкновения электронов в резисторе.Сопротивление также можно расширить до:

R = ρLA, R = \ frac {\ rho L} {A}, R = AρL,

, где ρ \ rhoρ — это удельное сопротивление , , свойство материала резистора, а LLL и AAA — длина и площадь поперечного сечения резистора соответственно.

Неупругие столкновения электронов, движущихся по проводнику, являются причиной сопротивления. Кристаллическая структура атомов металла в проводнике препятствует прохождению через него электронов. В любой данный момент электроны имеют определенную вероятность неупругого рассеяния от металлической решетки, передавая часть своей энергии решетке в виде кинетической энергии, т.е.е. нагревать. Это рассеивание тепла в решетке, называемое нагревом Джоулей , является источником рассеивания мощности в резисторе. Обратите внимание, что хотя межэлектронные столкновения могут давать свою собственную связанную тепловую энергию движения, эта энергия остается внутренней по отношению к системе до тех пор, пока она не рассеивается в металлической решетке, которая не переносит ток.

Вычисление среднего времени свободного пробега электронов, движущихся через проводник, показывает, что электроны проходят через большое количество узлов решетки, прежде чем существенно взаимодействуют с катионами металлов.Объяснение этому факту исходит из квантовой механики и дуализма волна-частица. Из-за волновой природы электрона электроны могут распространяться без неупругого рассеяния на большее расстояние через решетку, чем ожидалось, и вероятность рассеяния намного более чувствительна к дефектам решетки, чем плотность решетки.

Мощность и энергия

• Изучив этот раздел, вы сможете:
• Выполнять расчеты мощности, напряжения, тока и сопротивления.
• • с использованием соответствующих единиц и подразделов.
• Различайте мощность и энергию в электрических цепях.

Мощность резисторов

Когда через резистор протекает ток, электрическая энергия преобразуется в ТЕПЛОВУЮ энергию. Тепло, генерируемое в компонентах цепи, каждый из которых обладает хотя бы некоторым сопротивлением, рассеивается в воздухе вокруг компонентов. Скорость рассеивания тепла называется МОЩНОСТЬЮ, обозначается буквой P и измеряется в ваттах (Вт).

Количество рассеиваемой мощности может быть вычислено с использованием любых двух величин, используемых в расчетах по закону Ома. Помните, как и в любой формуле, в формуле должны использоваться ОСНОВНЫЕ КОЛИЧЕСТВА, то есть ВОЛЬТЫ, ОМЫ и АМПЕРЫ (не милли, мег и т. Д.).

Чтобы найти мощность P, используя V и I

Чтобы найти мощность P, используя V и R

Чтобы найти мощность P, используя I и R

Перед тем, как начать, подумайте об этих нескольких советах, они облегчат решение, если внимательно следовать им.

1. Разработайте ответы с помощью карандаша и бумаги; в противном случае легко запутаться на полпути и получить неправильный ответ.

2. Конечно, ответ — это не просто число, это будет определенное количество ватт (или несколько или несколько единиц ватт). Не забудьте указать правильную единицу измерения (например, Вт или мВт и т. Д.), А также число, иначе ответ не имеет смысла.

3. Преобразуйте все дополнительные единицы, такие как мВ или кОм, в ватты, указав их в соответствующей формуле.Ошибка здесь даст действительно глупые ответы, в тысячи раз слишком большие или слишком маленькие.

4. Хотя структура этих формул мощности кажется очень похожей на формулы закона Ома, есть небольшое различие — они содержат некоторые элементы в квадрате (I ² и V ² ). Будьте очень осторожны при использовании трюка с треугольником для транспонирования этих формул. Если вам нужно связать мощность с сопротивлением, то I или V необходимо возвести в квадрат (умножить на себя). Однако вы можете построить треугольник, который соответствует любой из формул для получения R, как показано ниже.

Не забудьте загрузить нашу брошюру «Подсказки по математике», в которой показано, как использовать калькулятор с показателями степени и инженерной нотацией, чтобы иметь дело с этими частями и каждый раз получать правильный ответ.

Нет научного калькулятора? Буклет «Подсказки по математике» объясняет, что вам нужно (и что вам не нужно, чтобы не тратить деньги без надобности). Если вы не хотите покупать научный калькулятор, вы всегда можете получить его бесплатно в сети.Пользователи ПК могут попробовать Calc98 на сайте www.calculator.org/download.html. Какой бы калькулятор вы ни выбрали, прочтите инструкции, чтобы ознакомиться с методами работы, которые вам следует использовать, поскольку они варьируются от калькулятора к калькулятору.

Важно знать о влиянии рассеивания мощности в компонентах: чем больше мощность, тем больше тепла должно рассеиваться компонентом. Обычно это означает, что компоненты, рассеивающие большое количество энергии, нагреваются, а также они будут значительно больше по размеру, чем типы с низким энергопотреблением.Если компоненту требуется рассеивать больше энергии, чем он предназначен, он не сможет достаточно быстро избавиться от выделяемого тепла. Его температура повысится, и перегрев может вызвать полный отказ компонента и, возможно, повреждение других компонентов и самой печатной платы (PCB). В качестве меры предосторожности резисторы большой мощности часто устанавливают вне печатной платы с помощью более длинных выводных проводов, заключенных в керамические гильзы. Резисторы с проволочной обмоткой большой мощности могут даже быть заключены в металлический радиатор и прикреплены болтами к большой металлической поверхности, такой как корпус оборудования, чтобы избавиться от нежелательного тепла.Примеры резисторов большой мощности показаны на странице конструкции резистора.

Такие компоненты, как резисторы, имеют определенную номинальную мощность, указанную производителем (в ваттах или милливаттах). Этот рейтинг (параметр) необходимо проверять при замене компонента, чтобы не произошло завышения рейтинга. Это важный фактор безопасности при обслуживании электронного оборудования.

TIP

Тепло, выделяемое резисторами большой мощности, является основной причиной преждевременного выхода из строя многих цепей.Либо сам резистор выходит из строя из-за «разомкнутой цепи», особенно в резисторах с проволочной обмоткой. В резисторах из углеродного состава длительный перегрев может привести к изменению значения. Это может увеличиваться в типах с высоким сопротивлением или более опасно уменьшаться (позволяя увеличить ток) в типах с низким сопротивлением. Увеличение протекания тока, вызванное этим уменьшением сопротивления, только ускоряет процесс, и в конечном итоге резистор (а иногда и другие связанные компоненты) сгорает!

Энергия в резисторах

Если определенное количество мощности рассеивается в течение заданного времени, то рассеивается ЭНЕРГИЯ.Энергия (мощность x время) измеряется в джоулях, и, включив время (t) в формулы мощности, можно рассчитать энергию, рассеиваемую компонентом или схемой.

Рассеиваемая энергия = Pt или VIt или V ² t / R или даже I ² Rt Джоуль

Обратите внимание, что в формулах для энергии такие величины, как мощность, время, сопротивление, ток и напряжение, должны быть преобразованы в их основные единицы, например Ватты, секунды, Ом, Амперы, Вольт и т. Д.Никаких дополнительных единиц или нескольких единиц! Как описано в буклете «Советы по математике».

Все вышеперечисленные единицы являются частью интегрированной системы международно стандартизированных единиц; Система S.I. (Système International d´Unités). Эта система устанавливает основные единицы для любых электрических, механических и физических свойств и их отношения друг к другу. Он также включает в себя стандартную форму кратных и подкратных чисел, описанную в буклете «Подсказки по математике».

Мощность в цепи переменного тока — Университетская физика, том 2

Цели обучения

К концу раздела вы сможете:

• Опишите, как среднюю мощность от цепи переменного тока можно записать в терминах пикового тока и напряжения, а также среднеквадратичных значений тока и напряжения
• Определите соотношение между фазовым углом тока и напряжения и средней мощностью, известное как коэффициент мощности

Элемент схемы рассеивает или производит мощность в зависимости от того, где I — ток через элемент, а В — напряжение на нем.Поскольку ток и напряжение в цепи переменного тока зависят от времени, мгновенная мощность также зависит от времени. График p ( t ) для различных элементов схемы показан на (Рисунок). Для резистора i ( t ) и v ( t ) синфазны и поэтому всегда имеют один и тот же знак (см. (Рисунок)). Для конденсатора или катушки индуктивности относительные знаки i ( t ) и v ( t ) меняются в течение цикла из-за разницы фаз (см. (Рисунок) и (Рисунок)).Следовательно, p ( t ) в некоторые моменты является положительным, а в другое — отрицательным, что указывает на то, что емкостные и индуктивные элементы вырабатывают мощность в одни моменты и поглощают ее в другие.

Поскольку мгновенная мощность изменяется как по величине, так и по знаку в течение цикла, она редко имеет какое-либо практическое значение. То, что нас почти всегда интересует, — это усредненная по времени мощность, которую мы называем средней мощностью. Он определяется средним по времени мгновенной мощностью за один цикл:

где — период колебаний.С заменами и этот интеграл становится

Используя тригонометрическое соотношение, получаем

Вычисление этих двух интегралов дает

и

Следовательно, средняя мощность, связанная с элементом схемы, равна

В технических приложениях известен как коэффициент мощности, который представляет собой величину, на которую мощность, передаваемая в цепи, меньше теоретического максимума цепи из-за того, что напряжение и ток не совпадают по фазе.Для резистора, поэтому средняя рассеиваемая мощность составляет

Сравнение p ( t ) и показано на (Рисунок) (d). Чтобы выглядеть как его аналог постоянного тока, мы используем среднеквадратичные значения тока и напряжения. По определению это

где

С получаем

Затем мы можем написать для средней мощности, рассеиваемой резистором,

Это уравнение дополнительно подчеркивает, почему при обсуждении выбирается среднеквадратичное значение, а не пиковые значения.Оба уравнения для средней мощности верны для (рисунок), но среднеквадратичные значения в формуле дают более четкое представление, поэтому дополнительный коэффициент 1/2 не требуется.

Переменные напряжения и токи обычно описываются их действующими значениями. Например, напряжение 110 В от бытовой розетки является среднеквадратичным значением. Амплитуда этого источника равна. Поскольку большинство измерителей переменного тока откалиброваны по среднеквадратичным значениям, типичный вольтметр переменного тока, помещенный в бытовую розетку, будет показывать 110 В.

Для конденсатора и катушки индуктивности соответственно. Поскольку мы находим из (Рисунок), что средняя мощность, рассеиваемая любым из этих элементов, равна Конденсаторам, а катушки индуктивности поглощают энергию из цепи в течение одного полупериода, а затем разряжают ее обратно в цепь в течение другого полупериода. Это поведение проиллюстрировано на графиках (Рисунок), (b) и (c), которые показывают, что p ( t) колеблются синусоидально около нуля.

Фазовый угол генератора переменного тока может иметь любое значение.Если генератор выдает мощность; если он поглощает энергию. В терминах среднеквадратичных значений средняя мощность генератора переменного тока записывается как

Для генератора в цепи RLC ,

и

Отсюда средняя мощность генератора

Это также можно записать как

, который означает, что мощность, производимая генератором, рассеивается в резисторе. Как мы видим, закон Ома для среднеквадратичного значения переменного тока находится делением среднеквадратичного напряжения на импеданс.

Проверьте свое понимание Вольтметр переменного тока, подключенный к клеммам генератора переменного тока 45 Гц, показывает 7,07 В. Напишите выражение для ЭДС генератора.

Проверьте свое понимание Покажите, что действующие значения напряжения на резисторе, конденсаторе и катушке индуктивности в цепи переменного тока, где среднеквадратичный ток выражается соответственно. Определите эти значения для компонентов цепи RLC (рисунок).

Сводка

• Средняя мощность переменного тока определяется умножением среднеквадратичных значений тока и напряжения.

Закон

• Ома для среднеквадратичного значения переменного тока находится делением среднеквадратичного значения напряжения на полное сопротивление.
• В цепи переменного тока существует фазовый угол между напряжением источника и током, который можно найти, разделив сопротивление на полное сопротивление.
• Средняя мощность, подаваемая в цепь RLC , зависит от фазового угла.
• Коэффициент мощности находится в диапазоне от –1 до 1.

Концептуальные вопросы

При каком значении фазового угла между выходным напряжением источника переменного тока и током средняя выходная мощность источника является максимальной?

Обсудите разницу между средней мощностью и мгновенной мощностью.

Мгновенная мощность — это мощность в данный момент. Средняя мощность — это мощность, усредненная за цикл или количество циклов.

Средний переменный ток, подаваемый в цепь, равен нулю.Несмотря на это, мощность в цепи рассеивается. Объяснять.

Может ли мгновенная выходная мощность источника переменного тока быть отрицательной? Может ли средняя выходная мощность быть отрицательной?

Мгновенная мощность может быть отрицательной, но выходная мощность не может быть отрицательной.

Номинальная мощность резистора, используемого в цепях переменного тока, относится к максимальной средней мощности, рассеиваемой в резисторе. Как это соотносится с максимальной мгновенной мощностью, рассеиваемой на резисторе?

Глоссарий

средняя мощность

среднее время мгновенной мощности за один цикл

коэффициент мощности

величина, на которую мощность, передаваемая в цепи, меньше теоретического максимума цепи из-за того, что напряжение и ток не совпадают по фазе

Какой резистор рассеивает больше мощности?

Резисторы являются важным компонентом и их можно найти почти в каждой электрической и электронной схеме (если не во всех).

Резистор может выполнять множество функций в цепи, но его основное назначение — ограничение тока.

Однако, когда дело доходит до ограничения тока, мощность рассеивается в виде тепла.

Но какой резистор рассеивает больше мощности? Мощность резистора зависит от множества факторов, но меньший резистор будет рассеивать больше мощности из-за того, что он имеет меньшую площадь поверхности и больший ток, протекающий через него.

При этом следует учитывать и другие соображения, которые сводятся к закону Ома, материалу, из которого изготовлен резистор, и площади поверхности резистора.

Я расскажу об этом ниже.

Почему резисторы рассеивают мощность

Для начала давайте разберемся, почему резисторы на самом деле рассеивают мощность.

Не вдаваясь в подробности, вы могли бы знать первый закон термодинамики, также известный как закон сохранения энергии, который гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена.

Его можно перенести или изменить из одной формы в другую.

Например, солнце преобразует ядерную энергию в тепло и свет.

Когда ток течет через резистор, его замедление или ограничение вызывает передачу энергии. Передача энергии в этом случае происходит от кинетической (колебания атомов или заряда) к теплу.

Замедление молекул в значительной степени зависит от материала, из которого сделан резистор, который имеет тенденцию быть проводником (так как через него также должен проходить ток)

Все проводники имеют некоторую форму «сопротивления».

Следовательно, резистор рассеивает мощность в виде тепла.

От чего зависит, какой резистор рассеивает больше мощности?

Теперь, когда мы знаем, почему резистор рассеивает мощность, мы можем посмотреть, какие факторы определяют, какой из резисторов рассеивает наибольшую мощность.

Первый важный фактор, определяющий, сколько мощности будет рассеивать резистор, сводится к закону Ома.

Закон Ома — это закон, который гласит, что ток через проводник (между двумя точками) пропорционален напряжению между этими двумя точками.Это можно увидеть в приведенной ниже формуле.

Эта основная формула используется при проектировании и диагностике схем.

Позволяет рассчитать напряжение, ток и сопротивление цепи или конкретного компонента в цепи.

Еще одна формула, которая важна для нас при определении мощности, рассеиваемой резистором, показана ниже.

Есть много способов рассчитать рассеиваемую мощность, но это два наиболее распространенных с использованием напряжения, тока и сопротивления.

Затем давайте посмотрим, как вы можете рассчитать, сколько мощности рассеивает резистор, используя эти формулы, которые дадут представление о том, какой тип резистора рассеивает больше мощности.

Как рассчитать, сколько мощности рассеивает резистор

Давайте взглянем на пример того, как рассчитать, сколько мощности рассеивает резистор в простой цепи.

Ниже представлена ​​простая схема с источником напряжения и резистором.

Хорошая новость заключается в том, что знание того, как рассчитать рассеиваемую мощность в этом простом типе схемы, применимо к каждой схеме, независимо от ее сложности.

Итак, мы найдем, сколько мощности рассеивает резистор в этой схеме, используя две формулы, которые мы видели ранее: V = IR и P = V ² / R.

Ниже приведен список шагов, необходимых для определения рассеиваемой мощности резистора R1 в приведенной выше схеме:

1. Найдите общий ток в цепи
2. Найдите напряжение на резисторе, используя значение тока (так как это является последовательной схемой, ток одинаков во всей цепи)
3. После определения напряжения на резисторе используйте это напряжение и значение резистора R1, чтобы найти мощность, рассеиваемую резистором.

ШАГ 1:

Сначала нам нужно найти полный ток в цепи. Это требует от нас использования уравнения V = IR.

Поскольку нам известны значения V и R, мы можем изменить формулу, чтобы сделать субъектом I, что дает нам следующую формулу: I = V / R ₁ .

Итак, подставив значения в формулу I = 5/10, мы получим ток 0,5 ампер.

ШАГ 2:

Теперь, когда у нас есть общий ток в цепи (поскольку это последовательная цепь, в которой ток одинаков во всей цепи), мы можем вычислить напряжение на резисторе.

Мы вернемся к использованию формулы V = IR.

В этом случае значение R в формуле будет значением резистора, напряжение на котором мы пытаемся найти, напряжение на котором в этом примере составляет 10 Ом.

Итак, используя только что рассчитанный ток и значение резистора R ₁ в формуле, V = 0,5 x 10, мы получаем значение напряжения 5 вольт.

Это говорит о падении напряжения на резисторе R ₁ на 5 вольт.

ШАГ 3:

Последний и последний шаг требует, чтобы мы использовали формулу P = V ² / R.

В в этом уравнении — это значение падения напряжения на резисторе R ₁ (5 вольт), а R — значение R ₁ (10 Ом).

Подставляя эти значения в уравнение P = 5 ² /10, мы получаем значение P 2,5 Вт .

Это значение мощности, рассеиваемой резистором в рассматриваемой цепи.

Почему меньший резистор рассеивает больше мощности

Из приведенного выше примера мы видели, что резистор 10 Ом рассеивает 2.5 Вт мощности.

Что, если мы уменьшим сопротивление резистора с 10 до 5 Ом, сохранив при этом значение напряжения?

Что происходит с мощностью, рассеиваемой через резистор?

Значение мощности теперь увеличивается с 2,5 Вт до 5 Вт.

Это связано с обратно пропорциональной зависимостью между R и P в уравнении P = V ² / R.

Увеличение R приведет к уменьшению P, а уменьшение R приведет к увеличению P.

Кроме того, еще одна причина, по которой резистор меньшего размера будет рассеивать больше мощности, заключается в его площади поверхности.

Резистор меньшего или меньшего номинала имеет меньшее проникновение магнитного поля, что приводит к увеличению тока в пределах меньшей площади поверхности.

Благодаря этому происходит большее рассеивание мощности в виде тепловых потерь.

Отражают ли резисторы большего размера больше мощности, чем резисторы меньшего размера?

Как мы видели в приведенных выше примерах, меньший резистор будет рассеивать больше мощности из-за закона Ома, а также из-за своих физических размеров.

Но почему резисторы большего размера используются для более мощных приложений? Означает ли это, что они рассеивают больше энергии?

Основная причина, по которой резистор большего размера используется в приложениях с более высокой мощностью, заключается в его способности выдерживать такие высокие уровни мощности.

Это зависит от размера и материала. Они специально разработаны для приложений с высокой мощностью.

Резистор большего размера, в отличие от резистора небольшого размера, имеет большую площадь поверхности, что дает ему способность рассеивать тепло и, следовательно, лучшую мощность.

Вот почему вы должны использовать резистор большего размера в приложениях с высокой мощностью, потому что они могут рассеивать эту мощность более эффективно.

Все ли резисторы рассеивают одинаковую мощность?

Простой ответ — нет.

Все резисторы рассеивают разную мощность.

Как вы уже говорили, это сводится к значению сопротивления, которое в значительной степени зависит от того, из какого материала он сделан, а также от его размера.

Все резисторы имеют собственную номинальную мощность, которая указана на упаковке резистора, в разделе технических характеристик в Интернете или в его техническом описании.

Номинальная мощность резистора

Итак, каждый резистор рассеивает разную мощность.

К счастью для нас, эта ценность дана нам.

Он известен как номинальная мощность резистора или Номинальная мощность ватт.

Каждый резистор имеет максимальную номинальную мощность, которая зависит от его физических размеров. Чем больше площадь поверхности, тем лучше его способность рассеивать мощность в виде тепла.

Этот рейтинг определен для температуры окружающей среды от 70 градусов Цельсия (158 градусов Фаренгейта) и выше.

Превышение максимальной мощности резистора приведет к его повреждению.

Хотя резисторы имеют цветовую кодировку, которая указывает значение сопротивления и допуск, эта цветовая кодировка не указывает на номинальную мощность резистора.

Номинальная мощность резистора указана на упаковке. Или, при покупке через Интернет, в разделе характеристик резистора должна быть указана номинальная мощность.

Резистор рассеивает больше мощности последовательно или параллельно?

Возможно, вы знаете, что существует два типа конфигураций схемы, в которых можно использовать резистор; Серия или Параллельный (или их комбинация).

В конфигурации Series ток постоянен во всей цепи, тогда как в параллельной конфигурации напряжение постоянно.

Итак, резистор рассеивает больше мощности последовательно или параллельно?

Конфигурация резистора не имеет значения, когда дело касается рассеиваемой мощности.

Это сводится к напряжению и току, которым подвергается резистор в любой конфигурации.

Хорошая новость заключается в том, что закон Ома и формула мощности могут использоваться в обеих конфигурациях для расчета мощности, рассеиваемой резистором, а затем вы можете выбрать резистор с правильной номинальной мощностью соответственно.

Влияет ли материал, из которого изготовлен резистор, на рассеиваемую мощность?

Материал — один из факторов, определяющих, сколько мощности будет рассеивать резистор.

Есть три типичных типа резисторов; Wirewound, Metal Film, and Carbon.

Резисторы с проволочной обмоткой используются для резисторов большей мощности с более высокими номинальными мощностями, тогда как резисторы с металлической пленкой и угольные резисторы используются для устройств с меньшей мощностью.

Независимо от типа материала, закон Ома по-прежнему применяется при расчете рассеиваемой мощности.

Ниже приводится таблица различных типов используемых материалов и их типичных значений мощности.

Важность проверки, сколько мощности рассеивает резистор?

У каждого резистора есть максимальная номинальная мощность по какой-то причине.Превышение этого значения приведет к повреждению резистора.

Это может привести к другим проблемам в цепи.

Кроме того, это сэкономит вам время и деньги.

Расчет мощности резистора и выбор резистора с правильной максимальной номинальной мощностью избавят вас от стресса в долгосрочной перспективе.

Ресурсы

Последовательная цепь

Глобусы, соединенные последовательно

В последовательной цепи одна за другой подключены две или более нагрузки.

У тока есть только один путь, по которому оно может течь.

Примером последовательной схемы является набор огней на елку. Все шары ставятся один за другим.

Путь только один, поэтому ток будет одинаковым в любой точке цепи.

Принципиальная схема, показывающая три последовательно включенных резистора

Общее сопротивление в последовательной цепи будет равно сумме каждого отдельного сопротивления в цепи.

Чем больше нагрузок помещено в цепь, тем больше сопротивление.

Общее сопротивление для последовательной цепи рассчитывается по следующей формуле:

R _T = R ₁ + R ₂ + R ₃

Закон напряжения Кирхгофа

Вольтметр на каждом резисторе в последовательной цепи т

Закон Кирхгофа расширяет закон Ома в отношении напряжений на сопротивлениях в последовательной цепи.Общее напряжение питания будет равно сумме падений напряжения на каждом резисторе.

Общее падение напряжения (В _T ) рассчитывается по формуле:

В _Т = В ₁ + В ₂ + В ₃

Если известны как ток, так и каждое значение сопротивления, то можно использовать закон Ома для расчета падения напряжения на каждом резисторе.

Например:

В ₁ = IR ₁

Рассеиваемая мощность

Мощность, рассеиваемая в последовательной цепи, зависит от напряжения питания, приложенного к цепи, и тока, протекающего в цепи.Ток зависит от общего сопротивления цепи.

Из раздела о мощности вы знаете формулу рассеиваемой мощности:

P = VI

Мощность, рассеиваемая в каждом отдельном компоненте, зависит от сопротивления компонента. Общая рассеиваемая мощность будет равна сумме мощности, рассеиваемой каждым отдельным сопротивлением. В зависимости от известных значений комбинации формулы мощности, а также закона Ома могут использоваться для расчета рассеиваемой мощности (или любого другого неизвестного значения).

Пример

Если значения на приведенной выше схеме:

В _Т = 20 В

R ₁ = 50 Ом

R ₂ = 20 Ом

R ₃ = 100 Ом

Общее сопротивление можно рассчитать следующим образом:

R _T = R ₁ + R ₂ + R ₃

р _т = 50 + 20 + 100

R _T = 170 Ом

Какова общая рассеиваемая мощность?

Вы можете рассчитать текущий расход, а затем рассчитать мощность.Вместо этого вы можете использовать подстановку, чтобы получить формулу.

В формуле P = VI замените I на V _T / R _T , чтобы получить формулу

P _T = V _T x V _T / R _T , что совпадает с

P _T = V _T ² / R _T

P _T = 20 ² /170

P _T = 0,235 Вт или 235 мВт

.