Посилання на
сторінку сайту Магазину Gtest(R) з номенклатурою мультиметрів, а також
рекомендовані прилади та статті для подальшої самоосвіти - наприкінці цієї
Розділу
Основи теорії ланцюгів постійного струму
Співвідношення напруги та струму
Планета Земля – динамічне місце. Предмети рухаються, відбуваються хімічні реакції, температури підвищуються та знижуються. Цей достаток постійної діяльності пов'язані з концепцією енергії. Різні форми енергії — теплова, механічна, хімічна тощо — є проявами фундаментальної сутності, що призводить до фізичних змін під час передачі від одного об'єкта до іншого.
Електрика — це форма енергії, що виникає внаслідок існування та руху заряджених частинок, які називаються електронами. Коли скупчення електронів створює різницю в електричної потенційної енергії між двома точками, ми маємо напругу (у рівняннях напруга позначається V). Якщо ці дві точки з'єднані провідним матеріалом, електрони природним чином переміщатимуться від нижчої напруги до більш високої; цей рух називається електричним струмом, що позначається I.
Електрика є особливо зручною та універсальною формою енергії, і це зробило його потужним інструментом у руках незліченних розумних людей, які розробили все: від великого електричного обладнання до крихітних електронних пристроїв. Вражаюче думати про різноманітні і складні функції, які починаються з електричної енергії, яку можна передавати двома невеликими мідними проводами.
Порівняння властивостей напруги та струму
| Ток
| Напряжение
|
Символ
| I
| V
|
Взаимосвязь
| Ток не может течь без напряжения
| Напряжение может существовать без тока
|
Прибор для измерений
| Амперметр
| Вольтметр
|
Единицы
| А или ампер или сила тока
| В или вольты или напряжение
|
Единица СИ
| 1 ампер = 1 кулон в секунду
| 1 вольт = 1 джоуль/кулон (В=Вт/Кл)
|
Поле
| Магнитное
| Электростатическое
|
Последовательное соединение
| Ток один и тот же во всех соединениях
| Напряжение распределяется по компонентам
|
В параллельном соединении
| Ток распределяется по компонентам
| Напряжения одинаковы на всех компонентах
|
Потужність в електроніці та як вона розраховується
У науковому контексті потужність означає швидкість, з якою передається енергія. Таким чином, електрична потужність це швидкість, з якої передається електрична енергія. Одиницею вимірювання є ват (Вт), де один ват дорівнює передачі одного джоуля (Дж) енергії за одну секунду (с).
Електрична потужність у ватах дорівнює напрузі у вольтах, помноженому на силу струму в амперах.
Потужність = Напруга × Струм
Одиниця вольт (В) визначається як джоулі на кулон, тобто вона передає енергію (у джоулях) на кулон заряду. Ампер (А) - це кулони в секунду, тобто скільки кулонів заряду проходить цю точку за одну секунду. Ми можемо використовувати цю інформацію, щоб підтвердити, що одиниця виміру електричної потужності відповідає формулі, наведеній вище:
джоульсекунда=джоулькулон×кулонсекунда
У правій частині рівняння два «кулонівські» члени скорочуються, і в нас залишаються джоулі за секунду.
Коли ми аналізуємо ланцюги, ми зазвичай обговорюємо потужність, використовуючи термін «розсіювана» або «споживана» замість «переданої». Це підкреслює те що, що потужність залишає електричну систему чи використовується електричним компонентом. Ми не говоримо «перенесено», тому що загалом кінцевий стан або місцезнаходження енергії не має значення.
Наприклад, якщо напруга на резисторі становить 5, а струм через резистор становить 0,5 А, резистор передає 2,5 Вт потужності (у вигляді тепла) в навколишнє середовище. Однак у більшості випадків ми не маємо наміру передавати енергію. Ми просто хочемо спроектувати функціональну схему і, отже, думаємо про те, скільки енергії втрачається (тобто розсіюється) або використовується (тобто споживається).
Два поширені типи напруги: постійний і змінний струм
Існує два поширені способи передачі електричної енергії: постійний струм і змінний струм.
Постійний струм (DC) може збільшуватися або зменшуватись усілякими способами, але величина змін зазвичай невелика порівняно із середнім значенням. Однак найбільш фундаментальною характеристикою постійного струму є таке: він не змінює напрямок регулярно. У цьому відмінність від змінного струму (AC), який регулярно змінює напрямок та використовується у всьому світі для розподілу електроенергії.
Терміни «постійний струм» та «змінний струм» стали прикметниками, які часто використовуються для опису напруги. Спочатку це може трохи спантеличити: що таке напруга постійного струму або напруга змінного струму? Це не найкраща термінологія, але цілком стандартна. Постійна напруга — це напруга, яка створює чи вироблятиме постійний струм, а змінна напруга створює чи вироблятиме змінний струм — і це створює ще одну термінологічну проблему. До слова "струм" іноді додаються "постійний" і "змінний струм", хоча ці фрази означають "постійний струм" і "змінний струм". Суть у тому, що «постійний струм» та «змінний струм» більше не є точними еквівалентами «постійного струму» та «змінного струму»; Постійний струм загалом відноситься до величин, які не змінюють регулярно полярність або мають дуже низьку частоту, а змінний струм загалом відноситься до величин, які регулярно змінюють полярність із частотою, яка не є "дуже низькою" в контексті даної системи.
Наразі ми зосередимося на ланцюгах постійного струму. Ланцюги змінного струму трохи складніші і будуть обговорюватися пізніше в цьому розділі.
Символы напряжения
Что така напруга постійного струму?
Мабуть, найвідомішим джерелом постійної напруги є акумулятор. Батарея - це пристрій, що перетворює хімічну енергію на електричну; він забезпечує напругу, яка змінюється швидко і змінює полярність, а поступово знижується у міру розряду акумулятора.
Напругу постійного струму можна виміряти за допомогою вольтметра або (частіше) багатофункціонального пристрою, відомого як мультиметр (скорочено цифровий мультиметр, де D означає цифровий). Мультиметри можуть вимірювати, серед іншого, напругу, струм та опір.
Рисунок 1. Вимірювання напруги на цифровому дисплеї мультиметра.
Вольтметр забезпечує найпростіший спосіб визначити точне значення напруги постійного струму, хоча в деяких випадках він не може передати важливу інформацію, оскільки не може чітко відображати швидкі зміни. В даний час це важливий момент, оскільки багато напруг постійного струму генеруються імпульсними стабілізаторами, що призводить до високочастотних змін, званих пульсаціями.
Що таке постійний струм?
Коли між двома клемами присутня постійна напруга і до клем підключений провід або резистивний елемент, тектиме постійний струм. Найбільш поширеним резистивним елементом є резистор; ми дізнаємось більше про цей компонент на наступній сторінці. Лампа розжарювання є також резистивним елементом.
Струм можна виміряти за допомогою пристрою, званого амперметром (або функції амперметра мультиметра), але вимірювання струму менш зручне, ніж вимірювання напруги. Щупи вольтметра просто торкаються двох провідних поверхонь (тобто без зміни схеми), тоді як щупи амперметра необхідно вставити в шлях струму:
Рисунок 2. У цій схемі використовується перемикач для встановлення шляху струму під час нормальної роботи та розриву шляху струму, коли необхідно підключити амперметр або цифровий мультиметр.
Звичайний струм щодо електронного потоку
Дуже важливо розуміти різницю між звичайним потоком струму та потоком електронів. Електрони мають негативний заряд і, отже, рухаються від нижчої напруги до вищого. Однак на малюнку 2 стрілка вказує, що струм тече від позитивної клеми батареї до негативної клеми батареї, іншими словами, від вищої напруги до нижчої напруги.
Умовний струм спочатку ґрунтувався на припущенні, що електрика пов'язана з рухом позитивно заряджених частинок. Тепер ми знаємо, що це не так, але в контексті аналізу ланцюгів модель звичайної течії струму не є неправильною. Це цілком справедливо, оскільки при послідовному застосуванні завжди дає точні результати. Крім того, він має ту перевагу, що створює інтуїтивно зрозумілу ситуацію, в якій струм тече від вищої напруги до нижчого, так само, як рідина тече від вищого тиску до нижчого тиску, а вода падає з більшої висоти на більш низьку.
У світі електротехніки схеми обговорюються та аналізуються з використанням звичайного струму, а не електронного струму.
Як виміряти постійний струм
Давайте розглянемо простий випадок: батарея живить дві лампочки з різним опором.
Малюнок 3. Базова схема, що складається з батареї 3 і двох резистивних елементів.
Коли струм протікає через лампочку, опір нитки напруження викликає втрату напруги, пропорційну опору та силі струму. Ми називаємо це напругою на лампочці або падінням напруги на лампочці.
Малюнок 4. Вольтметри використовуються для вимірювання напруги лампочки.
Ми бачимо, що напруга на лампочці А становить 2, а напруга на лампочці В - 1 В.
Далі вимірюватимемо струм.
Малюнок 5. Амперметр вставлений таким чином, щоб струм, що протікає через лампочки, надходив один датчик, через схему вимірювання струму пристрою і виходив з іншого датчика.
Припустимо, що ми вимірюємо 1А. Тепер ми зробили необхідні нам вимірювання для того, щоб визначити потужність лампочок, що розсіюється.
Розрахунок потужності постійного струму
Щоб розрахувати потужність, що розсіюється кожною лампочкою, підставимо виміряні значення наведену вище формулу.
Якщо ми хочемо дізнатися потужність, що розсіюється всім ланцюгом, ми складаємо розсіювану потужність окремих компонентів:
Або ми можемо помножити струм, що подається від батареї, на напругу батареї:
