כיצד לחשב אמפראז': נוסחאות פיזיקליות באמצעות הספק ומתח

כאשר בוחרים ציוד חשמלי כלשהו, ​​אחד הפרמטרים החשובים אליהם נמשכת תשומת הלב הוא כוחו של המוצר. פרמטר זה קשור באופן בלתי נפרד לזרם ולמתח. כדי לחשב את הזרם, המתח או ההספק במעגל חשמלי, משתמשים בנוסחאות פשוטות. אבל כדי לבצע באופן משמעותי חישובים כאלה, רצוי להבין את האופי הפיזי של התרחשות הכמויות הללו.

מושג פיזי של כמויות

כל מעגל חשמלי מאופיין במספר פרמטרים. החשובים שבהם הם זרם, מתח, הספק והתנגדות. מאפיינים אלה קשורים ותלויים זה בזה. התופעה שמאחדת אותם נקראת חשמל.

מושג זה הוצג עוד בשנת 1600 על ידי הפיזיקאי האנגלי ויליאם גילברט, שחוקר תופעות מגנטיות וחשמליות. בחקר המגנטיות בטבע, המדען מצא שחלק מהגופים, כאשר הם משפשפים, מתחילים להיות בעלי כוח משיכה ביחס לחפצים אחרים, בפרט, לענבר. לכן, הוא כינה את התופעה הפתוחה ēlectricus, שפירושה בלטינית "ענבר".

בהמשך מחקרו, הפיזיקאי הגרמני אוטו פון גריקה המציא בשנת 1663 מכונה חשמלית, שהייתה מוט מתכת שעליו כדור גופרית. כתוצאה מכך, הוא גילה כי חומרים יכולים לא רק למשוך חומרים, אלא גם להדוף. אבל רק שמונים שנה מאוחר יותר, בנג'מין פרנקלין האמריקאי יצר את תורת החשמל, והציג מונחים כמו מטענים שליליים וחיוביים.

חשמל קיבל פיתוח נוסף לאחר הניסויים של צ'ארלס קולומב ותגליתו של חוק האינטראקציה של מטענים. הוא כלל את הדברים הבאים: כוח ההשפעה של שני מטענים נקודתיים זה על זה בוואקום הוא פרופורציונלי ישר למכפלתם וביחס הפוך למרחק ביניהם בריבוע. לאחר מכן, הודות לניסויים של מדענים כמו ג'ול, לנץ, אוהם, אמפר, פאראדיי, מקסוול, הוצגו המושגים של זרם, מתח ואלקטרומגנטיות.

אז, בשנת 1897, ג'וזף תומסון האנגלי קבע כי נושאי המטען הם אלקטרונים. מוקדם יותר, בשנת 1880, גיבש מהנדס חשמל מרוסיה דמיטרי לצ'ינוב את התנאים הדרושים להעברת חשמל למרחקים.

בעקבות תגליות אלו פותחו הגדרות יסודיות של חשמל. כיום, הכוונה היא לתכונות של חומרים ליצור סביבם שדה חשמלי, המשפיע על חלקיקים טעונים אחרים הנמצאים בקרבת מקום. חיובים מחולקים בדרך כלל לחיובים ושליליים. כאשר הם נעים, נוצר שדה מגנטי, בעוד מטענים מאותו סימן נמשכים, ומטענים שונים נדחים.

חוזק נוכחי

זרם הוא תנועה מסודרת של נושאי מטען בהשפעת שדה חשמלי. אלקטרונים פועלים כחלקיקים בעלי מטען חיובי, וחורים פועלים כשליליים. מבחינה מתמטית, תופעה זו מתוארת באמצעות הנוסחה I = Q * T, כאשר I הוא זרם ההולכה (A), Q הוא מטען החלקיקים (C), T הוא הזמן ©.

כלומר, הזרם החשמלי הוא כמות המטענים שעברו בחתך הרוחב של החומר. אבל ניסוח זה נכון רק לזרם קבוע, בעוד לזרם משתנה בזמן הוא ייראה I (T) = dQ / dT.

צפיפות התנועה של נושאי מטען בחומר, כלומר כמות החשמל העוברת בזמן מקובל מקובל, נקראת עוצמת הזרם. לפי המערכת הבינלאומית (SI), יחידת המדידה שלו היא אמפר. אמפר אחד שווה לתנועה של מטען חשמלי השווה לקולומב אחד דרך החתך בשנייה אחת.

נושאי מטען יכולים לנוע גם בצורה מסודרת וגם כאוטית. כאשר הם זזים, מופיע שדה חשמלי, המסומן באות הלטינית E. הערך שנקבע על ידי היחס בין הזרם לחתך הרוחב של המוליך נקרא צפיפות הזרם. A/mm נלקח כיחידת המידה שלו.².

לפי סוגו, הזרם מובחן לסוגים הבאים:

1. העברה. הוא מאופיין בתנועת מטענים המתבצעת בחלל פנוי. סוג זה אופייני להתקני פריקת גז.
2. קיזוזים. הוא מתעורר בדיאלקטריות ונקבע על ידי התנועה המסודרת של חלקיקים טעונים קשורים.
3. מלא. הוא נקבע לפי סכום הזרם: מוליכות, העברה ותזוזה.
4. קָבוּעַ. זה מהסוג שיכול לשנות את הערך, אבל לא משנה את כיוון התנועה, כלומר את הסימן שלו.
5. מִשְׁתַנֶה. סוג זה של זרם יכול להשתנות הן בגודל והן בכיוון (סימן).

התצוגה המשתנה מחולקת בצורה ויכולה להיות סינוסואידלית ולא סינוסואידית. כדי לחשב את הזרם הסינוסואידי, השתמש בנוסחה האם = Ia * sin ωt, כאשר Ia הוא הערך המרבי של הזרם (A), ω היא המהירות הזוויתית השווה ל-2πf (Hz).

גופים פיזיקליים שבהם זרימת הזרם אפשרית נקראים מוליכים, ובאלה שבהם יש מכשולים למעבר שלו - דיאלקטרי. מצב ביניים ביניהם תפוס על ידי מוליכים למחצה.

הבדל פוטנציאלי

נהוג לקרוא למתח כמות פיזיקלית המאפיינת שדה חשמלי. זה מראה איזה סוג של עבודה השדה יצטרך לעשות כדי להעביר מטען יחידה מנקודה אחת לאחרת. ההנחה היא שהעברה זו אינה משפיעה על חלוקת החיובים במקור השטח. על פי מערכת היחידות הבינלאומית, המתח נמדד בוולט.

עבודת ההעברה מורכבת משתי כמויות - חשמל וצד ג'. אם כוחות חיצוניים אינם פועלים, אז המתח על קטע המעגל שווה להפרש הפוטנציאל ומחושב על ידי הנוסחה U = φ1-φ2. במקרה זה, הפוטנציאל נקבע על ידי היחס בין עוצמת השדה החשמלי למטען. כדי לחשב אותו, השתמש בנוסחה φ = W / q.

במילים אחרות, זהו המאפיין של השדה בנקודה מסוימת, ללא תלות בגודל המטען שבו. כלומר, המתח נקבע בדרך כלל על ידי עבודת השדה האלקטרוסטטי המתרחש כאשר המטען נע לאורך קווי הכוח שלו. מבחינה מתמטית, ניתן לחשב אותו באמצעות הנוסחה U = A / q, כאשר A היא העבודה שנעשית כדי לנוע (J), q היא אנרגיית המטען (C).

המונחים הבאים משמשים למתח כאשר הם מופעלים על רשת AC:

1. רֶגַע. זהו הערך של כמות פיזיקלית הנמדדת בנקודת זמן מסוימת: U = U (t). עבור אות סינוסואידי, המתח המיידי נמצא באמצעות הביטוי U (t) = Ua sin (ὤt + φ).
2. אמפליטודה. הוא מאופיין בערך המיידי הגדול ביותר מבלי לקחת בחשבון את הסימן: Ua = מקסימום (U (t)).
3. הממוצע. זה נקבע עבור כל התקופה של האות על ידי הנוסחה Us = 1 / T ʃ U (t) * dt. עבור צורת גל סינוסואידלית, ערך זה הוא אפס.

בעת חישוב מתח, מושג הפוטנציאל החשמלי משמש לעתים רחוקות. זה נובע מהעובדה שהיא נחשבת כאחת מנקודות הפוטנציאל לכבוש את כדור הארץ.

ערך זה נלקח שווה לאפס, וכל שאר הפוטנציאלים נחשבים ביחס אליו. כשאומרים שהמתח בנקודה מסוימת הוא 300 וולט, מתכוונים להפרש הפוטנציאל בין נקודה זו לאדמה, שווה לערך הזה.

כוח חשמלי

הספק חשמלי מאפיין את קצב העברה או המרה של אנרגיה חשמלית. יחידת המידה שלו היא וואט. על מנת לחשב את ההספק בקטע מסוים של המעגל, יש צורך להכפיל את ערך המתח והזרם בקטע זה. בהתבסס על ההגדרה של מתח חשמלי, אנו יכולים לומר כי המטען, בעת תנועה, מבצע עבודה, שווה לו מבחינה מספרית בקטע של המעגל. אם נכפיל את העבודה במספר המטענים, אז נוכל למצוא את הערך הכולל של העבודה שעשו המטענים בתחום זה.

בהתבסס על ההגדרה הפיזיקלית שכוח הוא עבודה ליחידת זמן, מתקבל הביטוי P = A / Δt, כאשר A היא העבודה שעושה המטען בעת ​​המעבר מהנקודה הראשונית לנקודה האחרונה (J), Δt הוא הזמן המושקע בתנועה השלמה של המטען ©.

עבור כל המטענים במעגל, ניתן למצוא את ההספק באמצעות הנוסחה P = (U / Δt) * Q, כאשר Q הוא המספר הכולל של מטענים.

מכיוון שהזרם הוא מטען שזורם ליחידת זמן (I = Q / Δt), מסתבר שההספק שווה למכפלת הזרם והמתח, כלומר P = U * I (יום ג').

במעגל עם זרם קבוע, לחוזק ולמתח שלו תמיד יש ערך קבוע בנקודה מסוימת, לכן, לכל רגע בזמן, ניתן לחשב את ההספק על ידי הנוסחה P = I * U = I2 * R = U2 / R, כאשר R היא ההתנגדות למעבר זרם במעגל החשמלי (אוהם). אם יש מקור של כוח אלקטרו-מוטיבי ברשת זו, אזי ההספק נמצא כ P = I * E + I2 * r, כאשר E הוא הכוח האלקטרו-מוטורי או EMF (V), r הוא ההתנגדות הפנימית של מקור EMF (אוהם).

עבור מעגל שבו הפרמטרים שלו משתנים במחזור מסוים, ההספק בנקודה מסוימת משולב לאורך זמן. במקרה זה, ישנם סוגים הבאים של כוח:

1. פָּעִיל. כדי למצוא אותו, נעשה שימוש בחישוב שלוקח בחשבון את זווית הפאזה φ. הוא נמצא על פי הנוסחה P = U * I * cos φ.
2. תְגוּבָתִי. הוא מאופיין בעומסים שנוצרו על ידי מכשירים חשמליים בצורה של תנודות באנרגיה של שדה אלקטרומגנטי. החישוב שלו מתבצע על פי הנוסחה P = U * I * sin φ.
3. מלא. זה נקבע על ידי התוצר של הערכים האפקטיביים של זרם ומתח, והוא קשור לסוגי כוח אחרים על ידי הביטוי S = √ (P ² + ש ²).

חוק אוהם לשרשרת

בעת חישוב הספק עבור מתח וזרם בפועל, נעשה שימוש לעתים קרובות בחוק אוהם. זה יוצר קשר בין זרם, התנגדות ומתח. חוק זה התגלה באמצעות סדרת ניסויים שערך סיימון אוהם ונוסח על ידו ב-1826. הוא מצא שכמות הזרם בקטע של המעגל עומדת ביחס ישר להפרש הפוטנציאלים וביחס הפוך להתנגדות של קטע זה.

ניתן לכתוב את חוק אוהם באופן הבא: I = U / R, כאשר I הוא הערך של עוצמת הזרם (A), U הוא הפרש הפוטנציאלים (V), R הוא ההתנגדות של המעגל למעבר הזרם (אוהם).

עבור שרשרת שלמה, ניתן לכתוב את הנוסחה הזו באופן הבא: I = E / (R + r0), כאשר E הוא EMF של מקור הכוח (V), r0 הוא ההתנגדות הפנימית של מקור המתח (אוהם).

כך, למקטע של השרשרת, הביטוי P = U2 / R = I2R, ולשרשרת שלמה - P = (E / (R + R0))²*ר. שתי הנוסחאות הללו משמשות לרוב לחישוב רשתות חשמל או הספק של הציוד הנדרש.

רכיבים שונים של רשת החשמל בנקודת זמן מסוימת צורכים כמויות שונות של זרם. לכן, חשוב מאוד לחשב נכון כמה אנרגיה מסופקת בזמן זה או אחר. למקום מסוים בשרשרת על מנת למנוע עומסי יתר על הקו והתרחשות חירום מצבים.

זה מה שעושים מתכנני מעגלים, ומפשטים אותם עד לנקודה שבה ניתן לחשב את ההספק הנדרש באמצעות חוק אוהם.

חישוב מעשי

לדוגמה, נניח שאתה צריך לברר עבור איזה זרם אתה צריך לרכוש מפסק מותקן על חלק של המעגל. יחד עם זאת, ידוע כי המקרר עם צריכת חשמל מקסימלית של קילוואט אחד, דוד (שני קילוואט) ונברשת שצורכת 90 וואט. אתר ההתקנה משתמש ברשת חד פאזית המיועדת למתח הפעלה של 220 וולט.

בשלב הראשון של החישוב תצטרכו לסכם את כל הספק של מכשירי החשמל המחוברים לקו. אז P סך הכל. = 1000 + 2000 + 90 +220 = 3310 ואט. שימוש בנוסחה P = I * U, נמצא הערך הנוכחי הנדרש: I = P / U = 3310/220 = 15.04 A.

מבין מגוון המתגים הסטנדרטי, הערך הקרוב ביותר הוא מפסק 16 A. מכיוון שיש צורך לקנות התקן הגנה עם מרווח קטן, מתג המיועד ל-20 אמפר מתאים לדוגמא זו.

הודות לחישובים כאלה, אתה יכול לחשב כל פרמטר של המעגל החשמלי, אבל זה לוקח בחשבון כמות מספקת של נתוני קלט.