נוסחה למציאת מתח: מושגי יסוד, מציאת באמצעות חוזק זרם והתנגדות

בעת תכנון מעגלים עבור מכשירים שונים, חובב רדיו צריך לבצע חישובים מדויקים באמצעות מכשירי מדידה ונוסחאות. בהנדסת חשמל משתמשים בנוסחאות לחישוב כמויות החשמל (נוסחאות למתח, התנגדות, זרם וכדומה).

מידע כללי על זרם חשמלי

זרם חשמלי הוא תהליך התנועה של חלקיקים טעונים (אלקטרונים חופשיים), שיש לו וקטור כיווני. החלקיקים נעים תחת פעולת עוצמת השדה החשמלי, שיש לו כיוון וקטור. שדה זה עושה את העבודה של הזזת החלקיקים הללו. חוזק זרם, מתח והתנגדות משפיעים על עבודת השדה החשמלי.

חוש פיזי

המשמעות הפיזית מובנת עבודה הנוכחית באתרבהתאם לגובה החיוב. מטען חיובי נע מנקודה אחת עם פוטנציאל אחד לאחר, והפוטנציאל בנקודה זו שונה מהקודמת. כתוצאה מכך נוצר הפרש פוטנציאל הנקרא מתח או EMF (כוח אלקטרו-מוטיבי).

כדי להבין לחלוטין את התהליך הפיזי הזה ולהבהיר את המשמעות הפיזית של מתח, יש צורך לצייר אנלוגיה עם צינור. נניח שהצינור מלא במים ומוברג אליו ברז לניקוז המים. צינור זה מצויד גם בברז למילוי מים במשאבה חזקה.

כדי להדגים את האנלוגיה, אתה צריך לפתוח את הברז לחלוטין, המים יתחילו לשפוך החוצה וניתן להסיק שהלחץ אינו משמעותי. במקרה השני, שסתום הניקוז אינו פתוח לחלוטין והמים נאספים באמצעות משאבה. לחץ מצטבר בצינור והלחץ עולה. המשאבה שבונה את הלחץ היא, בדוגמה זו, עוצמת השדה החשמלי.

חשמל, אם אינו מבוקר ואינו מודע להשפעות המזיקות על גוף האדם, יכול ליצור בעיות רבות החל משריפת מכשירי חשמל ואש, וכלה באיום על החיים והבריאות אדם. בטיחות חשובה מאוד בכל תחום.

ההשפעה המזיקה על האדם

חשמל מסוכן מאוד והוא הגורם לתאונות. חובבי רדיו נמצאים בסיכון להתחשמלות לעתים קרובות למדי. כמה חובבי רדיו משתמשים באצבעותיהם כדי לבדוק מתח ולהזניח אמצעי זהירות. רובם מחשיבים מתחים מ-500 וולט לסכנת חיים, ו-110 ו-220 אינם מזיקים לבריאות. זעזועים ממקורות זרם נמוכים (שנאי כוח נמוך, קבלים), לדעתם, אינם מסוכנים.

על פי אמצעי הבטיחות בעבודה עם חשמל, הם טועים, אבל יש צד נוסף של הנושא הזה: הגוף של כל אדם הוא אינדיבידואלי, יש לו פרמטרים שונים. מהצהרה זו עולה כי המאפיינים הקטלניים של חשמל (מתח וזרם) הינם אינדיבידואליים עבור כל אדם. חלקם יכולים להיפגע על ידי 36 וולט, בעוד שאחרים לא חודרים על ידי 220 וולט.

השפעת החשמל על גוף האדם תלויה במספר גורמים: חוזק ותדירות, זמן ונתיב המעבר בגוף, ההתנגדות של הגוף או חלק מהגוף שדרכו הוא זורם נוֹכְחִי.

חוקרים מצאו שערך הזרם הקטלני שמשפיע על הלב הוא יותר מ-100 mA. זרמים מ-50 mA עד 100 mA גורמים לאובדן הכרה בעת נגיעה קצרה במשטח המוליך זרם. זרמים של עד 50 mA עלולים לגרום לפציעות כמו נפילה ממדרגות, התרופפות מוליך חי וכו'.

השפעה על גורם התבוסה יש לו גם את ההתנגדות של גוף האדם. קשה לקבוע את ההתנגדות לכל פרט והטווח שלה הוא בין 30 קילו אוהם ל-200 קילו אוהם. ערך זה תלוי בגורמים רבים: עובי העור, לחות הגוף והסביבה, עייפות, מצב נוירו-רגשי, מחלות וגורמים נוספים. ההתנגדות יורדת בחדות עם עלייה בלחות האוויר ועבודה באזורים רטובים.

הנוסחה לחישוב מתח מסכן חיים, בהנחה ש-Rh = 2 kΩ ו-I = 60 mA, נראית כך: U = I * R = 0.06 * 2000 = 120 V. במצב זה, מתח מסוכן יכול להיחשב 120 וולט ומעלה.

תדירות הזרם היא מאפיין מסוכן נוסף שיש לו השפעה מזיקה. ככל שהתדירות עולה, המפגע פוחת ביחס ישר. לזרם יש גם השפעה תרמית, לכן, זרמים בתדר גבוה לא יכולים להיחשב בטוחים.

פציעות הנגרמות מחשמל נקראות פציעות חשמליות. כל אחד מהם נושא פחות או יותר סכנה. המסוכנות ביותר הן פציעות שנגרמו מקשת חשמלית, בעלת טמפרטורה גבוהה של 5,000. עד 12 אלף מעלות צלזיוס. סוגי פציעות חשמליות:

1. כוויות חשמליות מתרחשות כאשר חום מופעל על רקמות גוף האדם שדרכן זורם זרם.
2. אזורים שרופים על העור מתרחשים כאשר הוא בא במגע ישיר עם החלק החי של המוליך. האזור הפגוע הופך לאפור או אפור חיוור.
3. מתכת עור - הספגה של עור עם חלקיקי מתכת בזמן קצר חשמלי או ריתוך.
4. נזק מכני - התכווצות שרירים ספונטנית, המובילה לנפילה. כאשר מתרחשת נפילה, שברים, חבורות, נקעים של המפרקים וכו'.
5. אלקטרופטלמיה - דלקת של הקרום הרירי של העיניים בעת חשיפה לקרינה מקשת חשמלית.

יש סוג אחר של פציעה - התחשמלות. סוג זה של תבוסה ניתן לחלק על תנאי ל-5 קבוצות: ללא אובדן הכרה; עם אובדן הכרה הקשור לפעילות לבבית לקויה או בלעדיה; מוות קליני והתחשמלות.

יחידות

העבודה של שדה חשמלי להזיז מטען נמדד ב-J (ג'ול), מטען ב-C (קולומב). כך מצוין המתח או יחידת המדידה שלו: היחס בין הכמויות הללו (עבודה על תזוזה ב J למטען החשמלי ב-C) והוא הפרש הפוטנציאלים, הנמדד בוולט (V) ומסומן U. ההבדל הפוטנציאלי הוא:

1. משתנה (משרעת וקוטביות משתנים עם הזמן, בהתאם לתדר המאפיין).
2. קבוע (יש לו ערך משרעת קבוע וקוטביות היא ערך קבוע).

וגם ליחידות המדידה יש ​​קידומות, למשל, kV (Kilovolt = 1000V) ו-MV (Megavolt = 1000000V). ישנם ערכים נמוכים מאוד, כגון mV (מיליוולט = 0.001V).

מעגלי AC ו-DC

במעגלי AC ו-DC, ל-U תכונות שונות ומייצר השפעות שונות על מוליכים. עבור מתח קבוע, ישנם חוקים לחישוב המאפיינים שלו, אך עבור משתנה, השיטות לחישוב אינדיקטורים שונות באופן ניכר. בואו נסתכל מקרוב על כל ההבדלים והדמיון.

חישוב וניתוח מעגלים מתבצעים באמצעות חוק אוהם: זרם המעגל המלא עומד ביחס ישר למתח וביחס הפוך לסכום ההתנגדות של המעגל והספק.

תוצאה מהחוק, בתנאי שההתנגדות הפנימית של מקור החשמל מוזנחת: עוצמת הזרם של קטע במעגל עומדת ביחס ישר ל-EMF וביחס הפוך להתנגדות של קטע זה.

כתיבת חוק אוהם, שממנו נובעת הנוסחה למתח, זרם והתנגדות: I = U / (Rts + Rvn), כאשר I הוא עוצמת הזרם, U הוא EMF, Rts הוא ההתנגדות של המעגל, Rvn הוא ההתנגדות הפנימית של המקור תְזוּנָה.

נוסחה של חוזק זרם דרך התנגדות ומתח: I = U / Rts.

נוסחה של מתח זרם חשמלי: U = I * Rts.

כדי לחשב את העוצמה, עליך להכפיל את U ב-I: P = U * I = U * U / R, כאשר P הוא החזקה.

מתח AC חד פאזי

במעגלים לזרם חילופין מתרחשות תופעות ותהליכים שונים לחלוטין, חוקים אחרים תקפים עבורם. ישנם סוגים עיקריים כאלה:

1. מיידי (הפרש פוטנציאלי במרווח זמן מסוים: u = u (t)).
2. ערך משרעת (הערך המרבי של ה-U המיידי ברגע הזמן: u (t) = Um * sin (wt + f), כאשר w הוא התדר הזוויתי, t הוא רגע מסוים בזמן ו-f הוא הזווית של השלב הראשוני של המתח).
3. ערך ממוצע (עבור סינוסואיד הוא אפס).
4. שורש ממוצע ריבוע - Uq (U עבור כל תקופת התנודה ולסינוסואיד יש את הצורה: Uq = 0.707 * Um).
5. ממוצע-מישור - Uv (הערך הממוצע של המודול U: Um שווה בערך ל-0.9 * Uq).

במעגלי זרם תלת-פאזיים, נבדלים 2 סוגים של מתחים: ליניארי (פאזה-פאזה) ופאזה (פאזה-אפס). כאשר מחוברים במעגל "דלתא", הפאזה וה-U הליניארית שווים. במקרה של חיבור "כוכב", חיבור הפאזה קטן פי 1.732050808 מהחיבור הליניארי.

המלצות לבחירת מכשיר

לצורך חישובים, יש צורך למדוד את ערכי כמויות החשמל. ישנם מכשירים מיוחדים שעוזרים לבצע חישובים מדויקים. מד מתח משמש למדידת הפרש הפוטנציאלים.

מד מתח (וולט הוא יחידת מדידת EMF, מטר - אני מודד) הוא מכשיר למדידת EMF במעגל, המחובר במקביל לאזור בו יש צורך למדוד.

עבור מקרה ספציפי, יש צורך להשתמש במכשיר כזה או אחר. לחישובים מדויקים יותר, נרכשים מכשירים בעלי דרגת דיוק גבוהה. סיווג מד מתח:

1. עקרון הפעולה: אלקטרומכני (מתג) ואלקטרוני.
2. מטרה: זרם ישיר וחילופין, דופק, סלקטיבי ואוניברסלי.
3. עיצוב: לוח פאנל, נייד ונייח.

מד מתח אנלוגי אלקטרומכני יש טעויות מדידה גדולות במעגלים בעלי התנגדות גבוהה, אך הוכיחה את עצמה במעגלים בעלי התנגדות נמוכה ואפשרות לשדרוג (הגדלת ערכי המדידה של U עקב נגד נוסף).

מד מתח מיישר בעל דרגת דיוק גבוהה יותר. מורכב ממכשיר המדידה עצמו (בעל רגישות לזרם ישר) ומיישר. הם אינם נפוצים במיוחד עקב שגיאות גבוהות, והם משמשים כהתקני איתות (ערך משוער של U).

מדי מתח דיגיטליים משמש במכשירי מולטימטר משולבים. המתח הנכנס לטרמינלים (בדיקות מדידה) של המכשיר מומר לאות באמצעות ממיר אנלוגי לדיגיטלי (ADC). הוא מוצג בתצוגה דיגיטלית. סוג זה של מכשיר נמצא בשימוש נרחב בשל הדיוק והרבגוניות הגבוהים שלו.

מד מתח דופק יש להשתמש בעת מדידת האמפליטודות של אותות פולסים ופולסים בודדים.

היישום העיקרי של מדי מתח רגישים לפאזה הוא למדוד את מרכיבי הריבוע של המתח המורכב (נוכחות החלקים הדמיוניים והאמיתיים) של ההרמונית הראשונית. בדרך כלל הם מצוידים ב-2 אינדיקטורים לזיהוי החלקים הדמיוניים והאמיתיים. הם נמצאים בשימוש נרחב במדידת AFC (מאפיין משרעת-פאזה) לבחירת חלקים וכוונון מגברים.

כדי למדוד את מתח ה-DC הנומינלי, משתמשים במדדי מתח של תת-קבוצת B2 (מדדי מתח למתח ישר), כמו גם ב-B7 (אוניברסלי).

כדי לקבוע את מתח החילופין, יש צורך להשתמש במכשירים מתת-קבוצת B3 או מהסוג האוניברסלי (B7). עם זאת, מדי מתח אלה משתמשים לרוב בממירים מיוחדים ממתח חילופין למתח ישר.

B3 ו-B7 מחושבים עבור מתח RMS בלבד.. במכשירי מדידה חשמליים אלו ניתן להשתמש בגלאים (ממירים): שיא, מיישר וריבוע. האפשרות הטובה ביותר היא מד מתח על גלאי חוק ריבועי, בעוד הערך הנמדד מופק ישירות ללא כל המרה. מכשירי מדידה על גלאי שיא ומיישר מחשבים מחדש את הערכים, ובכך מפחיתים את דיוק המדידה. כדי למדוד את המתח המחזורי הלא-הרמוני, נבחר מד מתח על גלאי חוק ריבועי.

לכן, חישוב מתח ממלא תפקיד חשוב בהנדסת חשמל. חישובים עבור מעגלים מתחלפים וקבועים של זרם חשמלי שונים באופן משמעותי, וכתוצאה מכך יש צורך לקבוע תחילה את סוג הזרם ולאחר מכן לבצע חישובים. אבל יש צורך גם להקפיד על אמצעי זהירות בעת עבודה עם חשמל. אחרי הכל, הוראותיו העיקריות מבוססות על הניסיון המר של האנושות.