Proud: jednotka výkonu, elektrický náboj a teorie definice.

Elektrické parametry jsou studovány v rámci školních programů. Po zkouškách jsou vědecké definice a vzorce rychle zapomenuty. Základní znalosti v příslušné oblasti přitom potřebují nejen specialisté a radioamatéři. Běžným uživatelům se budou hodit pro připojení domácích spotřebičů a řešení dalších praktických problémů. Tato publikace vysvětluje, co je to jednotka proudu.

Klasická definice síly proudu

O elektrickém proudu

Pro usnadnění pochopení tématu můžete použít analogy (srovnání) z vnějšího světa. Elektrické veličiny jsou někdy vysvětlovány na příkladu konvenčního potrubí:

• tok elektronů je podobný pohybu kapaliny;
• napětí (rozdíl potenciálů) – různé úrovně tlaku;
• se zmenšujícím se průřezem vodiče roste proudový odpor – stejně tak se musí zvýšit tlak, aby se za jednotku času posunulo více vody.

Přes průhledné stěny můžete pozorovat pohyb proudění kapaliny. Přítomnost vizuálních značek – kontaminantů – zjednoduší vizuální experiment. Avšak ten nejbystřejší člověk není schopen vidět pohyb mikroskopicky malých elektronů.

Elektrickým proudem je však pohyb proudu nabitých částic. Proč se při takovém působení ani po dlouhé době experimentu nezmění hmotnost (velikost) jednotlivých sekcí vodiče?

Stejně jako v případě pozorování je odpověď na otázku vysvětlena velmi malou velikostí uvažovaných parametrů. Elektrony lze přirovnat k mravencům. Při přestěhování do jiného „domu“ si staré mraveniště zachovává svou velikost (tvar). Stejně tak se hmota vodiče znatelně nezmění, i když se z něj zcela odstraní částice s elektrickým nábojem.

Jaká je jednotka proudu?

Níže jsou uvedeny hlavní parametry typického elektrického obvodu (standardní symboly pro vzorce a zkrácené názvy jsou uvedeny v závorkách):

• jednotky proudu (I) – ampéry (A);
• napětí (U) – Volty (V);
• odpor (R) – Ohmy (Ohm).

Pro dokončení studia je nutné si zapamatovat kvantitativní ukazatel, výkon (W). Měří se ve wattech (W).

Pokud budeme pokračovat v analogii s vodou, můžeme vyvodit několik důležitých dílčích závěrů. Pro umožnění průchodu více tekutiny (elektronů) je průměr trubky (vodiče) zvětšen. Toto řešení je doprovázeno zvýšením proudu. Napětí se měří potenciálovým rozdílem mezi dvěma body v obvodu. Pro jeho zvýšení se poměr nabíjení mění podle potřeby.

Odpor brání průchodu elektronů. Tento proces je doprovázen přeměnou elektrické energie na tepelnou energii. V některých zařízeních tato funkce provádí užitečné funkce.

Topné těleso v kotli má vysoký odpor (R)

Příkon lze přirovnat k množství vody, které proteče určitým úsekem dopravního systému za jednotku času.

Ampere – SI jednotka proudu

Podle nejpopulárnějšího mezinárodního standardu (SI) pro stejnosměrný proud odpovídá jeden ampér (1A) průchodu jednotkového náboje (1 coulomb) za 1 s:

Další základní definice vzniká dodatečným použitím mechanických součástí. V souladu s tím vytváří podobný proud interakční sílu 2 * 10-7 Newtonů na každý lineární metr struktury sestávající ze dvou paralelních vodičů. To znamená umístit takové zařízení do neutrálního prostředí (vakua), zcela izolovaného od vnějšího elektromagnetického záření.

Vzorce pro výpočet proudových charakteristik

Pokud je k vodiči připojen zdroj stejnosměrného proudu, lze základní parametry vypočítat pomocí klasického vzorce. Proud v ampérech se rovná napětí ve voltech děleno elektrickým odporem v ohmech:

Závislost na výkonu se zobrazí následovně:

Pro výpočet dalších veličin lze použít jednoduchou transformaci:

• R=U/I=U2/P=P/I2;
• U= √P*R=I*R=P/U;
• P=I2*R=U2/I=U*I.

Grafické znázornění základních vzorců

Pro vaši informaci. Ve střídavých obvodech se bere v úvahu sinusový průběh. Odporové zátěže (kondenzátory, cívky) vytvářejí fázový posun mezi napětím a proudem.

Jednotky měření v jiných jednotkových systémech

Tabulka zobrazující aktuální jednotky

Vliv proudu na různé materiály

Stejný proud má různé účinky při průchodu různými materiály. Kovy mají například dobrou vodivost. Nečistoty zvyšují odolnost, takže pro zlepšení ekonomického výkonu jsou elektrická vedení vyrobena z dobře vyčištěné mědi. Polymerní sloučeniny jsou dielektrika a často se používají k vytvoření izolace.

Voda vede elektřinu díky iontům, které obsahuje. Tato vlastnost se využívá k filtraci, vytváření tenkých povlaků a autonomních napájecích zdrojů. K zajištění pohybu částic v opačných směrech stačí do kapaliny spustit desky s opačnými náboji.

Slabý elektrický proud stimuluje mozkovou činnost a má stimulační účinek na pokožku. Specializované přístroje se používají ve zdravotnických zařízeních a kosmetických salonech. Vysoký proud je pro člověka nebezpečný, proto je třeba při práci s elektřinou používat vhodné ochranné prostředky.

Ampérmetr

K měření parametru se používá ampérmetr. Toto zařízení je připojeno k otevřenému obvodu, aby byl zajištěn průchod proudu pracovním prvkem. Nejjednodušší ukazovací zařízení jsou postupně nahrazována digitálními. Pro měření vysokých proudů se odečty odečítají pomocí speciálního bočníku, který je instalován paralelně.

Začněme konceptem elektřiny. Elektrický proud je uspořádaný pohyb nabitých částic pod vlivem elektrického pole. Částicemi mohou být volné elektrony kovu, pokud proud protéká kovovým drátem, nebo ionty, pokud proud proudí v plynu nebo kapalině.

V polovodičích je také proud, ale to je samostatné téma k diskusi. Příkladem je vysokonapěťový transformátor z mikrovlnné trouby – nejprve dráty protékají elektrony, poté se mezi dráty pohybují ionty, respektive nejprve proud protéká kovem a poté vzduchem. Látka se nazývá vodič nebo polovodič, pokud obsahuje částice, které mohou nést elektrický náboj. Pokud takové částice nejsou, pak se taková látka nazývá dielektrikum, nevede elektřinu. Nabité částice nesou elektrický náboj, který se měří jako q v coulombech.

Jednotka měření síly proudu se nazývá ampér a označuje se písmenem I, proud 1 ampér vznikne, když bodem elektrického obvodu projde náboj 1 coulomb za 1 sekundu, tedy zhruba síla proudu se měří v coulombech za sekundu. A v podstatě síla proudu je množství elektřiny protékající za jednotku času průřezem vodiče. Čím více nabitých částic běží podél drátu, tím větší je proud.

Aby se nabité částice pohybovaly z jednoho pólu na druhý, je nutné vytvořit mezi póly rozdíl potenciálů neboli – napětí. Napětí se měří ve voltech a označuje se písmenem V nebo U. Chcete-li získat napětí 1V, musíte mezi póly přenést náboj 1C, při práci 1J souhlasím, je to trochu nejasné .

Pro názornost si představte vodní nádrž umístěnou v určité výšce. Z nádrže vychází potrubí. Voda protéká potrubím pod vlivem gravitace. Voda je elektrický náboj, výška vodního sloupce je napětí a rychlost proudění vody je elektrický proud. Přesněji ne průtok, ale množství vody vytékající za vteřinu. Chápete, že čím vyšší je hladina vody, tím větší bude tlak níže a čím vyšší bude tlak níže, tím více vody bude protékat potrubím, protože rychlost bude vyšší. Podobně platí, že čím vyšší napětí, tím větší proud. bude proudit v okruhu.

Vztah mezi všemi třemi uvažovanými veličinami v obvodu stejnosměrného proudu je určen Ohmovým zákonem, který je vyjádřen tímto vzorcem, a zní to tak, že síla proudu v obvodu je přímo úměrná napětí a nepřímo úměrná odporu. Čím větší odpor, tím menší proud a naopak.

Přidám ještě pár slov o odporu. Dá se to změřit, nebo se to dá spočítat. Řekněme, že máme vodič se známou délkou a plochou průřezu. Hranaté, kulaté, to je jedno. Různé látky mají různé měrné odpory a pro náš imaginární vodič existuje tento vzorec, který určuje vztah mezi délkou, plochou průřezu a měrným odporem.

Odpor látek lze nalézt na internetu ve formě tabulek.

Opět můžeme nakreslit přirovnání s vodou: voda protéká potrubím, ať má potrubí určitou drsnost. Je logické předpokládat, že čím delší a užší potrubí, tím méně vody jím proteče za jednotku času. Vidíte, jak je to jednoduché? Nemusíte se ani učit nazpaměť vzorec, stačí si představit dýmku s vodou.

Pokud jde o měření odporu, potřebujete zařízení, ohmmetr. V dnešní době jsou populárnější univerzální přístroje – multimetry, které měří odpor, proud, napětí a spoustu dalších věcí. Udělejme experiment. Vezmu kus nichromového drátu známé délky a průřezu, najdu na webu, kde jsem ho koupil, odpor a spočítám odpor. Nyní pomocí přístroje změřím stejný kus. Pro tak malý odpor budu muset odečíst odpor sond mého zařízení, který je 0.8 ohmu. Jen tak!

Stupnice multimetru je rozdělena podle velikosti měřených veličin je to provedeno pro vyšší přesnost měření. Pokud chci změřit rezistor o jmenovité hodnotě 100 kOhm, nastavím rukojeť na větší nejbližší odpor. V mém případě je to 200 kiloohmů. Pokud chci změřit 1 kiloohm, použiji 2 ohmy. To platí pro měření jiných veličin. To znamená, že stupnice ukazuje limity měření, do kterých musíte spadnout.

Pokračujme v zábavě s multimetrem a zkusme změřit zbytek veličin, které jsme se naučili. Vezmu několik různých DC zdrojů. Budiž to 12voltový zdroj, USB port a transformátor, který vyrobil můj děda v mládí. Napětí na těchto zdrojích můžeme změřit právě teď zapojením voltmetru paralelně, tedy přímo do plusu a mínusu zdrojů. S napětím je vše jasné; Ale pro měření síly proudu musíte vytvořit elektrický obvod, kterým bude proud protékat. V elektrickém obvodu musí být spotřebič nebo zátěž. Ke každému zdroji připojíme spotřebitele. Kus LED pásku, motor a rezistor (160 ohmů).

Změřme proud tekoucí v obvodech. K tomu přepnu multimetr do režimu měření proudu a přepnu sondu na proudový vstup. Ampérmetr je zapojen do série s měřeným objektem. Zde je schéma, mělo by se také pamatovat a nezaměňovat s připojením voltmetru. Mimochodem, existuje něco jako proudové svorky. Umožňují měřit proud v obvodu bez přímého připojení k obvodu. To znamená, že nemusíte odpojovat dráty, stačí je nahodit na drát a měří. Dobře, vraťme se k našemu obvyklému ampérmetru.

Tak jsem změřil všechny proudy. Nyní víme, kolik proudu je spotřebováno v každém obvodu. Tady nám svítí LEDky, tady se točí motor a tady. Tak stůj, co dělá odpor? Nezpívá nám písničky, neosvětluje místnost a netočí žádným mechanismem. Za co tedy utratí celých 90 miliampérů? Tohle nebude fungovat, pojďme na to přijít. Poslouchat! Ach, ten je žhavý! Tady se tedy utrácí energie! Dá se nějak spočítat, jaká je zde energie? Ukazuje se, že je to možné. Zákon popisující tepelný účinek elektrického proudu objevili v 19. století dva vědci, James Joule a Emilius Lenz. Zákon se nazýval Joule-Lenzův zákon. Vyjadřuje se tímto vzorcem a číselně ukazuje, kolik joulů energie se uvolní ve vodiči, kterým protéká proud za jednotku času. Z tohoto zákona můžete zjistit výkon, který se uvolňuje na tomto vodiči, výkon je označen anglickým písmenem P a měřen ve wattech.

Na mém stole se tedy elektrická energie používá k osvětlení, k provádění mechanické práce a k ohřevu okolního vzduchu. Mimochodem, právě na tomto principu fungují různá topidla, rychlovarné konvice, fény, páječky atd. Všude je tenká spirálka, která se vlivem proudu zahřívá.

Tento bod je třeba vzít v úvahu při připojování vodičů k zátěži, to znamená, že v tomto konceptu je také zahrnuto pokládání kabeláže do zásuvek v celém bytě. Pokud vezmete příliš tenký drát pro připojení k zásuvce a připojíte k této zásuvce počítač, varnou konvici a mikrovlnnou troubu, může se drát zahřát a způsobit požár. Proto existuje takové označení, které spojuje plochu průřezu vodičů s maximálním výkonem, který bude těmito vodiči protékat. Pokud se rozhodnete tahat dráty, nezapomeňte na to.

V rámci tohoto čísla bych také rád připomněl vlastnosti paralelního a sériového zapojení současných spotřebitelů. Při sériovém zapojení je proud na všech spotřebičích stejný, napětí je rozděleno na části a celkový odpor spotřebičů je součtem všech odporů. Při paralelním připojení je napětí na všech spotřebičích stejné, síla proudu je rozdělena a celkový odpor se vypočítá pomocí tohoto vzorce.

To přináší jeden velmi zajímavý bod, který lze použít k měření síly proudu. Řekněme, že potřebujete změřit proud v obvodu asi 2 ampéry. Ampérmetr se s tímto úkolem nedokáže vyrovnat, takže můžete použít Ohmův zákon v jeho čisté podobě. Víme, že v sériovém zapojení je síla proudu stejná. Vezmeme rezistor s velmi malým odporem a zapojíme jej do série se zátěží. Změříme na něm napětí. Nyní pomocí Ohmova zákona zjistíme aktuální sílu. Jak vidíte, shoduje se s výpočtem pásky. Hlavní věc, kterou je třeba si pamatovat, je, že tento přídavný odpor by měl mít co nejnižší odpor, aby měl minimální dopad na měření.

Je tu ještě jeden velmi důležitý bod, o kterém musíte vědět. Všechny zdroje mají maximální výstupní proud při překročení tohoto proudu se může zdroj zahřát, selhat a v nejhorším případě i vzplanout. Nejpříznivější výsledek je, když má zdroj nadproudovou ochranu, v takovém případě proud jednoduše vypne. Jak si pamatujeme z Ohmova zákona, čím nižší odpor, tím vyšší proud. To znamená, že když vezmete kus drátu jako zátěž, tedy uzavřete zdroj k sobě, pak síla proudu v obvodu vyskočí na obrovské hodnoty, tomu se říká zkrat. Pokud si pamatujete začátek čísla, můžete nakreslit analogii s vodou. Dosadíme-li do Ohmova zákona nulový odpor, dostaneme nekonečně velký proud. V praxi k tomu samozřejmě nedochází, protože zdroj má vnitřní odpor, který je zapojen do série. Tento zákon se nazývá Ohmův zákon pro úplný obvod. Zkratový proud tedy závisí na hodnotě vnitřního odporu zdroje.

Nyní se vraťme k maximálnímu proudu, který zdroj dokáže vyrobit. Jak jsem již řekl, proud v obvodu je určen zátěží. Mnoho lidí mi napsalo na VK a zeptalo se na něco podobného, ​​trochu to přeženu: Sanya, mám zdroj 12 voltů a 50 ampérů. Když k němu připojím malý kousek LED pásku, spálí se? Ne, samozřejmě to nebude hořet. 50 ampér je maximální proud, který může zdroj produkovat. Když k tomu připojíte kus pásky, vezme to dobře, řekněme 100 miliampérů, a je to. Proud v obvodu bude 100 miliampérů a nikdo se nikde nespálí. Další věc je, že pokud vezmete kilometr LED pásku a připojíte jej k tomuto zdroji, proud tam bude vyšší než přípustný a zdroj se s největší pravděpodobností přehřeje a selže. Pamatujte, že je to spotřebitel, kdo určuje množství proudu v obvodu. Tato jednotka může vydávat maximálně 2 ampéry, a když ji zkratuji ke šroubu, se šroubem se nic nestane. Ale to se napájecímu zdroji nelíbí; funguje v extrémních podmínkách. Pokud ale vezmete zdroj schopný dodávat desítky ampér, šroubovi se tato situace nebude líbit.

Jako příklad vypočítejme napájecí zdroj, který bude potřeba k napájení známé části LED pásku. Koupili jsme od Číňanů cívku LED pásku a chceme napájet tři metry právě tohoto pásku. Nejprve přejdeme na stránku produktu a pokusíme se zjistit, kolik wattů spotřebuje jeden metr pásky. Tuto informaci jsem nenašel, takže je tu tato značka. Podívejme se, jaký druh pásky máme. Diody 5050, 60 kusů na metr. A vidíme, že výkon je 14 wattů na metr. Chci 3 metry, což znamená, že výkon bude 42 wattů. Je vhodné vzít zdroj s 30% rezervou chodu, aby nefungoval v kritickém režimu. Výsledkem je 55 wattů. Nejbližší vhodný zdroj bude 60 wattů. Z výkonového vzorce vyjádříme aktuální sílu a najdeme ji s vědomím, že LED diody pracují při napětí 12 voltů. Ukazuje se, že potřebujeme jednotku s proudem 5 ampér. Například jdeme do Ali, najdeme to, koupíme to.

Při výrobě jakýchkoli USB domácích produktů je velmi důležité znát aktuální spotřebu. Maximální proud, který lze z USB odebrat, je 500 miliampérů a je lepší jej nepřekračovat.

A nakonec krátké slovo o bezpečnostních opatřeních. Zde můžete vidět, do jakých hodnot je elektřina považována za neškodnou pro lidský život.