Чем больше ток тем меньше напряжение: Чем больше ток тем меньше напряжение – Чем больше сила тока тем больше напряжение, верно?

Содержание

Закон Ома

Закон Ома – Один из самых применяемых законов в электротехнике. Данный закон раскрывает связь между тремя важнейшими величинами: силой тока, напряжением и сопротивлением. Выявил эту связь Георгом Омом в 1820-е годы именно поэтому этот закон и получил такое название.

Формулировка закона Ома следующая:
Величина силы тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению, приложенному к этому участку, и обратно пропорциональна его сопротивлению.

Эту зависимость можно выразить формулой:

I=U/R

Где I – сила тока, U — напряжение, приложенное к участку цепи, а R — электрическое сопротивление участка цепи.
Так, если известны две из этих величин можно легко вычислить третью.
Понять закон Ома можно на простом примере. Допустим, нам необходимо вычислить сопротивление нити накаливания лампочки фонарике и нам известны величины напряжения работы лампочки и сила тока, необходимая для ее работы (сама лампочка, чтобы вы знали имеет переменное сопротивление, но для примера примем его как постоянное).

Для вычисления сопротивления необходимо величину напряжения разделить на величину силы тока. Как же запомнить формулу закона Ома, чтобы правильно провести вычисления? А сделать это очень просто! Вам нужно всего лишь сделать себе напоминалку как на указанном ниже рисунке.
Теперь закрыв рукой любую из величин вы сразу поймете, как ее найти. Если закрыть букву I, становится ясно, что чтобы найти силу тока нужно напряжение разделить на сопротивление.
Теперь давайте разберемся, что значат в формулировке закона слова « прямо пропорциональна и обратно пропорциональна. Выражение «величина силы тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению, приложенному к этому участку» означает, что если на участке цепи увеличится напряжение, то и сила тока на данном участке также увеличится. Простыми словами, чем больше напряжение, тем больше ток. И выражение «обратно пропорциональна его сопротивлению» значит, что чем больше сопротивление, тем меньше будет сила тока.

Рассмотрим пример с работой лампочки в фонарике. Допустим, что для работы фонарика нужны три батарейки, как показано на схеме ниже, где GB1 — GB3 — батарейки, S1 — выключатель, HL1 — лампочка.

Примем, что сопротивление лампочки условно постоянно, хотя нагреваясь её сопротивление увеличивается. Яркость лампочки будет зависеть от силы тока, чем она больше, тем ярче горит лампочка. А теперь, представьте, что вместо одной батарейки мы вставили перемычку, уменьшив тем самым напряжение.
Что случится с лампочкой?
Она будет светить более тускло (сила тока уменьшилась), что подтверждает закон Ома:
чем меньше напряжение, тем меньше сила тока.

Вот так просто работает этот физический закон, с которым мы сталкиваемся в повседневной жизни.

Бонус специально для вас шуточная картинка не менее красочно объясняющая закон Ома.

Это была обзорная статья. Более подробно об этом законе, мы говорим в следующей статье “Закон Ома для участка цепи”, рассматривая всё на других более сложных примерах.

Если не получается с физикой, английский для детей (http://www. anylang.ru/order-category/?slug=live_language) как вариент альтернативного развития.


Если материал был полезен, вы можете отправить донат или поделиться данным материалом в социальных сетях:

Чем больше напряжение электрического тока, тем он опаснее для человека

С детского сада нас учат: в электрической розетке ток высоко­го напряжения и, засунув туда палец или что-нибудь железное, мы рискуем навсегда покинуть этот мир.

Поэтому у современного человека вырабатывается стойкое убеждение о том, что чем выше

напряжение электрического тока, тем более он опасен для чело­века. С одной стороны, это верно, а с другой — нет, потому что необходимо учитывать не только напряжение, но и силу тока.

Электрический ток, текущий в любых проводниках или средах, характеризуется двумя основными характеристиками: напряжением (разностью потенциалов) и силой тока. Необходимо заметить, что у тока гораздо больше параметров, но именно его сила и напряжение имеют важное практическое значение, так что чаще всего говорят именно о них.

Сила тока — это количество заряда (или пропорциональное количество электронов), прошедшее через поперечное сечение проводника за определенное время. Как известно, сила тока из­меряется в амперах — эта единица измерения названа в честь французского ученого Андре-Мари Ампера, изучавшего электри­ческие явления в начале XIX века.

Напряжение тока — это разность электрических потенциалов, заставляющая электроны двигаться по проводнику. Вообще, определение понятия «напряжение» гораздо сложнее, но в общем случае напряжение показывает, какую по величине работу может совершить электрическое поле при переносе электрического заряда. Эта единица названа в честь итальянского ученого Алессандро Вольта, фактически заложившего на рубеже XVIII-XIX ве­ков основу науки об электричестве.

Эти две величины — сила тока и напряжение — взаимосвязаны, и в любом источнике тока или проводнике есть и ток, и на­пряжение. Тесную связь между ними в начале XIX века установил немецкий физик Георг Ом — сейчас она известна нам как закон Ома. Закон гласит, что сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

Именно из-за закона Ома и нельзя говорить о том, что при повышении напряжения электрический ток становится бо­лее опасным для человека. Да, часто это именно так и бывает, но далеко не всегда — мы сталкиваемся со случаями, когда даже напряжение в 10 000 вольт не наносит никакого вреда, о чем будет сказано дальше.

Интересно, что в розетке, к которой ничего не подключено, никакого тока нет — есть только напряжение. Это естественно вытекает из закона Ома — пока два проводника не соединены, между ними бесконечно большое сопротивление, а значит, бесконечно малый ток. Но ток потечет сразу же, как проводни­ки соединятся друг с другом или через электрический прибор. И чем меньше сопротивление, тем больше будет ток, а напряжение будет оставаться неизменным.

Сопротивление человеческого тела может меняться от 200-300 до 15 000-20 000 и более ом (все зависит от влажности, температуры окружающей среды, даже от эмоционального состояния), поэтому при контакте с током напряжением 220 вольт через разные части тела может пробегать ток силой от тысячных до десятых долей ампера.

Установлено, что человек начинает чувствовать воздействие тока силой от 0,001 ампер, токи в 0,01-0,05 ампер уже являются опасными, а ток выше 0,05 ампер может привести к смерти. Что касается напряжений, то опасность представляют величины от 40 вольт. Однако при некоторых условиях и 10-15 вольт могут стать смертельными, поэтому, например, в лабораториях или учебных классах используют ток напряжением 12 вольт.

Как говорилось выше, иногда высокие напряжения оказываются совершенно безопасными для человека. Нетрудно догадать­ся, что это может случиться при очень малых токах и больших сопротивлениях. Например, известные всем пьезокристаллы (применяющиеся в зажигалках или в устройствах поджига в газовых плитах) могут создавать напряжение в десятки тысяч вольт, однако их действие на человека сводится лишь к кратковременному уколу.

Все дело в том, что через искру при высоком напряжении протекает ток в миллионные доли ампера, а связано это с кратковременностью процесса — искра «живет» считанные доли секунды.

Подводя итог, можно сказать, что не всегда корректно говорить о том, что при повышении напряжения ток становится бо­лее опасным для человека. В некоторых условиях опасным может стать напряжение 10-15 вольт; и, напротив, токи напряжением 10 000 вольт могут не наносить абсолютно никакого вреда, потому что всегда необходимо учитывать не только напряжение, но и силу электрического тока.

Закон Ома — формулировка простыми словами, определение

Сопротивление

Представьте, что есть труба, в которую затолкали камни. Вода, которая протекает по этой трубе, станет течь медленнее, потому что у нее появилось

сопротивление. Точно также будет происходить с электрическим током.

Сопротивление — физическая величина, которая показывает способность проводника пропускать электрический ток. Чем выше сопротивление, тем ниже эта способность.

Теперь сделаем «каменный участок» длиннее, то есть добавим еще камней. Воде будет еще сложнее течь.

Сделаем трубу шире, оставив количество камней тем же — воде полегчает, поток увеличится.

Теперь заменим шероховатые камни, которые мы набрали на стройке, на гладкие камушки из моря. Через них проходить тоже легче, а значит сопротивление уменьшается.

Электрический ток реагирует на эти параметры аналогичным образом: при удлинении проводника сопротивление увеличивается, при увеличении поперечного сечения (ширины) проводника сопротивление уменьшается, а если заменить материал — изменится в зависимости от материала.

Эту закономерность можно описать следующей формулой:

Сопротивление

R = ρ · l/S

R — сопротивление [Ом]

l — длина проводника [м]

S — площадь поперечного сечения [мм2]

ρ — удельное сопротивление [Ом · мм2/м]

Единица измерения сопротивления — ом. Названа в честь физика Георга Ома.

Будьте внимательны!

Площадь поперечного сечения проводника и удельное сопротивление содержат в своих единицах измерения мм2. В таблице удельное сопротивление всегда дается в такой размерности, да и тонкий проводник проще измерять в мм

2. При умножении мм2 сокращаются и мы получаем величину в СИ.

Но это не отменяет того, что каждую задачу нужно проверять на то, что там мм2 в обеих величинах! Если это не так, то нужно свести не соответствующую величину к мм2.

Знайте!

СИ — международная система единиц. «Перевести в СИ» означает перевод всех величин в метры, килограммы, секунды и другие единицы измерения без приставок. Исключение составляет килограмм с приставкой «кило».

Удельное сопротивление проводника — это физическая величина, которая показывает способность материала пропускать электрический ток. Это табличная величина, она зависит только от материала.

Таблица удельных сопротивлений различных материалов

Материал

Удельное сопротивление

ρ, Ом · мм2

Алюминий

0,028

Бронза

0,095–0,1

Висмут

1,2

Вольфрам

0,05

Железо

0,1

Золото

0,023

Иридий

0,0474

Константан (сплав NiCu + Mn)

0,5

Латунь

0,025–0,108

Магний

0,045

Манганин (сплав меди марганца и никеля — приборный)

0,43–0,51

Медь

0,0175

Молибден

0,059

Нейзильбер (сплав меди, цинка и никеля)

0,2

Натрий

0,047

Никелин (сплав меди и никеля)

0,42

Никель

0,087

Нихром (сплав никеля, хрома, железа и марганца)

1,05–1,4

Олово

0,12

Платина

0,107

Ртуть

0,94

Свинец

0,22

Серебро

0,015

Сталь

0,103–0,137

Титан

0,6

Хромаль

1,3–1,5

Цинк

0,054

Чугун

0,5–1,0

Резистор

Все реальные проводники имеют сопротивление, но его стараются сделать незначительным. В задачах вообще используют словосочетание «идеальный проводник», а значит лишают его сопротивления.

Из-за того, что проводник у нас «кругом-бегом-такой-идеальный», чаще всего за сопротивление в цепи отвечает резистор. Это устройство, которое нагружает цепь сопротивлением.

Вот так резистор изображается на схемах:


В школьном курсе физики используют европейское обозначение, поэтому запоминаем только его. Американское обозначение можно встретить, например, в программе Micro-Cap, в которой инженеры моделируют схемы.

Вот так резистор выглядит в естественной среде обитания:


Полосочки на нем показывают его сопротивление.

На сайте компании Ekits, которая занимается продажей электронных модулей, можно выбрать цвет резистора и узнать значение его сопротивления:


Источник: сайт компании Ekits

О том, зачем дополнительно нагружать сопротивлением цепь, мы поговорим в этой же статье чуть позже.

Реостат

Есть такие выключатели, которые крутишь, а они делают свет ярче-тусклее. В такой выключатель спрятан резистор с переменным сопротивлением — реостат.


Стрелка сверху — это ползунок. По сути, он отсекает ту часть резистора, которая находится от него справа. То есть, если мы двигаем ползунок вправо — мы увеличиваем длину резистора, а значит и сопротивление. И наоборот — двигаем влево и уменьшаем.

По формуле сопротивления это очень хорошо видно, так как длина проводника находится в числителе:

Сопротивление

R = ρ · l/S

R — сопротивление [Ом]

l — длина проводника [м]

S — площадь поперечного сечения [мм2]

ρ — удельное сопротивление [Ом · мм2/м]

Закон Ома для участка цепи

С камушками в трубе все понятно, но не только же от них зависит сила, с которой поток воды идет по трубе — от насоса, которым мы эту воду качаем, тоже зависит. Чем сильнее качаем, тем больше течение. В электрической цепи функцию насоса выполняет источник тока.

Например, источником может быть гальванический элемент (привычная батарейка). Батарейка работает на основе химических реакций внутри нее. В результате этих реакций выделяется энергия, которая потом передается электрической цепи.

У любого источника обязательно есть полюса — «плюс» и «минус». Полюса — это его крайние положения, по сути клеммы, к которым присоединяется электрическая цепь. Собственно, ток как раз течет от «+» к «−».


У нас уже есть две величины, от которых зависит электрический ток в цепи — напряжение и сопротивление. Кажется, пора объединять их в закон.

Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на его концах и обратно пропорциональна его сопротивлению.

Математически его можно описать вот так:

Закон Ома для участка цепи

I = U/R

I — сила тока [A]

U — напряжение [В]

R — сопротивление [Ом]

Напряжение измеряется в Вольтах и показывает разницу между двумя точками цепи: от этой разницы зависит, насколько сильно будет течь ток — чем больше разница, тем выше напряжение и ток будет течь сильнее.

Сила тока измеряется в амперах, а подробнее о ней вы можете прочитать в нашей статье. 😇

Давайте решим несколько задач на закон Ома для участка цепи.

Задача раз

Найти силу тока в лампочке накаливания торшера, если его включили в сеть напряжением 220 В, а сопротивление нити накаливания равно 880 Ом.

Решение:

Возьмем закон Ома для участка цепи:

I = U/R

Подставим значения:

I = 220/880 = 0,25 А

Ответ: сила тока, проходящего через лампочку, равна 0,25 А

Давайте усложним задачу. И найдем силу тока, зная все параметры для вычисления сопротивления и напряжение.

Задача два

Найти силу тока в лампочке накаливания, если торшер включили в сеть напряжением 220 В, а длина нити накаливания равна 0,5 м, площадь поперечного сечения 0,01 мм2, а удельное сопротивление нити равно 1,05 Ом · мм2/м.

Решение:

Сначала найдем сопротивление проводника.

R = ρ · l/S

Площадь дана в мм2, а удельное сопротивления тоже содержит мм2 в размерности.

Это значит, что все величины уже даны в СИ и перевод не требуется:

R = 1,05 · 0,5/0,01 = 52,5 Ом

Теперь возьмем закон Ома для участка цепи:

I = U/R

Подставим значения:

I = 220/52,5 ≃ 4,2 А

Ответ: сила тока, проходящего через лампочку, приблизительно равна 4,2 А

А теперь совсем усложним! Определим материал, из которого изготовлена нить накаливания.

Задача три

Из какого материала изготовлена нить накаливания лампочки, если настольная лампа включена в сеть напряжением 220 В, длина нити равна 0,5 м, площадь ее поперечного сечения равна 0,01 мм2, а сила тока в цепи — 8,8 А

Решение:

Возьмем закон Ома для участка цепи и выразим из него сопротивление:

I = U/R

R = U/I

Подставим значения и найдем сопротивление нити:

R = 220/8,8 = 25 Ом

Теперь возьмем формулу сопротивления и выразим из нее удельное сопротивление материала:

R = ρ · l/S

ρ = RS/l

Подставим значения и получим:

ρ = 25 · 0,01/0,5 = 0,5 Ом · мм2

Обратимся к таблице удельных сопротивлений материалов, чтобы выяснить, из какого материала сделана эта нить накаливания.

Ответ: нить накаливания сделана из константана.

Закон Ома для полной цепи

Мы разобрались с законом Ома для участка цепи. А теперь давайте узнаем, что происходит, если цепь полная: у нее есть источник, проводники, резисторы и другие элементы.

В таком случае вводится закон Ома для полной цепи: сила тока в полной цепи равна отношению ЭДС цепи к ее полному сопротивлению.

Так, стоп. Слишком много незнакомых слов — разбираемся по порядку.

Что такое ЭДС и откуда она берется

ЭДС расшифровывается, как электродвижущая сила. Обозначается греческой буквой ε и измеряется, как и напряжение, в Вольтах.

ЭДС — это сила, которая движет заряженные частицы в цепи. Она берется из источника тока. Например, из батарейки.

Химическая реакция внутри гальванического элемента (это синоним батарейки) происходит с выделением энергии в электрическую цепь. Именно эта энергия заставляет частицы двигаться по проводнику.

Зачастую напряжение и ЭДС приравнивают и говорят, что это одно и то же. Формально, это не так, но при решении задач чаще всего и правда нет разницы, так как эти величины обе измеряются в Вольтах и определяют очень похожие по сути своей процессы.

В виде формулы Закон Ома для полной цепи будет выглядеть следующим образом:

Закон Ома для полной цепи

I — сила тока [A]

ε — ЭДС [В]

R — сопротивление нагрузки [Ом]

r — внутреннее сопротивление источника [Ом]

Любой источник не идеален. В задачах это возможно («источник считать идеальным», вот эти вот фразочки), но в реальной жизни — точно нет. В связи с этим у источника есть внутреннее сопротивление, которое мешает протеканию тока.

Решим задачу на полную цепь.

Задачка

Найти силу тока в полной цепи, состоящей из одного резистора сопротивлением 3 Ом и источником с ЭДС равной 4 В и внутренним сопротивлением 1 Ом

Решение:

Возьмем закон Ома для полной цепи:

Подставим значения:

A

Ответ: сила тока в цепи равна 1 А.

Когда «сопротивление бесполезно»

Электрический ток — умный и хитрый парень. Если у него есть возможность обойти резистор и пойти по идеальному проводнику без сопротивления, он это сделает. При этом с резисторами просто разных номиналов это не сработает: он не пойдет просто через меньшее сопротивление, а распределится согласно закону Ома — больше тока пойдет туда, где сопротивление меньше, и наоборот.

А вот на рисунке ниже сопротивление цепи равно нулю, потому что ток через резистор не пойдет.


Ток идет по пути наименьшего сопротивления.

Теперь давайте посмотрим на закон Ома для участка цепи еще раз.

Закон Ома для участка цепи

I = U/R

I — сила тока [A]

U — напряжение [В]

R — сопротивление [Ом]

Подставим сопротивление, равное 0. Получается, что знаменатель равен нулю, а на математике говорят, что на ноль делить нельзя. Но мы вам раскроем страшную тайну, только не говорите математикам: на ноль делить можно. Если совсем упрощать такое сложное вычисление (а именно потому что оно сложное, мы всегда говорим, что его нельзя производить), то получится бесконечность.

То есть:

I = U/0 = ∞

Такой случай называют коротким замыканием — когда величина силы тока настолько велика, что можно устремить ее к бесконечности. В таких ситуациях мы видим искру, бурю, безумие — и все ломается.

Это происходит, потому что две точки цепи имеют между собой напряжение (то есть между ними есть разница). Это как если вдоль реки неожиданно появляется водопад. Из-за этой разницы возникает искра, которую можно избежать, поставив в цепь резистор.

Именно во избежание коротких замыканий нужно дополнительное сопротивление в цепи.

Параллельное и последовательное соединение

Все это время речь шла о цепях с одним резистором. Рассмотрим, что происходит, если их больше.

Глава 21. Электрический ток. Законы Ома и Джоуля-Ленца

Для решения задач ЕГЭ на постоянный ток надо знать определения тока, напряжения, сопротивления, закон Ома для участка цепи и замкнутой цепи, закон Джоуля-Ленца, а также уметь находить эквивалентные сопротивления простейших электрически цепей. Рассмотрим эти вопросы.

Электрическим током называют упорядоченное движение заряженных частиц. Силой тока в некотором сечении проводника называется отношение заряда , протекшего через это сечение за интервал времени , к этому интервалу времени

(21.1)

Чтобы в проводнике тек электрический ток, в проводнике должно быть электрическое поле, или, другими словами, потенциалы различных точек проводника должны быть разными. Но при движении электрических зарядов по проводнику потенциалы различных точек проводника будут выравниваться (см. гл. 19). Поэтому для протекания тока в течение длительного времени на каких-то участках цепи необходимо обеспечить движение зарядов в направлении противоположном полю. Такое движение может быть обеспечено только силами неэлектрической природы, которые в этом контексте принято называть сторонними. В гальванических элементах («батарейках») сторонние силы возникают в результате электрохимических превращений на границах электродов и электролита. Эти превращения обеспечивают перемещение заряда противоположно направлению поля, поддерживая движение зарядов по замкнутому пути.

Сила тока в однородном участке проводника пропорциональна напряженности электрического поля внутри проводника. А поскольку напряженность поля внутри проводника связана с разностью потенциалов его концов (или электрическим напряжением на проводнике ), то

(21.2)

Коэффициент пропорциональности , который принято записывать в знаменатель формулы (21.2), является характеристикой проводника и называется его сопротивлением. В результате формула (21.2) принимает вид

(21.3)

Формула (21.3) называется законом Ома для однородного участка цепи, а сам участок цепи часто называют резистором (от английского слова resistance — сопротивление).

Если проводник является однородным и имеет цилиндрическую форму (провод), то его сопротивление пропорционально длине и обратно пропорционально площади сечения

(21.4)

где коэффициент пропорциональности зависит только от материала проводника и называется его удельным сопротивлением.

Если участок цепи представляет собой несколько последовательно соединенных однородных проводников с сопротивлениями (см. рисунок), то сила тока через каждый проводник будет одинаковой , электрическое напряжение на всем участке цепи равно сумме напряжений на каждом проводнике , а эквивалентное сопротивление всего участка равно сумме сопротивлений отдельных проводников

(21.4)

Если участок цепи представляет собой несколько однородных проводников с сопротивлениями , соединенных параллельно (см. рисунок), то электрическое напряжение на каждом проводнике будет одинаковым , ток через участок будет равен сумме токов, текущих через каждый проводник , а величина, обратная эквивалентному сопротивлению всего участка, равно сумме обратных сопротивлений отдельных проводников

(21.5)

Рассмотрим теперь закон Ома для замкнутой электрической цепи. Пусть имеется замкнутая электрическая цепь, состоящая из источника сторонних сил с внутренним сопротивлением и внешнего сопротивления . Пусть при прохождении заряда через источник сторонние силы совершают работу . Электродвижущей силой источника (часто используется аббревиатура ЭДС) называется отношение работы сторонних сил к заряду

(21.6)

В этом случае сила тока в цепи равна

(21. 7)

Формула (21.7) называется законом Ома для замкнутой электрической цепи.

При прохождении электрического тока через участок цепи электрическое поле совершает работу (часто эту работу называют работой тока, хотя термин этот не очень точный). Очевидно, вся эта работа превращается в тепло. Поэтому если через участок цепи прошел заряд , где — сила тока в цепи, — время, то количество выделившейся теплоты равно

(21.8)

(для получения последнего и предпоследнего равенств использован закон Ома для участка цепи). Формулы (21.8) называются законом Джоуля-Ленца. Из формулы (21.8) следует, что количество выделившейся при протекании электрического тока теплоты линейно зависит от времени наблюдения. Поэтому отношение

(21.9)

которое называется мощностью тока, не зависит от времени наблюдения. Формулу (21.9) также называют законом Джоуля-Ленца.

Рассмотрим теперь задачи.

Структура металла кратко обсуждалась в гл. 16: положительно заряженные ионы расположены в узлах кристаллической решетки, образовавшиеся в результате диссоциации валентные электроны могут свободно перемещаться по проводнику (свободные электроны). Они и осуществляют проводимость металла (задача 21.1.1 — ответ 2).

Согласно определению (21.1) находим среднюю силу тока в канале молнии (задача 21.1.2)

(ответ 2).

Если за 1 мин через сечение проводника протекает заряд 60 Кл (задача 21.1.3), то сила тока в этом проводнике равна А. Применяя далее к этому проводнику закон Ома для участка цепи, получаем В (ответ 2).

По закону Ома для участка цепи имеем для силы тока через участок цепи после изменения его сопротивления и электрического напряжения на нем (задача 21. 1.4)

Таким образом, сила тока уменьшилась в 4 раза (ответ 3).

Согласно закону Ома для участка цепи сопротивление — это коэффициент пропорциональности между напряжением на этом участке и силой тока в нем. Поэтому в задаче 21.1.5 имеем, например, используя крайнюю точку графика

(ответ 2). Из-за линейной зависимости тока от напряжения вычисления можно было выполнить и по другим точкам графика, ответ был бы таким же.

Согласно формуле (21.4) имеем для первой проволоки в задаче 21.1.6

где — удельное сопротивление меди, — длина проводника, — его радиус. Для медной проволоки с вдвое большей длиной и втрое бóльшим радиусом сечения имеем

(ответ 3).

Как следует из формулы (21.4) при двукратном уменьшении длины проводника вдвое уменьшается его сопротивление. Поэтому из закона Ома для участка цепи (21.3) заключаем, что при двукратном уменьшении напряжения на проводнике и двукратном уменьшении его длины (задача 21.1.7) сила тока в проводнике не изменится (ответ 4).

В задаче 21.1.8 следует использовать закон Ома для замкнутой электрической цепи (21.7). Имеем

где — ЭДС источника, — сопротивлении е внешней цепи, — сопротивление источника (ответ 1).

В задаче 21.1.9 следует применить закон Ома для замкнутой электрической цепи (21.7) к какому-нибудь значению внешнего сопротивления, по графику найти силу тока в цепи, а затем и ЭДС источника. Проще всего применить закон Ома к случаю . Из графика находим силу тока . Поэтому

где — внутреннее сопротивление источника (ответ 3).

Из формулы (21.9) следует, что при фиксированном сопротивлении участка цепи увеличение электрического напряжения в 2 раза (задача 21.1.10) приведет к увеличению мощности тока в 4 раза (ответ 2).

В задаче 21.2.1 удобно использовать вторую из формул (21.9) . Имеем Вт (ответ 3).

Часто школьники не могут ответить на такой вопрос: из формулы для мощности тока следует, что мощность линейно растет с ростом сопротивления, а из формулы — убывает с ростом сопротивления. А как же в действительности мощность зависит от сопротивления? Давайте разберемся в этом вопросе на примере задачи 21.2.2. Конечно, оба предложенных «решения» неправильны: в них молчаливо предполагалось, что сила тока, текущего через это сопротивление, или напряжение на этом сопротивлении не зависят от его величины. А на самом деле эти величины от сопротивления зависят, причем эти зависимости могут быть разными для разных источников тока. Внутреннее сопротивление бытовых электрических сетей очень мало. В этом случае из законов Ома для замкнутой цепи и участка цепи (21.7), (21.3) следует, что напряжение на любом элементе, включенном в такую сеть, не зависит от сопротивления этого элемента и равно номинальному напряжению сети . Поэтому из формулы заключаем, что мощность, которая выделяется на таком элементе обратно пропорциональна его сопротивлению (ответ 3). Отметим, что из проведенного рассуждения следует, что выделяемая мощность будет очень большой (опасная в быту ситуация!) для малого сопротивления внешнего участка цепи, т.е. в случае короткого замыкания, которого, таким образом, необходимо избегать.

Если бы внутреннее сопротивление источника было бы много больше внешнего сопротивления, ток в цепи определялся бы, главным образом, внутренним сопротивлением источника, а от внешнего сопротивления зависел бы слабо. В этом случае мощность тока была бы прямо пропорциональна сопротивлению участка цепи.

Как обсуждалось в решении предыдущей задачи, сопротивление элемента, работающего в бытовой электросети равно , где — номинальная мощность данного элемента, — напряжение в сети. Поэтому отношение сопротивлений ламп мощностью Вт и Вт, рассчитанных на работу в одной и той же бытовой электрической сети (задача 21.2.3) равно

(ответ 2).

Поскольку резисторы в задаче 21.2.4 соединены последовательно, то сила тока в них одинакова. Поэтому из закона Ома для участка цепи заключаем, что

(ответ 2).

При параллельном соединении ламп (задача 21.2.5) напряжение на них одинаково (см. введение к настоящей главе). Поэтому из закона Ома для участка цепи следует, что

(ответ 1).

Рассматриваемый в задаче 21.2.6 участок представляет собой два последовательных соединенных элемента, один из которых есть резистор 6 Ом, второй — два таких же резистора, соединенных параллельно. По правилам сложения сопротивлений находим эквивалентное сопротивление второго участка

а затем и эквивалентное сопротивление всей цепи

(ответ 3).

При разомкнутом ключе сопротивление участка цепи, данного в задаче 21.2.7, можно найти как в предыдущей задаче , где — сопротивление каждого резистора. Если ключ замкнут, то цепь сводится к одному резистору (т.к. параллельно двум резисторам включается проводник с пренебрежимо малым сопротивлением). Поэтому в этом случае сопротивление цепи равно . Таким образом, сопротивление второй цепи составляет две трети от сопротивления первой (ответ 1).

Как обсуждалось в решении задачи 21.2.2, сопротивление элемента номинальной мощности , работающего в бытовой электросети равна

где В — напряжение сети. Из этой формулы следует, что чем больше номинальная мощность элемента, тем меньше должно быть его сопротивление. Если две лампы накаливания включены последовательно (задача 21.2.8), то сила тока в них одинакова и отношение мощностей тока в этих лампах равно отношению их сопротивлений. Отсюда следует, что отношение реально выделяемых в лампах мощностей и обратно отношению номинальных мощностей этих ламп:

(ответ 2).

Работа, совершаемая электрическим полем в проводнике при протекании по нему электрического тока, превращается в энергию тока, которая затем превращается в тепловую энергию. Поэтому работу поля можно найти из закона Джоуля-Ленца. Для работы поля за время получаем . Из этой формулы находим сопротивление проводника в задаче 21.2.9

(ответ 1).

Поскольку при последовательном соединении резисторов ток через каждый из них одинаков, из закона Джоуля-Ленца (22. 8) заключаем, что из двух сопротивлений и (задача 21.2.10; см. рисунок) наибольшей будет мощность тока на сопротивлении , из двух сопротивлений и — на сопротивлении . Сравним мощности тока на этих сопротивлениях. Учитывая, что при параллельном соединении элементов электрическое напряжение на каждом элементе одинаковое, а при последовательном — складываются значения сопротивлений, получим из законов Ома для верхнего и нижнего участков цепи и закона Джоуля-Ленца

где — электрическое напряжение, приложенное ко всей цепи. Поскольку то в представленной схеме наибольшая мощность будет выделяться на сопротивлении (ответ 2).

Калькулятор зависимости силы тока от напряжения и сопротивления. Ом

Все источники питания рассчитаны на предельную нагрузку (на определенную мощность).

По сути любой источник энергии имеет определенное напряжение на выходе, а так же определенную допустимую силу тока. При превышении максимальной силы тока (мощности) источник питания может сгореть.

Давайте представим, что у нас есть источник питания  с напряжением 12 Вольт и с допустимой силой тока в 1 Ампер.
Если подключим к такому источнику нагрузку в виде сопротивления 24 Ома, через чем будет протекать ток равный ½ максимально допустимого тока – тоесть 0,5 Ампера.
Если параллельно мы подключим еще одно сопротивление 24  Ома сила тока достигнет максимально допустимой в 1 Ампер.

Схема зависимости силы тока от сопротивления нагрузки


Подключив еще одно сопротивление параллельно к источнику питания через цепь будет протекать ток в 1,5 раза больше допустимого.  При такой нагрузке в источнике питания скорее всего сгорит предохранитель, возможно такой источник питания даже сгорит сам в условиях перегрузки.

По сути тоже самое происходит когда вы подключаете низкоомную нагрузку к усилителю. Если вы подключите к усилителю нагрузку (скажем динамик) с сопротивлением меньше, чем заявленная в характеристиках усилителя, он может сгореть. Тоже самое произойдет, если вы подключите несколько динамиков параллельно, тем самым увеличив силу тока а значит и мощность.

Сопротивление нагрузки может служить инструментом регулировки выходной мощности усилителя. Чем меньше сопротивление нагрузки тем больший будет протекать через него, а значит и мощность будет больше. Не забываейте, что нельзя допускать понижения сопротивления ниже заявленных параметров усилителя . Помните что короткое замыкание это 0 Ом! Наверно вы уже догадываетесь почему.

Пример расчета зависимости силы тока от сопротивления проводника или потребителя (нагрузки)

Так как основные примеры электроники мы рассматриваем на примерах автозвука…. Давайте предположим, что у нас есть усилитель мощностью 100 Ватт  (мощность мы разберем более подробно чуть позже) и он рассчитан на минимальное сопротивление 4 Ома.
Это означает, что усилитель может генерировать мощность до 100 Ватт на нагрузку в 4 Ома, и если сопротивление нагрузки будет меньше, вполне вероятно он сгорит.

Для того что бы достичь мощности в 100 Ватт на 5 Ома через цепь нагрузки должен протекать ток в 5 Ампер.

Для того что бы такой ток протекал через нагрузку 4 Ома, необходимо создать разность потенциалов (напряжение) на контактах динамика в 20 Вольт. (то есть при максимальной мощности, напряжение на контактах динамика будет равно 20 Вольт).

Пусть множество этих цифр не сбивает вас с толку, мы ниже более подробно рассмотрим все определения.

Ниже приведен калькулятор который рассчитывает силу тока в зависимости от напряжения и сопротивления.

Калькулятор зависимости силы тока от напряжения и сопротивления.

 


Если вы введете наши исходные данные 20 Вольт и 4 Ома в исходные параметры, вы увидите в результатах калькулятора что через нагрузку будет протекать ток в 5 Ампер. Если вы уменьшите сопротивление до 2 Ом, сила тока увеличится вдвое. Но как мы помним максимальная допустимая сила тока для нашего усилителя 5 Ампер и более низкое сопротивление нагрузки приведет к повышению силы тока, а это может повредить ваш усилитель.

Используйте этот калькулятор для расчета силы тока протекающего через нагрузку.

– Калькулятор наглядно продемонстрирует вам как напряжение приложенное к нагрузке, а так же сопротивление нагрузки, влияет на ток протекающий в цепи
– вы можете отдельно менять  Вольтаж и сопротивление
– обратите внимание, что увеличение силы тока обычно связано с увеличением приложенного напряжения и УМЕНЬШЕНИЕМ сопротивления.

Понижение силы тока связано обычно с понижением напряжения и УВЕЛИЧЕНИЕМ сопротивления.

п.с. Когда вы покупаете динамики для вашей аудиосистемы вы должны знать минимальное сопротивление на которое рассчитан ваш усилитель, что бы получить от него максимальную мощность. Зная параметры усилителя вы можете точно выбрать правильный динамик (как с одной катушкой так и с двумя – помните о параллельном и последовательном соединении).

!!! Помните что Ом это единица выражающая сопротивление нагрузки  протеканию электрического тока.
 

Распространённые ошибки при термоэлектрических расчётах

При моделировании различных электротехнических приборов важную роль играет правильный расчёт электромагнитного нагрева материалов, электропроводность и теплопроводность которых нелинейно зависят от температуры. При моделировании таких нелинейностей даже у опытных инженеров могут возникать некоторые трудности и неожиданные результаты расчетов при комплексных сочетаниях нелинейных свойств материалов, граничных условий и геометрии. Давайте на простом примере разберём, почему это происходит.

Закон Ома и резистивный нагрев

Одним из первых физических законов, с которым сталкиваемся и который используем мы как инженеры, является закон Ома: Ток, протекающий через устройство равен приложенному напряжению (разности потенциалов), делённому на электрическое сопротивление или I = V/Re, где Re — электрическое сопротивление, которое является функцией от геометрии и электропроводности материала.

Далее мы узнаём о рассеиваемой мощности, которая равна произведению приложенного напряжения и тока, или Q = IV, что можно также записать, как Q = I2Re или Q = V2/Re. 2 R_e R_t.

Температуру окружающей среды примем равной 300 K или 27°C, что является примерной комнатной температурой. Теперь давайте рассчитаем температуру нашего устройства, как функцию от напряжения (от 0 до 10 В) и тока (от 0 до 10 А), как показано на рисунке ниже. Неудивительно, что мы видим квадратичную зависимость.


Зависимость температуры устройства от приложенного напряжения (слева) и протекающего тока (справа) при постоянных свойствах материала.

Можно предположить, что возможно использовать кривую для расчёта более широкого диапазона рабочих параметров. Поставим задачу нагреть устройство до критической температуры, при которой материал начнёт плавиться и испаряться. Предположим, что он начнёт испаряться при температуре 700 K (427°C). Основываясь на графиках выше и проведя простые математические вычисления можно рассчитать, что максимальное напряжение будет равно 20 В, а ток — 20 А, однако это совершенно неправильно!

Учет нелинейных свойств материала для сосредоточенной модели

На данном этапе вы можете заметить, что допущена ошибка: Электрическое сопротивление непостоянно и зависит от температуры. e_0)) R_t

Эти уравнения уже немного сложнее (первое — квадратичное уравнение относительно T), но их ещё можно решить вручную. Графики зависимости температуры от приложенного напряжения и тока показаны ниже.


Зависимости температуры устройства от приложенного напряжения (слева) и протекающего тока (справа) для случая зависимости электрического сопротивления от температуры.

Для варианта с напряжением мы видим, что при увеличении температуры, сопротивление также возрастает. Так как в этом случае сопротивление в уравнении для температуры находится в знаменателе, с его увеличением прирост температуры будет уменьшаться: мы видим, что график температуры лежит ниже, чем для случая с постоянным удельным сопротивлением. Если рассматривать вариант с постоянным током, то зависящее от температуры сопротивление будет в числителе.

По мере увеличения тока резистивный нагрев будет, наоборот, больше, чем в первом случае. На данном этапе мы опять-таки можем вычислить максимальное рабочее напряжение и ток, однако, вы, вероятно, уже видите вторую ошибку, которую мы допустили: необходимо также учитывать температурную зависимость теплового сопротивления. t_0 = 300 K), можно построить зависимости температуры устройства, как показано ниже.


Зависимости температуры устройства от приложенного напряжения (слева) и протекающего тока (справа) для случая зависимости электрического и термического сопротивлений от температуры.

Заметим, что для варианта с током температура возрастает асимптотически. Поскольку электрическое и тепловое сопротивление увеличиваются с повышением температуры, температура устройства возрастает очень резко по мере увеличения тока. При повышении температуры до бесконечности, задача становится нерешаемой. На самом деле, это полностью ожидаемо. Так работает предохранитель в вашем автомобиле. Если решать данную задачу в COMSOL Multiphysics, то можно использовать исследование во временной области (введя термальную массу как функцию от от плотности материала и теплоемкости), с помощью которого можно рассчитать время, в течение которого произойдет отказ устройства.

Для варианта с напряжением всё намного проще. Здесь мы также видим вполне предсказуемое поведение системы. С увеличением сопротивления температура растёт быстрее, чем в предыдущем случае. Однако заметьте, что относительно самого первого случая с постоянным сопротивлением, температура всё же ниже. Иногда это может запутать, но просто отметьте для себя, что одна из нелинейностей приводит к уменьшению температуры, а другая — к увеличению. В целом, если составлять более комплексную модель (например, которую можно сделать и рассчитать в COMSOL Multiphysics), то сложно предугадать, какая из нелинейностей будет преобладать.

Какую ещё ошибку можно допустить на этом этапе? В данном случае мы использовали положительный температурный коэффициент теплового сопротивления. Это справедливо для большинства металлов, однако для изоляторов, к примеру для стекла, этот коэффициент будет противоположным. Обычно термическое сопротивление всего устройства в основном зависит как раз от изоляторов, а не от электропроводящих доменов. Кроме того, при расчёте термического сопротивления устройства необходимо учитывать естественное охлаждение. То есть термического сопротивление также будет зависеть от эффектов свободной конвекции (которая возрастает с разницей температур) и излучения (которое пропорционально четвёртой степени разницы температур). Теперь давайте закончим рассмотрение нашей относительно простой задачи и изменим знак температурного коэффициента, αt = 1/400 K, а затем также сравним два варианта — с питающим напряжением (от 0 до 100 В) и протекающим током (от 0 до 100 А).


Зависимости температуры устройства от приложенного напряжения (розовым) и протекающего тока (голубым) при отрицательном температурном коэффициенте термического сопротивления.

Мы видим, что результаты теперь совершенно другие. Обратите внимание, что в обоих случаях при низких значениях сопротивления кривые возрастают квадратично, а при увеличении сопротивления они уже имеют менее резкий характер, так как термическое сопротивление уменьшается. Тангенс угла наклона всегда положителен, но его величина постепенно уменьшается. В случае с током, кривая начинает асимптотически приближаться к значению T = 700 K, а в варианте с напряжением это значение меньше.

Это достаточно важный результат, и он позволяет обратить внимание на ещё одну распространённую ошибку. Нелинейные модели материалов, которые мы здесь используем для электрического и термического сопротивлений, являются приближёнными. Они становятся неэффективными при значениях температур около 700 К. Если мы знаем, что устройство будет работать как раз в этом режиме, то нужно найти более сложную материальную модель. Несмотря на то, что существующие модели позволяли получить какой-то результат, всегда стоит проверять адекватность расчёта на действующей рабочей температуре. Конечно, если наши условия эксплуатации далеки от таких температур, можно воспользоваться линеаризованной моделью резистивности (одной из встроенных материальных моделей в COMSOL Multiphysics). Тогда наша модель будет корректной.

Подводя некоторые итоги, мы видим, что температура имеет очень сложную зависимость от питающего напряжения и тока. При рассмотрении нелинейных материалов температура может быть выше или ниже, чем при постоянных свойствах, угол наклона температурной кривой может быть как довольно резким, так и плавным, в зависимости от условий работы.

Запутали ли вас результаты в последнем варианте ещё больше? Что, если мы вернёмся к выражению для сопротивления и изменим один из коэффициентов? У некоторых материалов отрицательный знак температурных коэффициентов для электрического и термического сопротивлений. Что, если бы мы использовали более комплексные нелинейности? Вы все также будете пытаться предсказать ожидаемую температуру на основании сосредоточенной модели, или вы бы скорее положились на полноценный детальный расчёт?

Выводы о распространённых ошибках при электротермических расчётах

Как насчёт случая реального устройства? В нём будет несколько материалов, различные зависимости электро- и теплопроводностей как функции температуры, а также и сложная геометрия. Какой решатель при моделировании вы бы выбрали: стационарный или временной, чтобы узнать, сколько времени потребуется для повышения температуры? Скорее всего, в модели также будут нелинейные граничные условия такие, как условие излучения и свободная конвекция, которые неправильно будет аппроксимировать только одним приближённым тепловым сопротивлением. Что же в таком случае можно ожидать? Да практически всё! И как же рассчитывать такие сложные задачи? Конечно же с помощью COMSOL Multiphysics!

Следующий шаг

Узнайте, как COMSOL Multiphysics может помочь вам в мультифизическом моделировании при решении поставленных задач. Не стесняйтесь написать нам и задать все интересующие вопросы!

Сопротивление

Подобно тому, как труба тормозит и ограничивает протекающий через нее поток воды, так электрическое сопротивление ограничивает протекающий через него электрический ток. Сопротивление R измеряется в омах (условное обозначение Ом).

 

Единицы

Основными единицами для измерения тока, напряжения и сопротивления являются ампер, вольт и ом. Существуют также производные от этих единиц, большие или меньшие основных во много десятков раз. Соотношения этих единиц приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Величина

Обозна­чение

Единицы

Ток

I

ампер, А

Напряжение

V

вольт, В

Сопротивление

R

ом, Ом

миллиампер

мА

= 1/1000 А = 10-3 А

микроампер

мкА

= 1/1000 мА = 10-3 мА, или 1/1000000 А = 10-6 А

милливольт

мВ

= 1/1000 В = 10-3 В

микровольт

мкВ

= 1/1000 мВ = 10-3 мВ, или 1/1000000 В = 10-6 В

киловольт

кВ

= 1000 В = 103 В

килоом

кОм

= 1000 Ом = 103 Ом

мегаом

МОм

= 1000 кОм = 103 кОм, или 1000000 Ом = 106 Ом

 

Закон Ома

Итак, по определению сопротивление ограничивает плектр и чески и ток. Значение тока, протекающего через резистор, зависит как от его сопроти­вления, так и от разности потенциалов, или напряжения, приложенного к резистору (рис. 1.3). Чем больше сопротивление, тем меньше протекаю­щий ток. С другой стороны, чем выше напряжение, тем больше ток. Эта зависимость известна как закон Ома:

 

Ток (амперы) = Напряжение (вольты) / Сопротивление (омы),

или I = V/R

Отсюда

R = V/I и V = IR

 

 

 Полное напряжение
(а)

 

 

Полное напряжение
(б)

 

Рис. 1.4. Два последовательно соединенных резистора (а)
и их эквивалентное сопротивление (б)

 

 

Рис. 1.3. Резистор в схеме

 

 

 

Последовательное соединение резисторов

R1 и R2 – два резистора, соединенных последовательно (рис. 1.4(а)). Весь ток, который протекает через R1, протекает и через R2, т. е. последовательно включенные резисторы имеют общий ток. А вот напряжения на них различны.


Пример 1

Если R1 = 2 Ом, R2 = 6 Ом и I = 3 А, то
Напряжение на R1: V = 6 В и
Напряжение на R2: V = 18 В.

Полное напряжение между точками А и В равно сумме напряжений на резисто¬рах R1 и R2
V = V1 + V2 = 6 B + 18 B = 24 B

 

Общее сопротивление

R1 и R2 можно заменить одним сопротивлением. при котором между точ¬ками А и В будет протекать тот же ток при условии, что напряжение между точками А и В будет прежнее (рис. 1.4(б)). Такое эквивалентное сопротивление называется общим сопротивлением RТ.
Полное сопротивление RТ = R1 + R2.
Определим общее сопротивление для схемы в примере 1:
RТ = R1 + R2 = 2 + 6 = 8 Ом.
При токе I = 3 А определим напряжение
V = IR = 3 * 8 = 24.
Как видим, это то же значение напряжения, которое мы получили сло¬жением V1 и V2.

 

Последовательное соединение трех резисторов

Пример 2

На рисунке 1.5 R1 = 1 кОм, R2 = 4 кОм, R3 = 10 кОм и напряжение батареи
Общее сопротивление RТ = R1 + R2 + R3 = 15 кОм;
Ток I = V / RТ = 1 мА;
Напряжение на R1: V1 = I R1 = 1 В;
Напряжение на R2: V2 = I R2 = 4 В;
Напряжение на R3: V3 = I R3 = 10 В.

 

Делитель напряжения

Как видно из вышеприведенного примера, если два или более резистора соединены последовательно и на них подано напряжение постоянного тока, то на всех резисторах появляются разные напряжения.

 

Рис. 1.5. Последовательное соеди­нение трех резисторов

 

 

Рис. 1.6. Делитель напряжения

 

Такая схема называется делителем напряжения и применяется для получения раз­ных напряжений от одного источника питания. В простейшем делителе напряжения, изображенном на рис. 1.6, R1 = 2 кОм, R2 = 1 кОм и на­пряжение источника питания V = 30 В. Напряжение в точке А равно полному напряжению источника, т. е. 30 В. Напряжение VB в точке В равно напряжению на R2.

Ток в цепи I = 10 мА

Напряжение на R2: V2 = IR2= 10В.

Напряжение в точке В можно вычислить другим способом:

Напряжение на R2: V2 = VR2 / (R1 + R2) = 10 B.

Второй способ применим для любого делителя напряжения, состоящего из двух и более резисторов, включенных последовательно. Напряжение в любой точке схемы можно вычислить с помощью калькулятора за один прием, минуя вычисление тока.

 

Последовательное включение двух резисторов с равными сопротивлениями

Если делитель напряжения состоит из двух одинаковых резисторов, то приложенное напряжение делится на них пополам.

 

Последовательное включение трех резисторов с равными сопротивлениями

Пример 3

На рис. 1.7 изображен делитель напряжения, состоящий из трех одинаковых резисторов сопротивлением в 1 кОм каждый. Вычислить напряжение в точках А и В относительно точки Е.

Общее сопротивление RТ = R1 + R2 + R3 = 3 кОм;

VAE = 10 B;

VBE = 20 B.

Рис. 1.7. Делитель напряжения из трех одинаковых резисторов

 

Рис. 1.8.

 

Видеоурок о понятии сопротивления проводников

 

Добавить комментарий

Напряжение, ток, сопротивление и закон Ома

Избранное Любимый 121

Основы электричества

Приступая к изучению мира электричества и электроники, очень важно начать с понимания основ напряжения, силы тока и сопротивления. Это три основных строительных блока, необходимых для управления электричеством и его использования. Поначалу эти концепции может быть трудно понять, потому что мы не можем их «видеть».Нельзя невооруженным глазом увидеть энергию, текущую по проводу, или напряжение батареи, лежащей на столе. Даже молния в небе, хотя и видимая, на самом деле является не обменом энергией, происходящим от облаков к земле, а реакцией воздуха на проходящую через него энергию. Чтобы обнаружить эту передачу энергии, мы должны использовать инструменты измерения, такие как мультиметры, анализаторы спектра и осциллографы, чтобы визуализировать то, что происходит с зарядом в системе. Не бойтесь, однако, этот учебник даст вам общее представление о напряжении, токе и сопротивлении и о том, как они связаны друг с другом.

Георг Ом

Описано в этом руководстве

  • Как электрический заряд связан с напряжением, током и сопротивлением.
  • Что такое напряжение, ток и сопротивление.
  • Что такое закон Ома и как с его помощью понять электричество.
  • Простой эксперимент для демонстрации этих концепций.

Рекомендуемое чтение

Электрический заряд

Электричество — это движение электронов.Электроны создают заряд, который мы можем использовать для совершения работы. Ваша лампочка, ваша стереосистема, ваш телефон и т. д. используют движение электронов для выполнения работы. Все они работают, используя один и тот же основной источник энергии: движение электронов.

Три основных принципа этого руководства можно объяснить, используя электроны, или, точнее, создаваемый ими заряд:

  • Напряжение — это разница заряда между двумя точками.
  • Ток — это скорость, с которой течет заряд.
  • Сопротивление — это способность материала сопротивляться потоку заряда (тока).

Итак, когда мы говорим об этих значениях, мы на самом деле описываем движение заряда и, таким образом, поведение электронов. Цепь представляет собой замкнутый контур, который позволяет заряду перемещаться из одного места в другое. Компоненты в цепи позволяют нам контролировать этот заряд и использовать его для выполнения работы.

Георг Ом — баварский ученый, изучавший электричество. Ом начинается с описания единицы сопротивления, которая определяется током и напряжением.Итак, давайте начнем с напряжения и пойдем оттуда.

Напряжение

Мы определяем напряжение как количество потенциальной энергии между двумя точками цепи. Одна точка имеет больший заряд, чем другая. Эта разница заряда между двумя точками называется напряжением. Он измеряется в вольтах, что технически представляет собой разность потенциалов между двумя точками, которые передают один джоуль энергии на кулон проходящего через них заряда (не паникуйте, если это не имеет смысла, все будет объяснено). Единица «вольт» названа в честь итальянского физика Алессандро Вольта, который изобрел то, что считается первой химической батареей. Напряжение обозначается в уравнениях и схемах буквой «V».

При описании напряжения, тока и сопротивления часто используется аналогия с резервуаром для воды. В этой аналогии заряд представлен водой , количеством , напряжение представлен водой , давлением , а ток представлен водой , расходом . Итак, для этой аналогии запомните:

  • Вода = заправка
  • Давление = Напряжение
  • Расход = Текущий

Рассмотрим резервуар для воды на определенной высоте над землей.На дне этого бака есть шланг.

Давление на конце шланга может представлять собой напряжение. Вода в баке представляет собой заряд. Чем больше воды в баке, тем выше заряд, тем большее давление измеряется на конце шланга.

Мы можем думать об этом резервуаре как о батарее, месте, где мы храним определенное количество энергии, а затем высвобождаем ее. Если мы спустим наш бак на определенное количество, давление, создаваемое на конце шланга, упадет. Мы можем думать об этом как об уменьшении напряжения, например, когда фонарик тускнеет, когда батарейки садятся.Также уменьшается количество воды, протекающей через шланг. Меньшее давление означает, что течет меньше воды, что приводит нас к течению.

Текущий

Количество воды, вытекающей из бака по шлангу, можно представить как ток. Чем выше давление, тем выше расход, и наоборот. В случае с водой мы бы измерили объем воды, протекающей через шланг за определенный период времени.18 электронов (1 кулон) в секунду проходят через точку цепи. Усилители представлены в уравнениях буквой «I».

Допустим, у нас есть два бака, к каждому из которых подходит шланг снизу. В каждом баке одинаковое количество воды, но шланг одного бака уже, чем шланг другого.

Мы измеряем одинаковое давление на конце любого шланга, но когда вода начнет течь, расход воды в баке с более узким шлангом будет меньше, чем расход воды в баке с более широкий шланг.В электрических терминах ток через более узкий шланг меньше, чем ток через более широкий шланг. Если мы хотим, чтобы поток через оба шланга был одинаковым, мы должны увеличить количество воды (зарядку) в баке с более узким шлангом.

Это увеличивает давление (напряжение) на конце более узкого шланга, проталкивая больше воды через резервуар. Это аналогично увеличению напряжения, которое вызывает увеличение тока.

Теперь мы начинаем видеть взаимосвязь между напряжением и током.Но здесь следует учитывать третий фактор: ширину шланга. В этой аналогии ширина шланга является сопротивлением. Это означает, что нам нужно добавить еще один член в нашу модель:

.
  • Вода = заряд (измеряется в кулонах)
  • Давление = Напряжение (измеряется в вольтах)
  • Поток = ток (измеряется в амперах или для краткости «амперы»)
  • Ширина шланга = сопротивление

Сопротивление

Рассмотрим еще раз наши два резервуара для воды, один с узкой трубой, а другой с широкой трубой.

Само собой разумеется, что мы не можем пропустить через узкую трубу столько же объема, сколько через более широкую при том же давлении. Это сопротивление. Узкая труба «сопротивляется» потоку воды через нее, хотя вода находится под тем же давлением, что и резервуар с более широкой трубой.

В электрических терминах это представлено двумя цепями с одинаковыми напряжениями и разными сопротивлениями. Цепь с более высоким сопротивлением позволит протекать меньшему заряду, а это означает, что через цепь с более высоким сопротивлением протекает меньший ток.18 электронов. Это значение обычно обозначается на схемах греческой буквой «Ω», которая называется омега и произносится как «ом».

Закон Ома

Объединив элементы напряжения, силы тока и сопротивления, Ом вывел формулу:

Где

  • В = напряжение в вольтах
  • I = ток в амперах
  • R = сопротивление в омах

Это называется законом Ома. Допустим, например, что у нас есть цепь с потенциалом 1 вольт, током 1 ампер и сопротивлением 1 Ом. Используя закон Ома, мы можем сказать:

Допустим, это наш бак с широким шлангом. Количество воды в баке определяется как 1 вольт, а «узость» (сопротивление течению) шланга определяется как 1 Ом. Используя закон Ома, это дает нам поток (ток) в 1 ампер.

Используя эту аналогию, давайте теперь посмотрим на бак с узким шлангом. Поскольку шланг уже, его сопротивление потоку выше.Определим это сопротивление как 2 Ом. Количество воды в резервуаре такое же, как и в другом резервуаре, поэтому, используя закон Ома, наше уравнение для резервуара с узким шлангом равно

.

Но какой ток? Поскольку сопротивление больше, а напряжение такое же, это дает нам значение тока 0,5 ампер:

Значит, в баке с большим сопротивлением ток меньше. Теперь мы можем видеть, что если мы знаем два значения закона Ома, мы можем найти третье.Продемонстрируем это на эксперименте.

Эксперимент по закону Ома

В этом эксперименте мы хотим использовать 9-вольтовую батарею для питания светодиода. Светодиоды хрупкие, и через них может протекать только определенное количество тока, прежде чем они сгорят. В документации на светодиод всегда будет «номинальный ток». Это максимальное количество тока, которое может протекать через конкретный светодиод, прежде чем он перегорит.

Необходимые материалы

Для проведения экспериментов, перечисленных в конце руководства, вам потребуется:

ПРИМЕЧАНИЕ. Светодиоды — это так называемые «неомические» устройства.Это означает, что уравнение для тока, протекающего через сам светодиод, не так просто, как V=IR. Светодиод вносит в цепь то, что называется «падением напряжения», тем самым изменяя величину тока, протекающего через нее. Однако в этом эксперименте мы просто пытаемся защитить светодиод от перегрузки по току, поэтому мы пренебрежем токовыми характеристиками светодиода и выберем значение резистора, используя закон Ома, чтобы быть уверенным, что ток через светодиод безопасно ниже 20 мА.

В этом примере у нас есть 9-вольтовая батарея и красный светодиод с номинальным током 20 миллиампер или 0.020 ампер. Чтобы быть в безопасности, мы бы предпочли не управлять светодиодом с его максимальным током, а скорее рекомендуемым током, который указан в его спецификации как 18 мА или 0,018 ампер. Если мы просто подключим светодиод напрямую к батарее, значения закона Ома будут выглядеть так:

поэтому:

и так как у нас пока нет сопротивления:

Деление на ноль дает нам бесконечный ток! Ну, на практике не бесконечный, а столько тока, сколько может выдать батарея. Поскольку мы НЕ хотим, чтобы через наш светодиод протекал такой большой ток, нам понадобится резистор.Наша схема должна выглядеть так:

Точно так же мы можем использовать закон Ома для определения номинала резистора, который даст нам желаемое значение тока:

поэтому:

подставляем наши значения:

решение для сопротивления:

Итак, нам нужен резистор номиналом около 500 Ом, чтобы поддерживать ток через светодиод ниже максимального номинального тока.

500 Ом не является обычным значением для стандартных резисторов, поэтому в этом устройстве вместо него используется резистор на 560 Ом.Вот как выглядит наше устройство в собранном виде.

Успех! Мы выбрали значение резистора, достаточно высокое, чтобы ток через светодиод оставался ниже его максимального номинала, но достаточно низкое, чтобы тока было достаточно, чтобы светодиод оставался красивым и ярким.

Этот пример со светодиодом и токоограничивающим резистором часто встречается в любительской электронике. Вам часто придется использовать закон Ома, чтобы изменить величину тока, протекающего через цепь. Другой пример этой реализации можно увидеть в светодиодных платах LilyPad.

При такой настройке вместо выбора резистора для светодиода резистор уже встроен в светодиод, поэтому ограничение тока выполняется без необходимости добавления резистора вручную.

Ограничение тока до или после светодиода?

Чтобы немного усложнить ситуацию, вы можете разместить токоограничивающий резистор с любой стороны светодиода, и он будет работать точно так же!

Многие люди, впервые изучающие электронику, сомневаются в том, что токоограничивающий резистор может располагаться с любой стороны светодиода, и схема будет работать как обычно.

Представьте себе реку в непрерывной петле, бесконечную, круговую, текущую реку. Если бы мы поместили в нем плотину, вся река перестала бы течь, а не только один берег. Теперь представьте, что мы помещаем в реку водяное колесо, которое замедляет течение реки. Неважно, в каком месте круга находится водяное колесо, оно все равно замедлит течение всей реки .

Это упрощение, так как токоограничивающий резистор не может быть размещен где-либо в цепи ; его можно разместить на с любой стороны светодиода для выполнения своей функции.

Для более научного ответа обратимся к закону Кирхгофа о напряжении. Именно из-за этого закона токоограничивающий резистор может располагаться с любой стороны светодиода и при этом иметь тот же эффект. Для получения дополнительной информации и решения некоторых практических задач по использованию KVL посетите этот веб-сайт.

Ресурсы и дальнейшее продвижение

Теперь вы должны понимать, что такое напряжение, ток, сопротивление и как они связаны между собой. Поздравляем! Большинство уравнений и законов для анализа цепей можно вывести непосредственно из закона Ома.Зная этот простой закон, вы понимаете концепцию, лежащую в основе анализа любой электрической цепи!

Эти концепции — лишь верхушка айсберга. Если вы хотите продолжить изучение более сложных приложений закона Ома и проектирования электрических цепей, обязательно ознакомьтесь со следующими учебными пособиями.

Закон Ома (снова!) | Электробезопасность

Распространённая фраза, касающаяся электробезопасности, звучит примерно так: « Убивает не напряжение, а ток ! ” Хотя в этом есть доля правды, нужно понять больше об опасности поражения электрическим током, чем эта простая поговорка.Если бы напряжение не представляло опасности, никто бы никогда не печатал и не вывешивал таблички с надписью: ОПАСНОСТЬ — ВЫСОКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ!

Принцип «текущие убийства» по сути верен. Это электрический ток, который сжигает ткани, замораживает мышцы и вызывает фибрилляцию сердца. Однако электрический ток не возникает сам по себе: должно быть доступное напряжение, чтобы заставить ток течь через жертву. Тело человека также оказывает сопротивление току, что необходимо учитывать.

Взяв закон Ома для напряжения, тока и сопротивления и выразив его через ток при заданных напряжении и сопротивлении, мы получим следующее уравнение:

 

 

Сила тока через тело равна величине напряжения, приложенного между двумя точками на этом теле, деленному на электрическое сопротивление тела между этими двумя точками. Очевидно, что чем большее напряжение может вызвать протекание тока, тем легче он будет течь через любое заданное сопротивление.

Следовательно, существует опасность высокого напряжения, которое может генерировать достаточный ток, чтобы вызвать травму или смерть. И наоборот, если тело имеет более высокое сопротивление, при любом заданном напряжении будет течь меньший ток. То, насколько опасно напряжение, зависит от того, насколько велико общее сопротивление в цепи, противодействующее протеканию электрического тока.

Сопротивление тела не является фиксированной величиной. Это варьируется от человека к человеку и время от времени. Существует даже методика измерения телесного жира, основанная на измерении электрического сопротивления между пальцами ног и пальцев человека.

Различное процентное содержание жира в организме обеспечивает различное сопротивление: одна переменная, влияющая на электрическое сопротивление в организме человека. Чтобы метод работал точно, человек должен регулировать потребление жидкости за несколько часов до теста, что указывает на то, что гидратация тела является еще одним фактором, влияющим на электрическое сопротивление тела.

Сопротивление тела также различается в зависимости от того, как осуществляется контакт с кожей: от руки к руке, от руки к ноге, от стопы к стопе, от руки к локтю и т. д.Пот, будучи жидкостью, богат солью и минералами, является отличным проводником электричества. Как и кровь с таким же высоким содержанием проводящих химических веществ.

Таким образом, контакт с проводом потной рукой или открытой раной будет оказывать гораздо меньшее сопротивление току, чем контакт с чистой сухой кожей.

Измеряя электрическое сопротивление чувствительным измерителем, я измеряю приблизительно 1 миллион Ом сопротивления (1 МОм) на руках, держа между пальцами металлические щупы измерителя.Измеритель показывает меньшее сопротивление, когда я сильно сжимаю щупы, и большее сопротивление, когда я держу их свободно.

Сидя здесь за своим компьютером, печатая эти слова, мои руки чистые и сухие. Если бы я работал в какой-то жаркой, грязной промышленной среде, сопротивление между моими руками, вероятно, было бы намного меньше, что представляло бы меньшее сопротивление смертельно опасному току и большую угрозу поражения электрическим током.

 

Сколько электрического тока вредно?

Ответ на этот вопрос также зависит от нескольких факторов. Индивидуальная химия тела оказывает значительное влияние на то, как электрический ток влияет на человека. Некоторые люди очень чувствительны к току, испытывая непроизвольные сокращения мышц при ударах статическим электричеством.

Другие могут высекать большие искры от разряда статического электричества и почти не чувствовать этого, не говоря уже о мышечном спазме. Несмотря на эти различия, приблизительные рекомендации были разработаны с помощью тестов, которые показывают, что для проявления вредного воздействия требуется очень небольшой ток (опять же, см. в конце главы информацию об источнике этих данных).

Все значения тока указаны в миллиамперах (миллиампер равен 1/1000 ампера):

 

Таблица воздействия электричества на организм

 

«Гц» обозначает единицу измерения Герц . Это мера того, насколько быстро меняется переменный ток, также известная как частота . Так, столбец цифр с надписью «60 Гц переменного тока» относится к току, который чередуется с частотой 60 циклов (1 цикл = период времени, когда ток течет в одном направлении, затем в другом) в секунду.

Последний столбец, помеченный как «10 кГц переменного тока», относится к переменному току, который каждую секунду совершает десять тысяч (10 000) возвратно-поступательных циклов.

Имейте в виду, что эти цифры приблизительны, так как люди с разным химическим составом тела могут реагировать по-разному. Было высказано предположение, что тока всего 17 миллиампер переменного тока через грудную клетку достаточно, чтобы вызвать фибрилляцию у человека при определенных условиях. Большинство наших данных относительно индуцированной фибрилляции получено в результате испытаний на животных.Очевидно, что проводить тесты индуцированной фибрилляции желудочков на людях нецелесообразно, поэтому имеющиеся данные отрывочны.

О, и если вам интересно, я понятия не имею, почему женщины более восприимчивы к электрическому току, чем мужчины! Предположим, мне нужно было положить руки на клеммы источника переменного напряжения с частотой 60 Гц (60 циклов в секунду). Какое напряжение потребуется в этом состоянии чистой, сухой кожи, чтобы произвести ток в 20 миллиампер (достаточно, чтобы я не смог отпустить источник напряжения)? Мы можем использовать закон Ома, чтобы определить это:

E = IR E = (20 мА)(1 МОм) E = 20 000 вольт или 20 кВ

8

Имейте в виду, что это «наилучший сценарий» (чистая, сухая кожа) с точки зрения электробезопасности, и что это значение напряжения представляет собой величину, необходимую для того, чтобы вызвать столбняк. Гораздо меньше потребуется, чтобы вызвать болевой шок! Кроме того, имейте в виду, что физиологические эффекты любого определенного количества тока могут значительно различаться от человека к человеку, и что эти расчеты являются лишь приблизительными оценками .

Побрызгав на пальцы водой, чтобы имитировать пот, я смог измерить сопротивление рукопашного боя всего 17 000 Ом (17 кОм). Имейте в виду, что только один палец каждой руки касается тонкой металлической проволоки. Пересчитав напряжение, необходимое для возникновения тока в 20 миллиампер, получим такую ​​цифру:

E = IR E = (20 мА)(17 кОм) E = 340 вольт

В этом реалистичном состоянии достаточно 340 вольт потенциала от одной моей руки к другой, чтобы вызвать 20 миллиампер тока.Тем не менее, все еще можно получить смертельный удар от меньшего напряжения, чем это. При гораздо более низком показателе сопротивления тела, увеличенном за счет контакта с кольцом (золотая полоса, обернутая вокруг пальца, является отличной точкой контакта для поражения электрическим током) или полного контакта с крупным металлическим предметом, таким как труба или металл. ручкой инструмента показатель сопротивления тела может упасть до 1000 Ом (1 кОм), что позволяет даже более низкому напряжению представлять потенциальную опасность.

E = IR E = (20 мА)(1 кОм) E = 20 вольт

Обратите внимание, что в этом состоянии 20 вольт достаточно, чтобы произвести через человека ток силой 20 миллиампер; достаточно, чтобы вызвать столбняк. Помните, было высказано предположение, что ток силой всего 17 миллиампер может вызвать фибрилляцию желудочков (сердца). При сопротивлении рукопашного боя 1000 Ом для создания этого опасного состояния потребуется всего 17 вольт.

E = IR E = (17 мА)(1 кОм) E = 17 вольт

Семнадцать вольт – это не очень много для электрических систем. Конечно, это «наихудший» сценарий с переменным напряжением 60 Гц и отличной проводимостью тела, но он показывает, насколько малое напряжение может представлять серьезную угрозу при определенных условиях.

Условия, необходимые для создания сопротивления тела 1000 Ом, не обязательно должны быть такими экстремальными, как то, что было представлено (потная кожа с контактом на золотом кольце).Сопротивление тела может уменьшаться при приложении напряжения (особенно если столбняк заставляет пострадавшего сильнее сжимать проводник), так что при постоянном напряжении удар может усилиться после первого контакта.

То, что начинается как легкий шок, достаточный, чтобы «заморозить» жертву, чтобы она не могла отпустить, может перерасти во что-то достаточно серьезное, чтобы убить ее, поскольку сопротивление ее тела снижается, а ток соответственно увеличивается.

Исследования предоставили примерный набор значений электрического сопротивления точек контакта с человеком в различных условиях (информацию об источнике этих данных см. в конце главы):

  • Провод, к которому прикоснулся палец: от 40 000 до 1 000 000 Ом сухой, от 4 000 до 15 000 Ом влажный.
  • Провод, удерживаемый рукой: от 15 000 до 50 000 Ом сухой, от 3 000 до 5 000 Ом влажный.
  • Металлические плоскогубцы, удерживаемые рукой: от 5000 до 10 000 Ом в сухом состоянии, от 1 000 до 3 000 Ом во влажном состоянии.
  • Контакт с ладонью: от 3000 до 8000 Ом в сухом состоянии, от 1000 до 2000 Ом во влажном состоянии.
  • 1,5-дюймовая металлическая труба, удерживаемая одной рукой: от 1000 до 3000 Ом в сухом состоянии, от 500 до 1500 Ом во влажном состоянии.
  • 1,5-дюймовая металлическая труба, удерживаемая двумя руками: от 500 до 1500 кОм в сухом состоянии, от 250 до 750 Ом во влажном состоянии.
  • Рука, погруженная в проводящую жидкость: от 200 до 500 Ом.
  • Ножка, погруженная в проводящую жидкость: от 100 до 300 Ом.

 

Обратите внимание на значения сопротивления для двух условий с участием 1,5-дюймовой металлической трубы. Сопротивление, измеренное двумя руками, сжимающими трубу, составляет ровно половину сопротивления одной руки, сжимающей трубу.

 

 

Двумя руками площадь контакта с телом в два раза больше, чем одной рукой. Это важный урок: электрическое сопротивление между любыми контактирующими объектами уменьшается с увеличением площади контакта при прочих равных условиях.Если две руки держат трубу, ток имеет два параллельных путей, по которым течет от трубы к телу (или наоборот).

 

 

Как мы увидим в одной из последующих глав, параллельных путей цепи всегда приводят к меньшему общему сопротивлению, чем любой отдельный путь, рассматриваемый отдельно.

В промышленности 30 вольт обычно считаются консервативным пороговым значением для опасного напряжения. Осторожный человек должен расценивать любое напряжение выше 30 вольт как опасное, не полагаясь на нормальное сопротивление тела для защиты от удара.Тем не менее, держать руки в чистоте и сухости и снимать все металлические украшения при работе с электричеством — отличная идея.

Даже при более низком напряжении металлические украшения могут представлять опасность, проводя ток, достаточный для ожога кожи при соприкосновении двух точек в цепи. Металлические кольца, в частности, были причиной более чем нескольких обожженных пальцев, устанавливая мосты между точками в низковольтной, сильноточной цепи.

Кроме того, напряжение ниже 30 В может быть опасным, если его достаточно, чтобы вызвать неприятные ощущения, которые могут вызвать рывок и случайное соприкосновение с более высоким напряжением или какую-либо другую опасность.Я помню, как однажды жарким летним днем ​​работал над автомобилем.

Я был в шортах, моя голая нога касалась хромированного бампера автомобиля, когда я подтягивал контакты аккумулятора. Когда я коснулся металлическим ключом положительной (незаземленной) стороны 12-вольтовой батареи, я почувствовал покалывание в том месте, где моя нога касалась бампера. Сочетание плотного контакта с металлом и моей потной кожи позволило ощутить удар всего 12-вольтовым электрическим потенциалом.

К счастью, ничего страшного не произошло, но если бы двигатель работал и удар ощущался в моей руке, а не в ноге, я мог бы рефлекторно дернуть рукой на пути вращающегося вентилятора или уронить металлический ключ на клеммы аккумулятора (вызвав большие величины тока через ключ с большим количеством сопровождающих искр).

Это иллюстрирует еще один важный урок, касающийся электробезопасности; что электрический ток сам по себе может быть косвенной причиной травмы, заставляя вас прыгать или сокращать части вашего тела, нанося вред.

Путь тока, проходящий через человеческое тело, влияет на то, насколько он вреден. Ток воздействует на все мышцы, находящиеся на его пути, и, поскольку мышцы сердца и легких (диафрагмы), вероятно, являются наиболее важными для выживания, пути удара, пересекающие грудную клетку, являются наиболее опасными.Это делает путь ударного тока из рук в руки очень вероятным способом получения травм и летального исхода.

Во избежание подобных случаев рекомендуется работать только одной рукой с цепями под напряжением, находящимися под опасным напряжением, а другую руку держать в кармане, чтобы случайно ничего не задеть. Конечно, всегда безопаснее работать с обесточенной цепью, но это не всегда практично или возможно.

При работе одной рукой правая рука обычно предпочтительнее левой по двум причинам: большинство людей правши (что обеспечивает дополнительную координацию при работе), а сердце обычно расположено слева от центра в грудной полости. .

Для левшей этот совет может оказаться не самым лучшим. Если такой человек недостаточно координирует свою правую руку, он может подвергать себя большей опасности, используя руку, с которой ему наименее комфортно, даже если ударный ток через эту руку может представлять большую опасность для его сердца. Относительная опасность удара током одной рукой или другой, вероятно, меньше, чем опасность работы с менее чем оптимальной координацией, поэтому выбор руки лучше оставить на усмотрение человека.

Наилучшей защитой от поражения электрическим током от цепи под напряжением является сопротивление, а сопротивление телу можно повысить с помощью изолированных инструментов, перчаток, обуви и другого снаряжения. Ток в цепи является функцией доступного напряжения, деленной на общего сопротивления на пути потока. Как мы рассмотрим более подробно позже в этой книге, сопротивления имеют аддитивный эффект, когда они сложены таким образом, что существует только один путь для протекания тока:

.

 

 

Теперь увидим эквивалентную схему для человека в утепленных перчатках и сапогах:

 

 

Поскольку электрический ток должен пройти через ботинок и тело и перчатку, чтобы завершить свою цепь обратно к батарее, сумма ( сумма ) этих сопротивлений препятствует протеканию тока в большей степени, чем любая сопротивлений, рассматриваемых индивидуально.

Безопасность — одна из причин, по которой электрические провода обычно покрывают пластиковой или резиновой изоляцией: чтобы значительно увеличить величину сопротивления между проводником и кем-либо или чем-либо, кто может с ним соприкасаться.

К сожалению, было бы непомерно дорого заключать проводники ЛЭП в недостаточную изоляцию для обеспечения безопасности в случае случайного прикосновения. Таким образом, безопасность поддерживается за счет того, что эти линии находятся достаточно далеко от досягаемости, чтобы никто не мог случайно коснуться их.

 

ОБЗОР:

  • Вред для тела зависит от величины ударного тока. Более высокое напряжение позволяет производить более высокие и опасные токи. Сопротивление противодействует току, что делает высокое сопротивление хорошей защитой от ударов.
  • Обычно считается, что любое напряжение выше 30 может создавать опасные ударные токи.
  • Металлические украшения определенно нельзя носить при работе с электрическими цепями.Кольца, ремешки для часов, ожерелья, браслеты и другие подобные украшения обеспечивают превосходный электрический контакт с вашим телом и могут сами проводить ток, достаточный для того, чтобы вызвать ожоги кожи, даже при низком напряжении.
  • Низкое напряжение все еще может быть опасным, даже если оно слишком низкое, чтобы непосредственно вызвать поражение электрическим током. Их может быть достаточно, чтобы напугать жертву, заставив ее дернуться назад и коснуться чего-то более опасного в непосредственной близости.
  • При необходимости работы на «живой» цепи лучше выполнять работу одной рукой, чтобы не допустить смертельного рукопашного (через грудную клетку) пути ударного тока.

Обязательно ознакомьтесь с нашим калькулятором закона Ома.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

Большее напряжение лучше для садовой техники?

По мере того, как уход за газоном и OPE (наружное силовое оборудование) продолжают превращаться в более беспроводные продукты, ориентироваться в ландшафте непросто. Большие газовые двигатели означают большую мощность. Кажется, что более высокое напряжение батареи — это то, на что профессионалы и потребители смотрят как на эквивалентное измерение. Однако проблема не так проста.Чтобы помочь решить этот спор, давайте подробнее рассмотрим вольты, амперы и сопротивление.

Вольты и Амперы

Ни вольты, ни амперы не описывают мощность сами по себе. Это название относится к ваттам, и расчет довольно прост:

Вольт (В) x Ампер (А) = Ватт (Вт)

Допустим, нам нужно 2200 Вт для работы газонокосилки. Есть несколько способов добраться туда.

  • 36 В x 61,1 А = 2 200 Вт
  • 56 В x 39,3 А = 2 200 Вт
  • 108 В x 20,4 А = 2 200 Вт

получить такое же количество мощности из многих напряжений.

Таким образом, теоретически более высокое напряжение само по себе не означает большую мощность.

Краткое примечание о напряжении
Числа напряжения, такие как 40 В, 80 В и 120 В, часто представляют пиковое (макс.) напряжение. Это напряжение, которое вы можете измерить сразу после зарядного устройства. Как только вы начинаете их использовать, они устанавливаются на свои номинальные напряжения: 36 В, 72 В и 108 В. Как только вы это поймете, вы увидите, что 18 В = 20 В макс., 36 В = 40 В макс. и так далее. В Pro Tool Reviews есть более подробная статья под названием 20V Max против 18V: установка рекорда.

Внедрение кода: нельзя использовать CODE1 в качестве глобального кода, так как он используется для хранения 412 уникальных фрагментов кода в 501 сообщении много силы он получает. Сопротивление, однако, портит уравнение и делает его непростым.

В качестве примера возьмем топливопровод. Более тонкая трубка ограничивает доступ топлива к двигателю. Аналогичная проблема существует и с электроэнергией.

Более тонкая проволока и материалы более низкого качества ограничивают поток электронов. Толстая проволока и более качественные материалы позволяют электронам течь плавно. Возможно, вы столкнулись с падением напряжения при использовании слишком тонкого удлинителя на 15-амперных электроинструментах. Или вы, возможно, заметили, что ваши огни мерцают, когда в вашем доме включается кондиционер.

Здесь в игру вступает парень по имени Ом . Он отвечает за уравнение сопротивления и единицу измерения под названием «Ом».

Ом обнаружил, что сопротивление оказывает большее влияние на силу тока (амперы или амперы), чем напряжение.Если вы попытаетесь послать одинаковое количество энергии через два разных напряжения, более высокое напряжение имеет дело с меньшим сопротивлением.

Быстрый чехол

вольт 2 / Сопротивление = WATTS
(V 2 / R = W)

или

Ток 2 X Сопротивление = WATTS
(I 2 X R = W)

Примечание: Закон Ома использует «I» для тока вместо «A».

Давайте вернемся к нашему примеру с 56 В и посмотрим, как все изменится, когда мы применим закон Ома.

56 В x 39,3 А = 2200 Вт

В этом примере сопротивление равно 1,42 Ом. (56 В / 39,3 А = 1,42 Ом)

Увеличение напряжения

Вот что произойдет, если мы увеличим напряжение на 20% (67,2 В):

(67,2 В x 67,2 В) / 1,42 Ом = 3180,2 Вт

А Увеличение напряжения на 20% дает увеличение мощности на 44,6% при том же сопротивлении.

Увеличение тока

Теперь вернемся назад и вместо этого увеличим ток на 20%.

47.2 ампера x 47,2 ампера x 1,42 Ом = 3163,5 Вт

Увеличение тока на 20 % привело к увеличению мощности на 43,8 %. Хотя в этом примере аналогично, для получения более высокой выходной мощности требуется большее увеличение тока, чем увеличение напряжения. Однако это еще не все.

Вернуться к обсуждению

Одним из последствий сопротивления является снижение энергии. Система с более высоким напряжением более эффективна, чем система с более низким напряжением, поскольку она испытывает меньшие потери энергии из-за сопротивления при том же количестве потребляемой мощности.

Это все хорошо, но что, если вы можете снизить сопротивление, чтобы обеспечить более эффективную передачу энергии в системах с более низким напряжением?

Можно!

Аккумулятор 18 В — отличный пример. Используя литий-ионные элементы 18650 и стандартную технологию, эти аккумуляторы обеспечивают мощность 800 Вт. Это означает, что производители могут с уверенностью пропускать через него ток силой до 44,4 ампер и ожидать, что он прослужит 3 года и более.

Когда они модернизируют батареи для использования литий-ионных элементов 21700, большее количество медных компонентов и более толстые провода обеспечивают меньшее сопротивление. Теперь эти блоки достигают мощности до 1440 Вт. Вы получаете точно такое же напряжение, но с силой тока 80 ампер. Это на 80% больше энергии!

Теперь удвойте это значение, чтобы покрыть систему 36 В, и в этой сборке доступно 2880 Вт — более чем достаточно для нашей газонокосилки мощностью 2200 Вт.

Примечание автора: Типичная домашняя электрическая розетка работает при напряжении 120 вольт и силе тока 15 ампер. Подсчитайте, и вы сможете получить только 1800 Вт из домашней розетки. Батареи теперь могут получить вас дальше! Время выполнения остается единственным препятствием.

Не забывайте о емкости батареи

То же уравнение, которое мы используем для мощности, работает и для потенциальной мощности . Просто возьмите номинальное напряжение батареи и умножьте на общее количество ампер-часов батареи, чтобы получить ватт-часы. Это общее количество энергии в аккумуляторе.

  • 18V x 9ah = 162WH
  • 36V (40V MAX) x 5AH = 180WH
  • 56V X 2. 5AH = 140WH
  • 72V (80V max) x 2.0 ah = 144 wh

На самом деле возможно иметь больше электричества топливо доступно в системе с более низким напряжением.Конечно, это не всегда так, но теперь у вас есть ключ, чтобы открыть для себя настоящие возможности!

Заключительные мысли

В целом более низкое сопротивление высоковольтных систем делает их более эффективными с точки зрения электричества и более простыми в строительстве. Системы OPE, которые действительно конкурируют в производительности при более низких напряжениях, должны снизить свое сопротивление за счет более совершенной конструкции аккумуляторной батареи и / или использовать для этого модернизированные литий-ионные элементы.

Дело в том, что на некоторых уровнях проще работать с более высоким напряжением.Само собой разумеется, что вам может даже сойти с рук использование компонентов более низкого качества, если вы пойдете по этому пути. Чтобы иметь достаточную мощность, чтобы конкурировать с системами с более высоким напряжением, системы с более низким напряжением должны создавать лучший аккумулятор. По всей вероятности, в результате им также придется создавать более качественную систему.

Рассматривая доступные варианты, имейте в виду, что напряжение — это еще не все. По нашему опыту, беспроводные продукты OPE в диапазоне от 36 В до 54 В (макс. 40–60 В) обладают достаточной мощностью для выполнения своей работы.Более высокие напряжения также хороши.

Только не гонитесь за максимально возможным числом.

Согласно закону Ома, I ∝ V, но I ∝ 1/V в силовом уравнении. Как?

В I = V / R ток прямо пропорционален напряжению, но ток обратно пропорционален напряжению в P = VI?

Это еще один сбивающий с толку вопрос, который чаще всего задают на собеседованиях по электротехнике и электронике.

Согласно закону Ома, Ток увеличивается при увеличении напряжения (I=V/R), но Ток уменьшается при увеличении напряжения согласно формуле (P = VI).Как вы объясните?

т. е.

  • В соответствии с законом Ома: I ∝ V (ток прямо пропорционален напряжению. I = V/R)
  • Согласно формуле мощности: I ∝ 1/В (Ток обратно пропорционален напряжению. I = P/V)

Короче говоря, в соответствии с законом Ома (V = IR или I = V/R), который показывает, что ток прямо пропорционален напряжению, но в соответствии с P = VI или I = P/V, он показывает, что ток обратно пропорциональна напряжению.

Давайте проясним путаницу с утверждением.

P = В x I

На самом деле, это зависит от того, как вы увеличиваете параметры, т.е. увеличиваете ли вы напряжение, сохраняя мощность источника постоянной или она меняется.

  • Если мощность источника постоянна, ток будет уменьшаться при увеличении напряжения.
  • Если вы не заботитесь о мощности и просто замените батарею на новую с более высокой номинальной мощностью, это может увеличить ток при увеличении напряжения, поскольку мощность больше не является постоянной, т.е.е. мощность тоже увеличилась.

В случае трансформатора, когда напряжение увеличивается, ток уменьшается, поскольку мощность остается постоянной, т. е. мощность обеих сторон равна P = VI (без учета коэффициента мощности: Cos θ).

В = I x R

По закону Ома ток (I) прямо пропорционален напряжению (В), если сопротивление (R) и температура остаются постоянными.

Согласно формуле мощности, она говорит, что ток обратно пропорционален напряжению, если мощность остается неизменной.

  • Р = В х I
  • Я = P/V
  • В = P/I

Как мы уже знаем, в повышающем трансформаторе при увеличении напряжения ток уменьшается при той же мощности (поскольку трансформатор только повышает или понижает значение тока и напряжения и не изменяет значение власть). Точно так же напряжение уменьшается при увеличении тока в понижающем трансформаторе.

Та же история и на электростанции, где постоянная выработка электроэнергии.Если мощность на стороне генерации улучшится, то и ток, и напряжение будут увеличены.

Короче:

  • Если мощность постоянна = Напряжение обратно пропорционально току , т. е. В ∝ 1/I в P = VxI .
  • Если сопротивление и температура постоянны: Напряжение прямо пропорционально току , т.е. В ∝ I в В = IxR .

Это точная причина , почему в законе Ома сила тока прямо пропорциональна напряжению, но обратно пропорциональна напряжению в формуле мощности.

Связанные вопросы/ответы:

Напряжение, ток, сопротивление и закон Ома | ОРЕЛ

С возвращением, юный мастер электроники. В нашем предыдущем блоге мы узнали о скромной схеме и ее месте в нашем мире электроники. Но чтобы понять истинную сущность электричества, нужно понять, как манипулировать и измерять напряжение, ток и сопротивление. Вот тут-то и пригодится этот блог. Мы поднялись на самые высокие вершины, чтобы найти правильную аналогию, объясняющую природу того, как электричество работает в электрической цепи.И вместо того, чтобы проводить еще одну аналогию с водой, мы решили перейти к более личному, с нашими телами в движении.

Напряжение — все дело в потенциале

Представьте, что вы просыпаетесь утром. Вы лежите в постели, желая еще несколько часов сна, но зная, что пришло время этой ужасной утренней пробежки. Вы знаете, что это полезно для вас, и вы будете чувствовать себя прекрасно, как только начнете двигаться, но каждое утро вы должны делать выбор. Вы можете либо остаться в постели и поспать немного дольше, либо встать и начать двигаться.

Это сущность напряжения; все дело в разнице потенциалов. У всех нас есть потенциал, и когда дело доходит до бега, потенциал, о котором идет речь, делает выбор: бежать или спать. Если вы не решите бежать сегодня утром, ваш потенциал будет дремать, но если вы это сделаете, то этот потенциал вырвется наружу, заставив вас пробежать много миль и зарядив энергией весь оставшийся день.

Напряжение в электричестве

Как и способность двигаться или нет, напряжение представляет собой накопленную электрическую энергию с потенциалом движения . Именно эта сила напряжения побуждает электроны течь по цепи и заставляет их работать час за часом.

Напряжение повсюду и ждет, пока мы воспользуемся его потенциалом. Посмотрите на каждую неиспользуемую настенную розетку в вашем доме — в этих розетках гудит напряжение, готовое работать за вас. Но, как и при выборе бега, у вас есть выбор, подключаться ли к этому источнику напряжения в вашей розетке. Если оставить его в покое, то напряжение останется там, где оно есть, так и не реализовав весь свой потенциал.

В электрической цепи напряжение измеряется путем нахождения так называемой разности потенциалов между двумя точками с помощью мультиметра. Возьмите 9-вольтовую батарею, например, если вы измерите положительный и отрицательный концы, вы получите разность потенциалов 9 вольт (или близкую к этому). Положительный конец измеряет 9 В, а отрицательный конец измеряет 0 В. Минус два числа, и вы получите разность потенциалов.

Вы можете использовать мультиметр для быстрого измерения напряжения или разности потенциалов в батарее. (Источник изображения)

Напряжение бывает двух разных форм: напряжение постоянного тока (постоянный ток), которое обеспечивает постоянный поток отрицательного электричества, или напряжение переменного тока (переменного тока), которое непрерывно переключается с отрицательного на положительное. Вот символы, которые вы должны искать на схеме для напряжения постоянного тока, напряжения переменного тока и батареи:

Вот некоторые из символов напряжения, на которые следует обратить внимание в вашей следующей схеме — батареи, постоянный и переменный ток.

Отец напряжения — Алессандро Вольта

Человек дня, которому приписывают открытие напряжения – Алессандро Вольта (Источник изображения)

Первым открыл напряжение итальянский физик Алессандро Вольта.Он также обнаружил массу других интересных вещей, в том числе:

  • Открытие того, что при смешивании метана с воздухом можно создать электрическую искру, что положило начало ныне известному двигателю внутреннего сгорания.
  • Обнаружение того, что электрический потенциал, хранящийся в конденсаторе, пропорционален его электрическому заряду.
  • Вольте также приписывают создание первой электрической батареи, названной Вольтова батарея, которая позволила ученым того времени создать устойчивый поток электронов.

Пример Вольтова столба, впервые созданного Вольтой и позволяющего ученым создавать постоянный поток электронов. (Источник изображения)

Однако

Вольта был не лишен своих причуд. До четырех лет он не говорил ни слова, и его родители опасались, что он либо умственно отсталый. Хорошо, что ошиблись!

Актуальность – Плыть по течению

Возвращаясь к нашей аналогии с бегом, представьте, что вы приняли решение совершить утреннюю пробежку.На вас надеты кроссовки и шорты для бега, и вы выходите из своей двери, чтобы отправиться в путь. В этот момент у вас есть какое-то движение, когда вы начинаете свой бег, поток.

Вот ток в движении в наших телах, кто знал, что электричество может быть таким личным?

Может быть, через час вы начнете бежать быстрее, готовые пробежать много миль. Когда вы бежите, ваши умные часы точно измеряют, как далеко вы пробежали и как быстро вы двигались. Этот процесс запуска и измерения процесса и есть суть Current .

Ток в электричестве

Подобно тому, как вы делаете шаги для завершения утренней пробежки, ток представляет собой постоянное движение или поток электричества в цепи . Электрический ток, протекающий через вашу цепь, всегда измеряется в амперах или амперах. Но что держит этот поток в движении?

Это напряжение, о котором мы говорили ранее. Точно так же, как вам нужно сказать себе продолжать бежать, как только вы устанете, напряжение является движущей силой тока, которая заставляет его двигаться.Есть две точки зрения на то, как ток течет в цепи; Обычный поток или Электронный поток , давайте посмотрим на оба:

Обычный поток — Обычный поток был первым в период научных открытий, когда люди не понимали, что такое электроны и как они текут в цепи. В рамках этой модели предполагалось, что электричество течет от плюса к минусу.

Обычный поток, при котором электричество течет от положительной к отрицательной стороне батареи.

Вы все еще увидите, что этот менталитет используется в схемах сегодня, и хотя он не совсем точен, его немного легче понять, чем электронный поток. В конце концов, если мы вернемся к нашей аналогии с бегом, вы начинаете с положительного источника энергии и бежите, пока не кончится энергия. Как и многие вещи в жизни, это позитивные и негативные отношения.

Electron Flow — Electron Flow был продолжением обычного потока. Эта модель точно изображает электроны как движущиеся в противоположном направлении, от отрицательного к положительному.Поскольку электроны отрицательны по своей природе, они всегда будут вытекать из отрицательного и бесконечно пытаться найти путь к положительной, низковольтной стороне источника питания.

И более ток электронов течет, причем электроны текут, как в реальности, от минуса к плюсу.

Имеет ли значение, каким образом вы отображаете ток, протекающий в цепи? Не совсем. Вы, вероятно, увидите, что это представлено в обоих направлениях, когда вы смотрите на различные схемы. Взгляните на диоды или транзисторы на следующей схеме, которую вы исследуете; все они будут указывать в направлении обычного потока.

Человек, стоящий за текущим – Андре-Мари Ампер

Андре-Мари Ампер, человек-самоучка из , который добился гораздо большего, чем просто открытие Amperes. (Источник изображения)

Ампер — французский физик и математик, а также один из основоположников науки о классическом электромагнетизме. Вы можете поблагодарить Ampere за несколько замечательных вещей, в том числе:

  • Его главное открытие, демонстрирующее, что провод, по которому течет электрический ток, может либо притягивать, либо отталкивать другой провод, по которому также протекает ток, без использования физических магнитов.
  • Он также был первым, кто выдвинул идею существования частицы, которую мы все широко признаем как электрон.
  • Он также организовал химические элементы по их свойствам в периодической таблице за полвека до того, как появилась современная современная таблица Менделеева.

Интересный момент об образовании Ампера — у него не было формального образования! Вместо этого его отец позволял ему делать все, что ему заблагорассудится, обучаясь чему угодно. В то время как это может вызвать лень и чрезмерную игру в видеоигры в остальных из нас, Ампер обнаружил естественную любовь к знаниям, поглощая как можно больше книг из семейной библиотеки и даже запоминая страницы из энциклопедии.

Сопротивление — это материальный мир

Наша финальная концепция — Сопротивление. Представьте себя снова на беговой дорожке, по какой поверхности вы бежите? Если вам повезет, то вы можете путешествовать по мягкой траве или грунтовой дорожке. Или, может быть, вы предпочитаете твердость улицы или тротуара. Но что, если на улице начнется ливень? Тогда вы можете застрять в густой грязи

Независимо от того, по какому пути вы бежите, ваши ноги встречают некоторое сопротивление, когда вы продолжаете двигаться вперед. Естественно, не все пути сопротивления одинаковы. Бег по грязи оказывает большее сопротивление вашей способности бежать по сравнению с бегом по грунтовой дорожке или улице. Вот что такое сопротивление, тяга и тяга материального мира.

Сопротивление в электричестве

Через какой бы материал ни проходило электричество, оно будет сталкиваться с некоторым трением, препятствующим его движению. Проще говоря, сопротивление тормозит ток . Хотя в электрической цепи есть определенные компоненты, такие как резистор, единственной задачей которого является сопротивление электричеству, любой физический материал будет оказывать некоторое сопротивление.

Вы обнаружите, что сопротивление измеряется в омах Ω, и оно имеет прямую связь с током и напряжением. Вот простой пример: чем больше у вас сопротивление, тем меньше ток может протекать по цепи. Это как с бегом, чем гуще грязь, тем медленнее ты будешь бежать. Обратное также работает, если вы увеличиваете напряжение, чтобы ваш ток двигался быстрее, чем ваше сопротивление, это окажет меньшее влияние на вашу цепь.

Мастер сопротивления — Георг Саймон Ом

Георг Ом – человек, который объединил напряжение, ток и сопротивление в теперь уже известный закон Ома.(Источник изображения)

Г-н Ом был немецким физиком и математиком, и именно в дни работы школьным учителем он начал свои исследования с использованием новой электрической батареи, изобретенной Вольтой. С помощью своего собственного оборудования Ом смог обнаружить, что существует прямая зависимость между напряжением, приложенным к проводнику (например, к медному проводу), и результирующим электрическим током. Это стало известно как ныне известный закон Ома, на который мы все полагаемся сегодня.

Интересно отметить, что Ом представил свои открытия в своей первой книге — «Математическое исследование гальванической цепи», но колледжу, в котором он работал в то время, это было безразлично.Так что же сделал Ом? Он ушел в отставку и устроился на новую работу в политехнический институт Нюрнберга. Именно здесь его работа, к счастью, получила заслуженное внимание.

Объединяем все это с законом Ома

Итак, пришло время собрать все наши концепции воедино. Вот с чем нам предстоит работать:

 

  • Напряжение (В) – аккумулированное электричество, которое может двигаться. Когда этот потенциал активирован, напряжение действует как своего рода давление, толкая ток по цепи.
  • Ток (I) – Это поток электричества в цепи. Это можно измерить непосредственно в амперах, и есть две точки зрения на то, как течет ток — обычный поток и электронный поток.
  • Сопротивление (R) – Это сопротивление, с которым сталкивается электричество, просто протекая через какой-либо физический материал. Это измеряется в Омах.

Собирая все это вместе, мы приходим к закону Ома:

В этом уравнении V = напряжение, I = ток и R = сопротивление.Гибкость закона Ома впечатляет, и его можно использовать для нахождения любого из этих трех значений, когда известны только два из них. Давайте рассмотрим пример, чтобы увидеть, как это работает.

Использование треугольника Ома

Ознакомьтесь с треугольником Ома ниже. Он обеспечивает простое визуальное представление того, как вы можете манипулировать законом Ома, чтобы получить нужные вам ответы. Чтобы использовать его, все, что вам нужно сделать, это закрыть букву значения, которое вам нужно выяснить, а оставшиеся буквы покажут вам, как туда добраться.

Треугольник Ома, ваш удобный инструмент, чтобы точно определить, какой именно вариант закона Ома нужно использовать.

Взгляните на схему ниже. У нас есть батарея 9В, подключенная к светодиоду и резистору. Единственная проблема заключается в том, что нам нужно выяснить, каково значение резистора.

Наша тренировочная схема для ознакомления с законом Ома. Мы можем использовать известные амперы и вольты, чтобы получить значение нашего резистора.

Для этого давайте посмотрим на наш треугольник Ома.Скрывая R, мы видим, что V больше I, или V делится на I. Таким образом, разделив эти два числа, мы получим значение нашего резистора. Подставим эти числа в это уравнение: R = V/I.

  • Начнем с самого очевидного, напряжение нашей батареи 9 вольт.
  • Глядя на техническое описание нашего светодиода, мы видим рекомендуемый максимальный ток 16 мА (миллиампер), который преобразуется в 0,016 ампер.
  • Подставив эти два числа в наше уравнение, мы получим R = 9V/0.016А, что равно 473,68. Это означает, что нам нужен резистор на 473 Ом, чтобы наш светодиод включился!

Сопротивление бесполезно

Понять, как работают вместе напряжение, ток и сопротивление, было не так уж сложно, не так ли? Мы надеемся, что в следующий раз, когда вы отправитесь на утреннюю пробежку, у вас появится новый взгляд на электричество. Почувствуйте, как ваши ноги летят по тротуару или грязи, и помните, что это сопротивление. И когда вы проверяете, как далеко вы пробежали, вы наблюдаете ток в движении! И та сила, которая подняла тебя с постели и заставила бежать? Напряжение.

Готовы сделать свой первый круг сегодня? Попробуйте Autodesk EAGLE бесплатно!

ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТЬ – Прикладное промышленное электричество

Важность электробезопасности

С помощью этого урока я надеюсь избежать распространенной ошибки, встречающейся в учебниках по электронике, когда либо игнорируется, либо недостаточно подробно освещается предмет электробезопасности. Я предполагаю, что у тех, кто читает эту книгу, есть хотя бы мимолетный интерес к реальной работе с электричеством, и поэтому тема безопасности имеет первостепенное значение.

Еще одним преимуществом включения подробного урока по электробезопасности является практический контекст, который он устанавливает для основных понятий напряжения, тока, сопротивления и проектирования цепей. Чем более актуальной может быть техническая тема, тем больше вероятность того, что студент обратит внимание и поймет. А что может быть более актуальным, чем применение для вашей личной безопасности? Кроме того, с учетом того, что электричество является повседневным явлением в современной жизни, почти каждый может понять иллюстрации, приведенные в таком уроке. Вы когда-нибудь задумывались, почему птиц не бьет током, когда они отдыхают на линиях электропередач? Читайте дальше и узнайте!

Физиологические эффекты электричества

Большинство из нас сталкивались с той или иной формой «электрического шока», когда электричество причиняет нашему телу боль или травму. Если нам повезет, степень этого опыта ограничивается покалыванием или толчками боли из-за накопления статического электричества, разряжающегося через наши тела. Когда мы работаем с электрическими цепями, способными подавать большую мощность на нагрузки, поражение электрическим током становится гораздо более серьезной проблемой, а боль — наименее значимым результатом удара.

Поскольку электрический ток проходит через материал, любое сопротивление току (сопротивление) приводит к рассеянию энергии, обычно в виде тепла. Это самый простой и простой для понимания эффект электричества на живую ткань: ток заставляет ее нагреваться. Если количество выделяемого тепла достаточно, ткань может быть сожжена. Эффект физиологический, такой же, как повреждение, вызванное открытым пламенем или другим высокотемпературным источником тепла, за исключением того, что электричество способно прожигать ткани глубоко под кожей жертвы, даже обжигая внутренние органы.

Влияние электрического тока на нервную систему

Еще одно воздействие электрического тока на организм, пожалуй, самое значительное с точки зрения опасности, касается нервной системы. Под «нервной системой» я подразумеваю сеть особых клеток в организме, называемых нервными клетками или нейронами, которые обрабатывают и проводят множество сигналов, отвечающих за регуляцию многих функций организма. Головной мозг, спинной мозг и сенсорные/моторные органы в организме функционируют вместе, чтобы позволить ему ощущать, двигаться, реагировать, думать и запоминать.

Нервные клетки взаимодействуют друг с другом, действуя как «преобразователи», создавая электрические сигналы (очень небольшие напряжения и токи) в ответ на ввод определенных химических соединений, называемых нейротрансмиттерами , и высвобождая эти нейротрансмиттеры при стимуляции электрическими сигналами. Если через живое существо (человека или иное) провести электрический ток достаточной силы, его эффект будет состоять в том, чтобы преобладать над крошечными электрическими импульсами, обычно генерируемыми нейронами, перегружая нервную систему и препятствуя рефлекторным и волевым сигналам в способности передаваться. привести в действие мышцы.Мышцы, спровоцированные внешним (ударным) током, будут непроизвольно сокращаться, и пострадавший ничего не может с этим поделать.

Эта проблема особенно опасна, если пострадавший касается руками проводника под напряжением. Мышцы предплечья, отвечающие за сгибание пальцев, как правило, развиты лучше, чем мышцы, отвечающие за разгибание пальцев, и поэтому, если обе группы мышц попытаются сократиться из-за электрического тока, проходящего через руку человека, «сгибающие» мышцы будут побеждать, сжимая их. пальцы в кулак.Если проводник, подающий ток к пострадавшему, обращен к ладони его или ее руки, это сжимающее действие заставит руку крепко схватиться за провод, что ухудшит ситуацию, обеспечив отличный контакт с проводом. Жертва будет совершенно не в состоянии отпустить провод.

В медицине это состояние непроизвольного сокращения мышц называется столбняком . Электрики, знакомые с этим эффектом поражения электрическим током, часто называют обездвиженную жертву поражения электрическим током «застывшей на цепи».Столбняк, вызванный шоком, может быть прерван только путем остановки тока через пострадавшего.

Даже когда ток остановлен, жертва может некоторое время не восстанавливать произвольный контроль над своими мышцами, так как химия нейротрансмиттеров пришла в беспорядок. Этот принцип был применен в устройствах «электрошокового оружия», таких как электрошокеры, которые основаны на принципе мгновенного поражения жертвы импульсом высокого напряжения, подаваемым между двумя электродами. Удачный удар током временно (на несколько минут) обездвиживает пострадавшего.

Электрический ток способен воздействовать не только на скелетные мышцы жертвы шока. Мышца диафрагмы, управляющая легкими, и сердце, которое само по себе является мышцей, также могут быть «заморожены» в состоянии столбняка электрическим током. Даже слишком слабые токи, чтобы вызвать столбняк, часто способны искажать сигналы нервных клеток настолько, что сердце не может нормально биться, вызывая состояние, известное как фибрилляция . Фибрилляционное сердце трепещет, а не бьется, и неэффективно перекачивает кровь к жизненно важным органам тела.В любом случае смерть от удушья и/или остановки сердца обязательно наступит в результате достаточно сильного электрического тока через тело. По иронии судьбы, медицинский персонал использует сильный разряд электрического тока, приложенный к груди пострадавшего, чтобы «запустить» фибрилляционное сердце и привести его к нормальному ритму.

Эта последняя деталь приводит нас к еще одной опасности поражения электрическим током, характерной для систем общественного питания. Хотя наше первоначальное исследование электрических цепей будет сосредоточено почти исключительно на постоянном токе (постоянный ток или электричество, которое движется в непрерывном направлении в цепи), современные энергосистемы используют переменный ток или переменный ток. Технические причины такого предпочтения переменного тока в энергосистемах не имеют отношения к этому обсуждению, но особые опасности каждого вида электроэнергии очень важны для темы безопасности.

Влияние переменного тока на организм во многом зависит от частоты. Низкочастотный (от 50 до 60 Гц) переменный ток используется в домашних хозяйствах США (60 Гц) и Европы (50 Гц); он может быть опаснее высокочастотного переменного тока и в 3-5 раз опаснее постоянного тока того же напряжения и силы тока. Низкочастотный переменный ток вызывает продолжительное сокращение мышц (тетания), которое может приморозить руку к источнику тока, продлевая воздействие.Постоянный ток чаще всего вызывает одиночное судорожное сокращение, которое часто отталкивает жертву от источника тока.

Переменная природа

переменного тока имеет большую тенденцию вызывать фибрилляцию нейронов водителя ритма сердца, тогда как постоянный ток имеет тенденцию просто останавливать сердце. Как только ток разряда остановлен, «замороженное» сердце имеет больше шансов восстановить нормальную картину сокращений, чем сердце с фибрилляцией. Вот почему «дефибрилляционное» оборудование, используемое медиками скорой помощи, работает: импульс тока, подаваемый дефибриллятором, имеет постоянный ток, который останавливает фибрилляцию и дает сердцу шанс восстановиться.

В любом случае электрические токи, достаточно сильные, чтобы вызвать непроизвольное сокращение мышц, опасны, и их следует избегать любой ценой. В следующем разделе мы рассмотрим, как такие токи обычно входят в тело и выходят из него, а также рассмотрим меры предосторожности против таких явлений.

  • Электрический ток способен вызывать глубокие и тяжелые ожоги тела из-за рассеяния мощности на электрическом сопротивлении тела.
  • Столбняк — это состояние, при котором мышцы непроизвольно сокращаются из-за прохождения внешнего электрического тока через тело.Когда непроизвольное сокращение мышц, контролирующих пальцы, приводит к тому, что жертва не может отпустить проводник под напряжением, говорят, что жертва «застыла в цепи».
  • Диафрагма (легкое) и сердечная мышца одинаково подвержены воздействию электрического тока. Даже слишком малые токи, чтобы вызвать столбняк, могут быть достаточно сильными, чтобы воздействовать на нейроны кардиостимулятора сердца, заставляя сердце трепетать, а не сильно биться.
  • Постоянный ток (DC) с большей вероятностью вызовет мышечный столбняк, чем переменный ток (AC), в результате чего постоянный ток с большей вероятностью может «заморозить» пострадавшего в сценарии шока.Тем не менее, переменный ток с большей вероятностью вызовет фибрилляцию сердца пострадавшего, что является более опасным состоянием для пострадавшего после того, как ток разряда был остановлен.

 

Электричество требует полного пути (цепи), чтобы течь непрерывно. Вот почему удар, полученный от статического электричества, является только мгновенным толчком: течение тока обязательно кратковременно, когда статические заряды уравниваются между двумя объектами. Такие разряды самоограниченной продолжительности редко бывают опасными.

Без двух контактных точек на корпусе для входа и выхода тока, соответственно, нет опасности поражения электрическим током. Вот почему птицы могут безопасно отдыхать на высоковольтных линиях электропередач, не получая ударов током: они соприкасаются с цепью только в одной точке.

Рисунок 1.1

Для того чтобы ток протекал по проводнику, должно присутствовать напряжение, которое мотивирует его. Напряжение, как вы должны помнить, всегда относительно между двумя точками . Не существует такого понятия, как напряжение «включено» или «в» одной точке цепи, поэтому птица, соприкасающаяся с одной точкой в ​​приведенной выше цепи, не имеет напряжения, приложенного к ее телу, чтобы установить ток через нее.Да, несмотря на то, что они опираются на две ножки , обе ножки касаются одного и того же провода, что делает их электрически общими . С точки зрения электричества, обе ноги птицы касаются одной и той же точки, поэтому между ними нет напряжения, которое могло бы стимулировать ток через тело птицы.

Это может навести на мысль, что невозможно получить удар током, коснувшись только одного провода. Как и птицы, если мы обязательно коснемся только одного провода за раз, мы будем в безопасности, верно? К сожалению, это неправильно.В отличие от птиц, люди обычно стоят на земле, когда касаются «живого» провода. Много раз одна сторона энергосистемы будет преднамеренно соединена с заземлением, поэтому человек, касающийся одного провода, фактически устанавливает контакт между двумя точками в цепи (проводом и заземлением):

Рисунок 1.2

Символ заземления представляет собой набор из трех горизонтальных полос уменьшающейся ширины, расположенных в левом нижнем углу показанной цепи, а также у ног человека, подвергаемого удару током.В реальной жизни заземление энергосистемы состоит из какого-то металлического проводника, закопанного глубоко в землю для обеспечения максимального контакта с землей. Этот проводник электрически соединен с соответствующей точкой соединения на цепи толстым проводом. Связь жертвы с землей осуществляется через ноги, которые касаются земли.

В этот момент у ученика обычно возникает несколько вопросов:

  • Если наличие точки заземления в цепи обеспечивает легкую точку контакта для кого-то, кто может получить удар током, зачем вообще иметь ее в цепи? Разве незаземленная цепь не была бы безопаснее?
  • Человек, которого шокируют, скорее всего, не босиком.Если резина и ткань являются изоляционными материалами, то почему их обувь не защищает их, предотвращая образование цепи?
  • Насколько хорошим проводником может быть грязь ? Если вы можете получить удар током через землю, почему бы не использовать землю в качестве проводника в наших силовых цепях?

Отвечая на первый вопрос, наличие преднамеренной точки «заземления» в электрической цепи предназначено для обеспечения того, чтобы одна ее сторона была безопасна для контакта.Обратите внимание: если наша жертва на приведенной выше диаграмме коснется нижней стороны резистора, ничего не произойдет, даже если ее ноги все еще будут касаться земли:

Рис. 1.3

Поскольку нижняя сторона цепи надежно соединена с землей через точку заземления в левом нижнем углу цепи, нижний проводник цепи выполнен электрически общим с заземлением. Поскольку между электрически общими точками не может быть напряжения, на человека, контактирующего с нижним проводом, не будет подано напряжение, и он не получит удар током.По той же причине провод, соединяющий цепь с заземляющим стержнем / пластинами, обычно остается оголенным (без изоляции), так что любой металлический предмет, с которым он соприкасается, будет аналогичным образом электрически общим с землей.

Заземление цепи гарантирует, что по крайней мере в одной точке цепи будет безопасно прикасаться. Но как насчет того, чтобы оставить цепь полностью незаземленной? Разве это не сделало бы любого человека, касающегося всего лишь одного провода, таким же безопасным, как птица, сидящая только на одном проводе? В идеале да. Практически нет.Посмотрите, что происходит без заземления:

Рисунок 1. 4

Несмотря на то, что ноги человека все еще соприкасаются с землей, прикосновение к любой отдельной точке цепи должно быть безопасным. Поскольку через тело человека от нижней стороны источника напряжения к верхней не образуется полный путь (цепь), ток не может пройти через человека. Однако все это может измениться из-за случайного заземления, например, когда ветка дерева касается линии электропередачи и обеспечивает соединение с заземлением.Такое случайное соединение проводника энергосистемы с землей (землей) называется замыканием на землю .

Рисунок 1.5

Замыкания на землю

Замыкания на землю могут быть вызваны многими причинами, в том числе скоплением грязи на изоляторах линий электропередач (создание пути грязной воды для тока от проводника к опоре и земле во время дождя), просачиванию грунтовых вод в подземные проводники линий электропередач , а птицы приземляются на линии электропередач, соединяя линию со столбом своими крыльями.Учитывая множество причин замыканий на землю, они, как правило, непредсказуемы. В случае с деревьями никто не может гарантировать, какой провод может касаться их ветвей. Если бы дерево задело верхний провод в цепи, это сделало бы верхний провод безопасным для прикосновения, а нижний — опасным — полная противоположность предыдущему сценарию, когда дерево касается нижнего провода:

. Рисунок 1.6

Если ветка дерева соприкасается с верхним проводом, этот провод становится заземляющим проводником в цепи, электрически общим с заземлением.Следовательно, между этим проводом и землей нет напряжения, но есть полное (высокое) напряжение между нижним проводом и землей. Как упоминалось ранее, ветки деревьев являются лишь одним из потенциальных источников замыканий на землю в энергосистеме. Рассмотрим незаземленную энергосистему без соприкасающихся деревьев, но на этот раз с двумя людьми, касающимися отдельных проводов:

Рисунок 1.7

Когда каждый человек стоит на земле и контактирует с разными точками цепи, путь ударного тока проходит через одного человека, через землю и через другого человека. Несмотря на то, что каждый человек думает, что безопасно коснуться только одной точки цепи, их совместные действия создают смертельный сценарий. По сути, один человек действует как замыкание на землю, что делает его небезопасным для другого человека. Именно поэтому незаземленные энергосистемы опасны: напряжение между любой точкой цепи и землей (землей) непредсказуемо, потому что замыкание на землю может возникнуть в любой точке цепи в любое время. Единственный персонаж, который гарантированно будет в безопасности в этих сценариях, — это птица, которая вообще не имеет связи с землей! Надежно соединив назначенную точку цепи с заземлением («заземлив» цепь), по крайней мере, безопасность может быть обеспечена в этой точке.Это является большей гарантией безопасности, чем полное отсутствие заземления.

Отвечая на второй вопрос, обувь с резиновой подошвой и действительно обеспечивает некоторую электрическую изоляцию, помогающую защитить кого-то от прохождения ударного тока через ноги. Тем не менее, большинство распространенных моделей обуви не должны быть электрически «безопасными», их подошвы слишком тонкие и не из нужного материала. Кроме того, любая влага, грязь или токопроводящие соли от пота тела на поверхности подошвы обуви или через нее могут поставить под угрозу те небольшие изолирующие свойства обуви, которые она изначально имела.Есть обувь, специально предназначенная для опасных электромонтажных работ, а также толстые резиновые коврики, на которых можно стоять при работе с электрическими цепями под напряжением, но эти специальные элементы снаряжения должны быть в абсолютно чистом и сухом состоянии, чтобы быть эффективными. Достаточно сказать, что обычной обуви недостаточно, чтобы гарантировать защиту от поражения электрическим током от энергосистемы.

Исследование контактного сопротивления между частями человеческого тела и точками соприкосновения (например, с землей) показывает широкий диапазон цифр (информацию об источнике этих данных см. в конце главы):

  • Контакт с руками или ногами, с резиновой изоляцией: 20 МОм тип.
  • Контакт стопы через кожаную подошву обуви (сухую): от 100 кОм до 500 кОм
  • Контакт стопы через кожаную подошву обуви (мокрую): от 5 кОм до 20 кОм

Как видите, резина не только является гораздо лучшим изоляционным материалом, чем кожа, но и наличие воды в пористом веществе, таком как кожа , значительно снижает электрическое сопротивление.

Отвечая на третий вопрос, грязь не очень хороший проводник (по крайней мере, когда она сухая!). Это слишком плохой проводник, чтобы поддерживать непрерывный ток для питания нагрузки.Однако, как мы увидим в следующем разделе, требуется очень небольшой ток, чтобы ранить или убить человека, поэтому даже плохой проводимости грязи достаточно, чтобы обеспечить путь для смертельного тока, когда имеется достаточное напряжение, как обычно находится в энергосистемах.

Некоторые поверхности земли лучше изолируют, чем другие. Асфальт, например, на масляной основе обладает гораздо большей устойчивостью, чем большинство видов грязи или камня. Бетон, с другой стороны, имеет тенденцию иметь довольно низкое сопротивление из-за содержания в нем воды и электролита (проводящего химического вещества).

  • Поражение электрическим током может произойти только при контакте между двумя точками цепи; при подаче напряжения на тело пострадавшего.
  • Силовые цепи обычно имеют обозначенную точку, которая «заземляется»: прочно соединена с металлическими стержнями или пластинами, закопанными в землю, чтобы гарантировать, что одна сторона цепи всегда находится под потенциалом земли (нулевое напряжение между этой точкой и землей).
  • Замыкание на землю — это случайное соединение между проводником цепи и землей (землей).
  • Специальная изолирующая обувь и маты предназначены для защиты людей от ударов током через заземление, но даже эти части снаряжения должны быть чистыми и сухими, чтобы быть эффективными. Обычная обувь недостаточно хороша, чтобы обеспечить защиту от ударов, изолируя ее владельца от земли.
  • Хотя грязь — плохой проводник, она может проводить ток, достаточный для того, чтобы ранить или убить человека.

Обычная фраза, которую можно услышать в отношении электробезопасности, звучит примерно так: « Убивает не напряжение, а ток ! ” Хотя в этом есть доля правды, нужно понять больше об опасности поражения электрическим током, чем эта простая поговорка.Если бы напряжение не представляло опасности, никто бы никогда не печатал и не вывешивал таблички с надписью: ОПАСНОСТЬ — ВЫСОКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ!

Принцип «текущие убийства» по сути верен. Это электрический ток, который сжигает ткани, замораживает мышцы и вызывает фибрилляцию сердца. Однако электрический ток не возникает сам по себе: должно быть доступное напряжение, чтобы заставить ток течь через жертву. Тело человека также оказывает сопротивление току, что необходимо учитывать.

Взяв закон Ома для напряжения, тока и сопротивления и выразив его через ток при заданных напряжении и сопротивлении, мы получим следующее уравнение:

[латекс]\textbf{закон Ома}[/латекс]

[латекс]Ток=\фракция{Напряжение}{Сопротивление}[/латекс]                [латекс]I=\фракция{E}{R}[/латекс]

 

Сила тока через тело равна величине напряжения, приложенного между двумя точками на этом теле, деленному на электрическое сопротивление тела между этими двумя точками. Очевидно, что чем большее напряжение может вызвать протекание тока, тем легче он будет течь через любое заданное сопротивление. Отсюда опасность высокого напряжения, которое может генерировать достаточный ток, чтобы вызвать травму или смерть. И наоборот, если тело имеет более высокое сопротивление, при любом заданном напряжении будет течь меньший ток. То, насколько опасно напряжение, зависит от того, насколько велико общее сопротивление в цепи, противодействующее протеканию электрического тока.

Сопротивление тела не является фиксированной величиной.Это варьируется от человека к человеку и время от времени. Существует даже методика измерения телесного жира, основанная на измерении электрического сопротивления между пальцами ног и пальцев человека. Различное процентное содержание жира в организме обеспечивает различное сопротивление: одна переменная влияет на электрическое сопротивление в организме человека. Чтобы метод работал точно, человек должен регулировать потребление жидкости за несколько часов до теста, что указывает на то, что гидратация тела является еще одним фактором, влияющим на электрическое сопротивление тела.

Сопротивление тела также варьируется в зависимости от того, как осуществляется контакт с кожей: от руки к руке, от руки к ноге, от стопы к стопе, от руки к локтю и т. д. Пот, богатый солью и минералами , является отличным проводником электричества, будучи жидкостью. Как и кровь с таким же высоким содержанием проводящих химических веществ. Таким образом, контакт с проводом потной рукой или открытой раной будет оказывать гораздо меньшее сопротивление току, чем контакт с чистой сухой кожей.

Измеряя электрическое сопротивление чувствительным измерителем, я измеряю приблизительно 1 миллион Ом сопротивления (1 МОм) на руках, держа между пальцами металлические щупы измерителя.Измеритель показывает меньшее сопротивление, когда я сильно сжимаю щупы, и большее сопротивление, когда я держу их свободно. Я сижу здесь за своим компьютером, печатая эти слова, и мои руки чисты и сухи. Если бы я работал в какой-то жаркой, грязной промышленной среде, сопротивление между моими руками, вероятно, было бы намного меньше, что представляло бы меньшее сопротивление смертельно опасному току и большую угрозу поражения электрическим током.

Сколько электрического тока вредно?

Ответ на этот вопрос также зависит от нескольких факторов.Индивидуальная химия тела оказывает значительное влияние на то, как электрический ток влияет на человека. Некоторые люди очень чувствительны к току, испытывая непроизвольные сокращения мышц при ударах статическим электричеством. Другие могут высекать большие искры от разряда статического электричества и почти не ощущать этого, не говоря уже о мышечном спазме. Несмотря на эти различия, приблизительные рекомендации были разработаны с помощью тестов, которые показывают, что для проявления вредных эффектов требуется очень небольшой ток (опять же, см. в конце главы информацию об источнике этих данных).Все значения тока указаны в миллиамперах (миллиампер равен 1/1000 ампера):

ЭФФЕКТ ТЕЛА МУЖЧИНЫ/ЖЕНЩИНЫ ПОСТОЯННЫЙ ТОК (DC) 60 Гц 100 кГц
Легкое ощущение в руке(ах) Мужчины 1,0 мА 0,4 ​​мА 7 мА
Женщины 0,6 мА 0,3 мА 5 мА
Болевой порог Мужчины 5. 2 мА 1,1 мА 12 мА
Женщины 3,5 мА 0,7 мА 8 мА
Болезненность, но сохраняется произвольный контроль мышц Мужчины 62 мА 9 мА 55 мА
Женщины 41 мА 6 мА 37 мА
Болезненный, не могу отпустить провода Мужчины 76 мА 16 мА 75 мА
Женщины 60 мА 15 мА 63 мА
Сильная боль, затрудненное дыхание Мужчины 90 мА 23 мА 94 мА
Женщины 60 мА 15 мА 63 мА
Возможна фибрилляция сердца через 3 секунды Мужчины и женщины 500 мА 100 мА

«Гц» обозначает единицу измерения Герц . Это мера того, насколько быстро меняется переменный ток, иначе известная как частота . Так, столбец цифр с надписью «60 Гц переменного тока» относится к току, который чередуется с частотой 60 циклов (1 цикл = период времени, когда ток течет в одном направлении, затем в другом) в секунду. Последний столбец, помеченный как «10 кГц переменного тока», относится к переменному току, который совершает десять тысяч (10 000) циклов туда и обратно каждую секунду.

Имейте в виду, что эти цифры приблизительны, так как люди с разным химическим составом тела могут реагировать по-разному.Было высказано предположение, что тока всего 17 миллиампер переменного тока через грудную клетку достаточно, чтобы вызвать фибрилляцию у человека при определенных условиях. Большинство наших данных относительно индуцированной фибрилляции получено в результате испытаний на животных. Очевидно, что проводить тесты индуцированной фибрилляции желудочков на людях нецелесообразно, поэтому имеющиеся данные отрывочны. О, и если вам интересно, я понятия не имею, почему женщины более восприимчивы к электрическому току, чем мужчины! Предположим, мне нужно было положить руки на клеммы источника переменного напряжения с частотой 60 Гц (60 циклов в секунду).Какое напряжение потребуется в этом состоянии чистой, сухой кожи, чтобы произвести ток в 20 миллиампер (достаточно, чтобы я не смог отпустить источник напряжения)? Мы можем использовать закон Ома, чтобы определить это:

[латекс]E = ИК[/латекс]

[латекс]E = (20 мА)(1 М \Омега)[/латекс]

[латекс]\textbf{E = 20 000 вольт или 20 кВ}[/латекс]

Имейте в виду, что это «наилучший сценарий» (чистая, сухая кожа) с точки зрения электробезопасности, и что это значение напряжения представляет собой величину, необходимую для того, чтобы вызвать столбняк.Гораздо меньше потребуется, чтобы вызвать болевой шок! Кроме того, имейте в виду, что физиологические эффекты любого определенного количества тока могут значительно различаться от человека к человеку и что эти расчеты являются лишь приблизительными оценками .

Побрызгав на пальцы водой, чтобы имитировать пот, я смог измерить сопротивление рукопашного боя всего 17 000 Ом (17 кОм). Имейте в виду, что только один палец каждой руки касается тонкой металлической проволоки. Пересчитав напряжение, необходимое для возникновения тока в 20 миллиампер, получим такую ​​цифру:

[латекс]E = ИК[/латекс]

[латекс]E = (20 мА)(17 кОм)[/латекс]    

[латекс]\textbf{E = 340 В}[/латекс]

В этом реалистичном состоянии достаточно 340 вольт потенциала от одной моей руки к другой, чтобы вызвать 20 миллиампер тока.Тем не менее, все еще можно получить смертельный удар от меньшего напряжения, чем это. При гораздо более низком показателе сопротивления тела, увеличенном за счет контакта с кольцом (золотая полоса, обернутая по окружности пальца, является отличной точкой контакта для поражения электрическим током) или полного контакта с большим металлическим предметом, таким как труба или металл. ручкой инструмента показатель сопротивления тела может упасть до 1000 Ом (1 кОм), что позволяет даже более низкому напряжению представлять потенциальную опасность.

[латекс]E = ИК[/латекс]

[латекс]E = (20 мА)(1 кОм)[/латекс]

[латекс]\textbf{E = 20 В}[/латекс]

Обратите внимание, что в этом состоянии 20 вольт достаточно, чтобы произвести через человека ток силой 20 миллиампер; достаточно, чтобы вызвать столбняк. Помните, было высказано предположение, что ток силой всего 17 миллиампер может вызвать фибрилляцию желудочков (сердца). При сопротивлении рукопашного боя 1000 Ом для создания этого опасного состояния потребуется всего 17 вольт.

[латекс]E = ИК[/латекс]
[латекс]E = (17 мА)(1 кВт)[/латекс]
[латекс]\textbf{E = 17 В}[/латекс]

Семнадцать вольт – это не очень много для электрических систем. Конечно, это «наихудший» сценарий с переменным напряжением 60 Гц и отличной проводимостью тела, но он показывает, насколько малое напряжение может представлять серьезную угрозу при определенных условиях.

Условия, необходимые для создания сопротивления тела 1000 Ом, не обязательно должны быть такими экстремальными, как то, что было представлено (потная кожа с контактом на золотом кольце). Сопротивление тела может уменьшаться при приложении напряжения (особенно если столбняк заставляет пострадавшего сильнее сжимать проводник), так что при постоянном напряжении удар может усилиться после первого контакта. То, что начинается как легкий шок — достаточно, чтобы «заморозить» жертву, чтобы она не могла отпустить, — может перерасти во что-то достаточно серьезное, чтобы убить ее, поскольку сопротивление их тела уменьшается, а ток соответственно увеличивается.

Исследования предоставили примерный набор цифр электрического сопротивления точек контакта человека в различных условиях:

 

Ситуация Сухой Влажный
Провод, на который нажали пальцем 40 000 Ом – 1 000 000 Ом 4 000 Ом – 15 000 Ом
Трос, удерживаемый рукой 15 000 Ом – 50 000 Ом 3000 Ом – 5000 Ом
Металлические плоскогубцы, удерживаемые рукой 5 000 Ом – 10 000 Ом 1000 Ом – 3000 Ом
Контакт с ладонью 3000 Ом – 8000 Ом 1000 Ом – 2000 Ом
1. 5-дюймовая металлическая труба, удерживаемая одной рукой 1000 Ом – 3000 Ом 500 Ом – 1500 Ом
Металлическая труба диаметром 1,5 дюйма, удерживаемая двумя руками 500 Ом – 1500 кОм 250 Ом – 750 Ом
Рука, погруженная в проводящую жидкость 200 Ом – 500 Ом
Ножка, погруженная в проводящую жидкость 100 Ом – 300 Ом

 

Обратите внимание на значения сопротивления двух условий, включающих 1.Металлическая труба 5 дюймов. Сопротивление, измеренное двумя руками, сжимающими трубу, составляет ровно половину сопротивления одной руки, сжимающей трубу.

Рисунок 1.8

Двумя руками площадь контакта с телом в два раза больше, чем с одной рукой. Это важный урок: электрическое сопротивление между любыми контактирующими объектами уменьшается с увеличением площади контакта при прочих равных условиях. Если две руки держат трубу, ток имеет два параллельных маршрута, по которым течет от трубы к телу (или наоборот).

Рис. 1.9.

. Как мы увидим в одной из последующих глав, параллельных цепей всегда приводят к меньшему общему сопротивлению, чем любой отдельный путь, рассматриваемый отдельно.

В промышленности 30 вольт обычно считаются консервативным пороговым значением для опасного напряжения. Осторожный человек должен расценивать любое напряжение выше 30 вольт как опасное, не полагаясь на нормальное сопротивление тела для защиты от удара. Тем не менее, держать руки в чистоте и сухости и снимать все металлические украшения при работе с электричеством — отличная идея.Даже при более низком напряжении металлические украшения могут представлять опасность, проводя ток, достаточный для того, чтобы обжечь кожу, если они соприкасаются между двумя точками цепи. Металлические кольца, в частности, были причиной более чем нескольких обожженных пальцев, устанавливая мосты между точками в низковольтной, сильноточной цепи.

Кроме того, напряжение ниже 30 В может быть опасным, если его достаточно, чтобы вызвать неприятные ощущения, которые могут вызвать рывок и случайное соприкосновение с более высоким напряжением или какую-либо другую опасность. Я помню, как однажды жарким летним днем ​​работал над автомобилем. Я был в шортах, моя голая нога касалась хромированного бампера автомобиля, когда я затягивал контакты аккумулятора. Когда я коснулся металлическим ключом положительной (незаземленной) стороны 12-вольтовой батареи, я почувствовал покалывание в том месте, где моя нога касалась бампера. Сочетание плотного контакта с металлом и моей потной кожи позволило ощутить удар всего 12-вольтовым электрическим потенциалом.

К счастью, ничего страшного не произошло, но если бы двигатель работал и удар ощущался в моей руке, а не в ноге, я мог бы рефлекторно дернуть рукой на пути вращающегося вентилятора или уронить металлический ключ на клеммы аккумулятора (вызвав большие величины тока через ключ с большим количеством сопровождающих искр).Это иллюстрирует еще один важный урок, касающийся электробезопасности; что электрический ток сам по себе может быть косвенной причиной травмы, заставляя вас прыгать или сокращать части вашего тела, нанося вред.

Путь тока, проходящий через человеческое тело, влияет на то, насколько он вреден. Ток воздействует на все мышцы, находящиеся на его пути, и, поскольку мышцы сердца и легких (диафрагмы), вероятно, являются наиболее важными для выживания, пути удара, пересекающие грудную клетку, являются наиболее опасными.Это делает путь ударного тока из рук в руки очень вероятным способом получения травм и летального исхода.

Во избежание подобных случаев рекомендуется работать только одной рукой с цепями под напряжением, находящимися под опасным напряжением, а другую руку держать в кармане, чтобы случайно ничего не задеть. Конечно, всегда безопаснее работать с обесточенной цепью, но это не всегда практично или возможно. При работе одной рукой правая рука обычно предпочтительнее левой по двум причинам: большинство людей правши (что обеспечивает дополнительную координацию при работе), а сердце обычно расположено слева от центра в грудной полости.

Для левшей этот совет может оказаться не самым лучшим. Если такой человек недостаточно координирует свою правую руку, он может подвергать себя большей опасности, используя руку, с которой ему наименее комфортно, даже если ударный ток через эту руку может представлять большую опасность для его сердца. Относительная опасность удара током одной рукой или другой, вероятно, меньше, чем опасность работы с менее чем оптимальной координацией, поэтому выбор руки лучше оставить на усмотрение человека.

Наилучшей защитой от поражения электрическим током от цепи под напряжением является сопротивление, а сопротивление телу можно повысить с помощью изолированных инструментов, перчаток, обуви и другого снаряжения. Ток в цепи представляет собой функцию доступного напряжения, деленную на 90 984 общих сопротивлений 90 985 на пути потока. Как мы рассмотрим более подробно позже в этой книге, сопротивления имеют аддитивный эффект, когда они сложены таким образом, что существует только один путь для протекания тока:

. Фигура 1.10

 

Человек, находящийся в непосредственном контакте с источником напряжения: сила тока ограничивается только сопротивлением тела.

[латекс]I = \frac{E}{R_{boot}}[/latex]

 

Теперь увидим эквивалентную схему для человека в утепленных перчатках и сапогах:

Рисунок 1.11

 

Лицо в изолирующих перчатках и сапогах;

Ток теперь ограничен сопротивлением цепи:

[латекс]I = \frac{E}{R_{перчатка}+R_{тело}+R_{сапог}+}[/latex]

 

Поскольку электрический ток должен пройти через ботинок и тело и перчатку, чтобы завершить свою цепь обратно к батарее, сумма ( сумма ) этих сопротивлений препятствует протеканию тока в большей степени, чем любое сопротивлений, рассматриваемых индивидуально.

Безопасность — одна из причин, по которой электрические провода обычно покрывают пластиковой или резиновой изоляцией: чтобы значительно увеличить величину сопротивления между проводником и кем-либо или чем-либо, кто может с ним соприкасаться. К сожалению, было бы непомерно дорого заделывать проводники ЛЭП недостаточной изоляцией для обеспечения безопасности в случае случайного прикосновения. Таким образом, безопасность поддерживается за счет того, что эти линии находятся достаточно далеко от досягаемости, чтобы никто не мог случайно коснуться их.

Если возможно, отключите питание цепи перед выполнением каких-либо работ на ней.Вы должны обезопасить все источники вредной энергии, прежде чем система может считаться безопасной для работы. В промышленности обеспечение безопасности цепи, устройства или системы в этом состоянии обычно называется переводом их в состояние нулевого энергопотребления . В центре внимания этого урока, конечно же, электробезопасность. Однако многие из этих принципов применимы и к неэлектрическим системам.

  • Вред для тела зависит от величины ударного тока. Более высокое напряжение позволяет производить более высокие и опасные токи.Сопротивление противодействует току, что делает высокое сопротивление хорошей защитой от ударов.
  • Обычно считается, что любое напряжение выше 30 может создавать опасные ударные токи. Металлические украшения определенно плохо носить при работе с электрическими цепями. Кольца, ремешки для часов, ожерелья, браслеты и другие подобные украшения обеспечивают превосходный электрический контакт с вашим телом и могут сами проводить ток, достаточный для того, чтобы вызвать ожоги кожи, даже при низком напряжении.
  • Низкое напряжение все еще может быть опасным, даже если оно слишком низкое, чтобы непосредственно вызвать поражение электрическим током.Их может быть достаточно, чтобы напугать жертву, заставив ее дернуться назад и коснуться чего-то более опасного в непосредственной близости.
  • При необходимости работы на «живой» цепи лучше выполнять работу одной рукой, чтобы не допустить смертельного рукопашного (через грудную клетку) пути ударного тока.
  • Если возможно, отключите питание цепи перед выполнением каких-либо работ на ней.

При работе с оборудованием отключите все источники питания перед выполнением любых работ.В промышленности удаление этих источников энергии из цепи, устройства или системы обычно называется переводом их в состояние нулевого энергопотребления . В центре внимания этого урока, конечно же, электробезопасность. Однако многие из этих принципов применимы и к неэлектрическим системам.

Защита чего-либо в состоянии нулевой энергии означает избавление от любого вида потенциальной или накопленной энергии, включая, помимо прочего:

  • Опасное напряжение
  • Давление пружины
  • Гидравлическое (жидкостное) давление
  • Пневматическое (воздушное) давление
  • Подвесной груз
  • Химическая энергия (легковоспламеняющиеся или химически активные вещества)
  • Ядерная энергия (радиоактивные или делящиеся вещества)

Напряжение по своей природе является проявлением потенциальной энергии.В первой главе я даже использовал приподнятую жидкость в качестве аналогии потенциальной энергии напряжения, обладающей способностью (потенциалом) производить ток (течение), но не обязательно реализующей этот потенциал до тех пор, пока не будет установлен подходящий путь для течения. и сопротивление потоку преодолевается. Пара проводов с высоким напряжением между ними не выглядит и не кажется опасной, даже несмотря на то, что они содержат достаточно потенциальной энергии между собой, чтобы пропустить через ваше тело смертельное количество тока. Несмотря на то, что это напряжение в настоящее время ничего не делает, у него есть потенциал, и этот потенциал должен быть нейтрализован, прежде чем станет безопасным физический контакт с этими проводами.

Все правильно спроектированные цепи имеют механизмы «разъединителя» для защиты напряжения от цепи. Иногда эти «разъединители» выполняют двойную функцию автоматического размыкания в условиях чрезмерного тока, и в этом случае мы называем их «автоматическими выключателями». В других случаях разъединители представляют собой устройства с ручным управлением без автоматической функции. В любом случае они предназначены для вашей защиты и должны использоваться должным образом. Обратите внимание, что устройство отключения должно быть отделено от обычного выключателя, используемого для включения и выключения устройства. Это защитный выключатель, который следует использовать только для защиты системы в состоянии нулевого энергопотребления:

. Рисунок 1.12

Когда разъединитель находится в положении «разомкнуто», как показано на рисунке (обрыв цепи отсутствует), цепь разомкнута, и тока не будет. На нагрузке будет нулевое напряжение, а полное напряжение источника будет падать на разомкнутые контакты разъединителя. Обратите внимание, что нет необходимости в разъединителе в нижнем проводнике цепи. Поскольку эта сторона цепи прочно соединена с землей (землей), она электрически общая с землей, и ее лучше оставить такой.Для максимальной безопасности персонала, работающего с нагрузкой этой цепи, можно установить временное заземление на верхней стороне нагрузки, чтобы исключить падение напряжения на нагрузке:

Рисунок 1.13

При наличии временного заземления обе стороны проводки нагрузки подключаются к земле, обеспечивая состояние нулевого энергопотребления на нагрузке.

Поскольку заземление с обеих сторон нагрузки электрически эквивалентно короткому замыканию нагрузки проводом, это еще один способ достижения той же цели максимальной безопасности:

Фигура 1. 14

В любом случае обе стороны нагрузки будут электрически общими с землей, что позволит исключить напряжение (потенциальную энергию) между любой стороной нагрузки и землей, на которой стоят люди. Этот метод временного заземления проводников в обесточенной энергосистеме очень распространен при техническом обслуживании, выполняемом в системах распределения электроэнергии высокого напряжения.

Еще одним преимуществом этой меры предосторожности является защита от возможности замыкания разъединителя (включения, чтобы обеспечить непрерывность цепи), когда люди все еще контактируют с нагрузкой.Временный провод, подключенный к нагрузке, вызовет короткое замыкание, когда разъединитель будет замкнут, немедленно отключив любые устройства защиты от перегрузки по току (автоматические выключатели или предохранители) в цепи, которые снова отключат питание. Если это произойдет, разъединитель вполне может быть поврежден, но рабочие на нагрузке находятся в безопасности.

Здесь следует упомянуть, что устройства перегрузки по току не предназначены для защиты от поражения электрическим током. Скорее они существуют исключительно для защиты проводников от перегрева из-за чрезмерных токов. Только что описанные временные закорачивающие провода действительно вызвали бы «срабатывание» любых устройств перегрузки по току в цепи, если бы разъединитель был замкнут, но следует понимать, что защита от поражения электрическим током не является предполагаемой функцией этих устройств. Их основная функция будет просто использоваться для защиты рабочих с установленным закорачивающим проводом.

Структурированные системы безопасности: блокировка/маркировка

Поскольку, очевидно, важно иметь возможность зафиксировать любые разъединяющие устройства в открытом (выключенном) положении и убедиться, что они остаются в этом положении во время выполнения работ на цепи, необходимо внедрить структурированную систему безопасности. место.Такая система обычно используется в промышленности и называется Lock-out/Tag-out .

Процедура блокировки/маркировки работает следующим образом: все лица, работающие с защищенным каналом, имеют свой собственный навесной замок или кодовый замок, который они устанавливают на рычаге управления отключающим устройством перед началом работы с системой. Кроме того, они должны заполнить и подписать ярлык, который они подвешивают к своему замку, с описанием характера и продолжительности работы, которую они намерены выполнять в системе.Если необходимо «заблокировать» несколько источников энергии (несколько разъединений, защита как электрических, так и механических источников энергии и т. д.), рабочий должен использовать столько своих замков, сколько необходимо для обеспечения питания системы. до начала работы. Таким образом, система поддерживается в состоянии нулевого энергопотребления до тех пор, пока не будет удалена каждая последняя блокировка со всех разъединяющих и отключающих устройств, а это означает, что каждый последний работник дает согласие, сняв свои личные блокировки. Если принято решение повторно включить систему, а замок (замки) одного человека все еще остается на месте после того, как все присутствующие сняли свои, бирка (метки) покажет, кто этот человек и чем он занимается.

Даже при наличии хорошей программы безопасности по блокировке/маркировке по-прежнему необходимо соблюдать осторожность и соблюдать меры предосторожности, руководствуясь здравым смыслом. Это особенно актуально в промышленных условиях, когда множество людей могут одновременно работать с устройством или системой. Некоторые из этих людей могут не знать о надлежащей процедуре блокировки/маркировки или могут знать о ней, но слишком самодовольны, чтобы следовать ей. Не думайте, что все соблюдали правила безопасности!

После того, как электрическая система была заблокирована и помечена вашим личным замком, вы должны перепроверить, действительно ли напряжение зафиксировано в нулевом состоянии.Один из способов проверить, запустится ли машина (или что-то еще, с чем она работает) при нажатии кнопки или переключателя start . Если он запустится, то вы знаете, что не удалось получить от него электроэнергию.

Кроме того, вы должны всегда проверять наличие опасного напряжения с помощью измерительного прибора, прежде чем прикасаться к каким-либо проводникам в цепи. В целях безопасности вам следует следовать следующей процедуре проверки, использования и последующей проверки вашего глюкометра:

.
  • Проверьте правильность показаний вашего мультиметра на известном источнике напряжения.
  • Используйте свой измеритель для проверки заблокированной цепи на наличие любого опасного напряжения.
  • Еще раз проверьте свой мультиметр на известном источнике напряжения, чтобы убедиться, что он по-прежнему показывает правильно.

Хотя это может показаться чрезмерным или даже параноидальным, это проверенный метод предотвращения поражения электрическим током. Однажды у меня был измеритель, который не показывал напряжение, когда он должен был, проверяя цепь, чтобы увидеть, не «разряжена ли она». Если бы я не использовал другие средства для проверки наличия напряжения, возможно, меня уже не было бы в живых, чтобы написать это.Всегда есть вероятность того, что ваш измеритель напряжения будет неисправен именно тогда, когда он вам нужен для проверки опасного состояния. Выполнение этих шагов поможет гарантировать, что вы никогда не попадете в смертельную ситуацию из-за сломанного счетчика.

Наконец, электрик достигает точки процедуры проверки безопасности, когда считается безопасным прикасаться к проводникам. Имейте в виду, что после принятия всех мер предосторожности все еще возможно (хотя и очень маловероятно) наличие опасного напряжения.Последней мерой предосторожности, которую следует предпринять на этом этапе, является мгновенный контакт с проводником (проводниками) тыльной стороной руки , прежде чем схватить его или металлический инструмент, соприкасающийся с ним. Почему? Если по какой-либо причине между этим проводником и заземлением все еще присутствует напряжение, движение пальца от реакции удара (сжатие в кулак) разорвет контакт с проводником. Обратите внимание, что это абсолютно последний шаг , который должен предпринять любой электрик перед началом работы с энергосистемой, и никогда не следует использовать в качестве альтернативного метода проверки опасного напряжения.Если у вас есть основания сомневаться в надежности вашего глюкометра, воспользуйтесь другим глюкометром, чтобы получить «второе мнение»

  • Состояние нулевого энергопотребления: Когда цепь, устройство или система защищены таким образом, что отсутствует потенциальная энергия, способная причинить вред кому-либо, работающему с ними.
  • Выключатели-разъединители должны присутствовать в правильно спроектированной электрической системе, чтобы обеспечить удобную готовность к состоянию нулевого энергопотребления.
  • Временные заземляющие или закорачивающие провода могут быть подключены к обслуживаемой нагрузке для дополнительной защиты персонала, работающего с этой нагрузкой.
  • Блокировка/маркировка
  • работает следующим образом: при работе с системой в состоянии нулевого энергопотребления работник устанавливает личный замок или кодовый замок на каждое устройство отключения энергии, имеющее отношение к его или ее задаче в этой системе. Также на каждый из этих замков вешается бирка с описанием характера и продолжительности предстоящей работы, а также того, кто ее выполняет.
  • Всегда проверяйте, чтобы цепь была защищена в состоянии нулевого энергопотребления с помощью тестового оборудования после «заблокировки». Обязательно проверьте свой измеритель до и после проверки цепи, чтобы убедиться, что он работает правильно.
  • Когда придет время фактически вступить в контакт с проводником (проводниками) предположительно отключенной энергосистемы, сделайте это сначала тыльной стороной одной руки, чтобы в случае удара током мышечная реакция оттянула пальцы от проводника. .

Безопасное и эффективное использование электрического счетчика, возможно, является самым ценным навыком, которым может овладеть электронщик, как ради личной безопасности, так и для профессионального мастерства. Поначалу может быть сложно использовать счетчик, зная, что вы подключаете его к цепям под напряжением, которые могут содержать опасные для жизни уровни напряжения и тока.Это опасение небезосновательно, и всегда лучше действовать осторожно при использовании счетчиков. Небрежность больше, чем любой другой фактор, является причиной несчастных случаев с электричеством опытных техников.

Мультиметры

Наиболее распространенным электрическим испытательным оборудованием является мультиметр . Мультиметры названы так потому, что они имеют возможность измерять множество переменных: напряжение, ток, сопротивление и часто многие другие, некоторые из которых не могут быть объяснены здесь из-за их сложности.В руках квалифицированного специалиста мультиметр является одновременно и эффективным рабочим инструментом, и защитным устройством. Однако в руках кого-то невежественного и/или неосторожного мультиметр может стать источником опасности при подключении к «живой» цепи.

Существует много различных марок мультиметров, при этом несколько моделей, выпускаемых каждым производителем, имеют разные наборы функций. Мультиметр, показанный здесь на следующих иллюстрациях, представляет собой «универсальную» конструкцию, не относящуюся к какому-либо производителю, но достаточно общую, чтобы научить основным принципам использования:

Фигура 1.15

Вы заметите, что дисплей этого счетчика относится к «цифровому» типу: он показывает числовые значения с использованием четырех цифр, подобно цифровым часам. Поворотный селекторный переключатель (теперь установленный в положение Off ) имеет пять различных положений измерения, в которых он может быть установлен: два положения «V», два положения «A» и одно, установленное посередине с забавной «подковой». символ на нем, представляющий «сопротивление». Символ «подкова» представляет собой греческую букву «Омега» (Ω), которая является общепринятым символом электрической единицы измерения омов.

Из двух настроек «V» и двух настроек «A» вы заметите, что каждая пара разделена на уникальные маркеры либо парой горизонтальных линий (одна сплошная, одна пунктирная), либо пунктирной линией с волнистой кривой над ней. . Параллельные линии представляют «DC», а волнистая кривая представляет «AC». «V», конечно, означает «напряжение», а «A» — «ампер» (ток). Измеритель использует различные внутренние методы для измерения постоянного тока, чем он использует для измерения переменного тока, и поэтому он требует, чтобы пользователь выбрал, какой тип напряжения (В) или тока (А) должен быть измерен. Хотя мы не обсуждали переменный ток (AC) в каких-либо технических подробностях, важно помнить об этом различии в настройках счетчика.

Мультиметр Розетки

На лицевой панели мультиметра есть три разных разъема, к которым мы можем подключить наши тестовые провода . Измерительные провода — это не что иное, как специально подготовленные провода, используемые для подключения измерителя к тестируемой цепи. Провода покрыты гибкой изоляцией с цветовой маркировкой (черной или красной), чтобы руки пользователя не касались оголенных проводников, а наконечники щупов представляют собой острые жесткие куски проволоки:

Фигура 1.16

Черный измерительный провод всегда подключается к черному разъему на мультиметре: тот, который помечен как «COM» для «общего». Красные измерительные провода подключаются либо к красному разъему, отмеченному для напряжения и сопротивления, либо к красному разъему, отмеченному для тока, в зависимости от того, какую величину вы собираетесь измерять с помощью мультиметра.

Чтобы понять, как это работает, давайте рассмотрим пару примеров, демонстрирующих использование счетчика. Во-первых, мы настроим измеритель для измерения постоянного напряжения от батареи:

Фигура 1.17

Обратите внимание, что два измерительных провода вставлены в соответствующие разъемы на измерителе для напряжения, а селекторный переключатель установлен на постоянное напряжение «V». Теперь рассмотрим пример использования мультиметра для измерения напряжения переменного тока от бытовой розетки (розетки):

Рисунок 1.18

Единственным отличием в настройке измерителя является размещение селекторного переключателя: теперь он повернут в положение AC «V». Поскольку мы все еще измеряем напряжение, тестовые провода останутся подключенными к тем же розеткам.В обоих этих примерах обязательно не позволять наконечникам пробника соприкасаться друг с другом, когда они оба соприкасаются со своими соответствующими точками на цепи. Если это произойдет, произойдет короткое замыкание, создающее искру и, возможно, даже шар пламени, если источник напряжения способен обеспечить достаточный ток! Следующее изображение иллюстрирует потенциальную опасность:

Рис. 1.19

Это лишь один из способов, которым счетчик может стать источником опасности при неправильном использовании.

Измерение напряжения, пожалуй, самая распространенная функция, для которой используется мультиметр. Это, безусловно, первичное измерение, проводимое в целях безопасности (часть процедуры блокировки/маркировки), и оператор счетчика должен хорошо понимать его. Поскольку это напряжение всегда относительно между двумя точками, измеритель должен быть надежно подключен к двум точкам в цепи, прежде чем он обеспечит надежное измерение. Обычно это означает, что оба щупа должны быть захвачены руками пользователя и прижаты к соответствующим точкам контакта источника напряжения или цепи во время измерения.

Поскольку наиболее опасен контактный путь удара током, потенциальная опасность удерживания щупов счетчика в двух точках высоковольтной цепи таким образом. Если защитная изоляция щупов изношена или треснула, пальцы пользователя могут соприкоснуться с проводниками щупов во время испытания, что приведет к сильному удару током. Если для захвата зондов можно использовать только одну руку, это более безопасный вариант. Иногда можно «зафиксировать» один наконечник щупа на контрольной точке схемы, чтобы его можно было отпустить, а другой щуп установить на место, используя только одну руку.Для облегчения этого можно прикрепить специальные аксессуары для наконечников зондов, такие как пружинные зажимы.

Помните, что измерительные провода измерителя являются частью всего комплекта оборудования, и с ними следует обращаться с такой же осторожностью и уважением, как и с самим измерителем. Если вам нужны специальные аксессуары для ваших измерительных проводов, такие как пружинный зажим или другой специальный наконечник пробника, обратитесь к каталогу продукции производителя измерителя или другого производителя испытательного оборудования. Не пытайтесь проявить творческий подход и сделать свои собственные тестовые пробники, так как вы можете подвергнуть себя опасности в следующий раз, когда будете использовать их в цепи под напряжением.

Кроме того, следует помнить, что цифровые мультиметры обычно хорошо различают измерения переменного и постоянного тока, поскольку они настраиваются на одно или другое при проверке напряжения или тока. Как мы видели ранее, как переменное, так и постоянное напряжение и ток могут быть смертельными, поэтому при использовании мультиметра в качестве устройства проверки безопасности вы всегда должны проверять наличие как переменного, так и постоянного тока, даже если вы не ожидаете найти оба. ! Также при проверке на наличие опасного напряжения следует обязательно проверить все пары рассматриваемых точек.

Например, предположим, что вы открыли электромонтажный шкаф и обнаружили три больших проводника, подающих переменный ток к нагрузке. Автоматический выключатель, питающий эти провода (предположительно), отключен, заблокирован и помечен. Вы перепроверили отсутствие питания, нажав кнопку Пуск для нагрузки. Ничего не произошло, так что теперь вы переходите к третьему этапу вашей проверки безопасности: проверка счетчика на напряжение.

Сначала вы проверяете свой измеритель на известном источнике напряжения, чтобы убедиться, что он работает правильно.Любая близлежащая розетка питания должна быть удобным источником переменного напряжения для проверки. Вы делаете это и обнаруживаете, что счетчик показывает то, что должен. Далее нужно проверить наличие напряжения среди этих трех проводов в шкафу. Но напряжение измеряется между точками и , так где же проверить?

Рис. 1.20

Ответ — проверка между всеми комбинациями этих трех точек. Как видите, на иллюстрации точки обозначены «A», «B» и «C», поэтому вам нужно будет взять мультиметр (настроенный в режим вольтметра) и проверить точки A и B, B и С, А и С.Если вы обнаружите напряжение между любой из этих пар, схема не находится в состоянии нулевой энергии. Но ждать! Помните, что мультиметр не будет регистрировать напряжение постоянного тока, когда он находится в режиме напряжения переменного тока, и наоборот, поэтому вам нужно проверить эти три пары точек в в каждом режиме , всего шесть проверок напряжения, чтобы завершить!

Однако, несмотря на всю эту проверку, мы еще не рассмотрели все возможности. Помните, что опасное напряжение может появиться между одним проводом и землей (в этом случае металлическая рама шкафа будет хорошей точкой отсчета земли) в энергосистеме.Таким образом, чтобы быть в полной безопасности, мы не только должны проверить между A и B, B и C и A и C (как в режимах переменного, так и постоянного тока), но мы также должны проверить между A и землей, B и землей, и C & заземление (как в режимах переменного, так и постоянного тока)! Это дает в общей сложности двенадцать проверок напряжения для этого, казалось бы, простого сценария всего с тремя проводами. Затем, конечно, после того, как мы завершили все эти проверки, нам нужно взять наш мультиметр и повторно проверить его на известном источнике напряжения, таком как розетка, чтобы убедиться, что он все еще находится в хорошем рабочем состоянии.

Использование мультиметра Проверка сопротивления

Использование мультиметра для проверки сопротивления — гораздо более простая задача. Тестовые провода будут оставаться подключенными к тем же разъемам, что и для проверки напряжения, но селекторный переключатель необходимо будет повернуть, пока он не укажет на символ сопротивления в виде «подковы». Прикасаясь щупами к устройству, сопротивление которого необходимо измерить, измеритель должен правильно отображать сопротивление в омах:

Фигура 1.21

Очень важно помнить об измерении сопротивления: это должно выполняться только на обесточенных компонентах ! Когда измеритель находится в режиме «сопротивления», он использует небольшую внутреннюю батарею для генерации небольшого тока через измеряемый компонент. Почувствовав, насколько сложно провести этот ток через компонент, можно определить и отобразить сопротивление этого компонента. Если в контуре счетчик-вывод-компонент-вывод-измеритель есть дополнительный источник напряжения, который либо помогает, либо противодействует току измерения сопротивления, создаваемому измерителем, это приведет к ошибочным показаниям. В худшем случае измеритель может быть даже поврежден внешним напряжением.

Режим «Сопротивление» мультиметра

Режим «сопротивление» мультиметра очень полезен для определения целостности проводов, а также для точных измерений сопротивления. Когда между кончиками щупов имеется хорошее прочное соединение (имитируемое касанием их друг к другу), прибор показывает почти нулевое значение Ω. Если бы в тестовых проводах не было сопротивления, оно бы показывало ровно ноль:

. Фигура 1.22

Если выводы не соприкасаются друг с другом или соприкасаются с противоположными концами оборванного провода, измеритель покажет бесконечное сопротивление (обычно пунктирными линиями или аббревиатурой «O.L.», что означает «разомкнутый контур»):

Рисунок 1.23

Измерение тока с помощью мультиметра

Безусловно, наиболее опасным и сложным применением мультиметра является измерение силы тока. Причина этого довольно проста: для того, чтобы счетчик измерял ток, измеряемый ток должен пройти от до счетчика. Это означает, что счетчик должен быть частью пути тока в цепи, а не просто быть где-то сбоку, как в случае измерения напряжения. Чтобы сделать счетчик частью пути тока цепи, исходная цепь должна быть «разорвана», а счетчик подключен через две точки открытого разрыва. Чтобы настроить измеритель для этого, селекторный переключатель должен указывать либо на переменный ток, либо на постоянный ток «А», а красный измерительный провод должен быть подключен к красному разъему с маркировкой «А». На следующем рисунке показан измерительный прибор, полностью готовый к измерению тока, и цепь, подлежащая проверке:

. Фигура 1.24

Теперь цепь разорвана при подготовке к подключению счетчика:

Рисунок 1.25

Следующим шагом является подключение измерительного прибора к цепи путем подключения двух наконечников щупа к оборванным концам цепи, черного щупа к отрицательной (-) клемме 9-вольтовой батареи, а красного щуп к свободному концу провода, ведущему к лампе:

 

Рисунок 1.26

В этом примере показана очень безопасная схема. 9 вольт вряд ли представляют опасность поражения электрическим током, и поэтому нечего опасаться размыкания этой цепи (голыми руками, не меньше!) и подключения счетчика к потоку тока.Однако с более мощными цепями это может быть действительно опасным занятием. Даже если напряжение в цепи было низким, нормальный ток мог быть достаточно высоким, что могло привести к опасной искре в момент установления соединения с последним измерительным щупом.

Еще одна потенциальная опасность использования мультиметра в режиме измерения тока («амперметр») заключается в невозможности правильно перевести его обратно в конфигурацию измерения напряжения перед измерением напряжения с его помощью. Причины этого связаны с конструкцией и работой амперметра.При измерении тока в цепи путем размещения измерителя непосредственно на пути тока лучше всего, чтобы измеритель оказывал небольшое сопротивление протеканию тока или не оказывал никакого сопротивления. В противном случае дополнительное сопротивление изменит работу схемы. Таким образом, мультиметр рассчитан на практически нулевое сопротивление между наконечниками измерительного щупа, когда красный щуп подключен к красному разъему «А» (токоизмерительный). В режиме измерения напряжения (красный щуп вставлен в красное гнездо «V») сопротивление между наконечниками щупов составляет много мегаом, потому что вольтметры рассчитаны на сопротивление, близкое к бесконечному (так что они не t потреблять любой заметный ток от тестируемой цепи).

При переключении мультиметра из режима измерения тока в режим измерения напряжения легко прокрутить селекторный переключатель из положения «А» в положение «В» и забыть соответственно переключить положение красного штекера щупа из «А» в положение «В». «В». В результате, если счетчик затем подключить к источнику значительного напряжения, произойдет короткое замыкание через счетчик!

 

Рисунок 1.27

Чтобы предотвратить это, большинство мультиметров имеют функцию предупреждения, с помощью которой они издают звуковой сигнал, если провод подключен к разъему «A», а селекторный переключатель установлен в положение «V». Какими бы удобными ни были подобные функции, они все же не заменят ясного мышления и осторожности при использовании мультиметра.

Все качественные мультиметры содержат внутри предохранители, которые «перегорают» в случае прохождения через них чрезмерного тока, как, например, в случае, показанном на последнем изображении. Как и все устройства защиты от перегрузки по току, эти предохранители в первую очередь предназначены для защиты оборудования (в данном случае самого счетчика) от чрезмерного повреждения и лишь во вторую очередь для защиты пользователя от вреда.Мультиметр можно использовать для проверки собственного токового предохранителя, установив селекторный переключатель в положение сопротивления и создав соединение между двумя красными розетками следующим образом:

Рисунок 1.28

Исправный предохранитель будет показывать очень низкое сопротивление, в то время как перегоревший предохранитель всегда будет показывать «O.L.» (или любое другое указание, которое эта модель мультиметра использует для обозначения отсутствия непрерывности). Фактическое число омов, отображаемое для исправного предохранителя, не имеет большого значения, если оно произвольно низкое.

Итак, теперь, когда мы увидели, как использовать мультиметр для измерения напряжения, сопротивления и тока, что еще нужно знать? Множество! Ценность и возможности этого универсального измерительного прибора станут более очевидными по мере того, как вы приобретете навыки и опыт его использования.Ничто не заменит регулярную практику со сложными инструментами, такими как эти, поэтому не стесняйтесь экспериментировать с безопасными схемами с батарейным питанием.

  • Измерительный прибор, способный измерять напряжение, силу тока и сопротивление, называется мультиметром .
  • Поскольку напряжение всегда относительно между двумя точками, вольтметр («вольтметр») должен быть подключен к двум точкам в цепи, чтобы получить правильные показания. Будьте осторожны, не соприкасайтесь оголенными наконечниками щупов при измерении напряжения, так как это приведет к короткому замыканию!
  • Не забывайте всегда проверять напряжение как переменного, так и постоянного тока при использовании мультиметра для проверки наличия опасного напряжения в цепи. Обязательно проверьте наличие напряжения между всеми парными комбинациями проводников, в том числе между отдельными проводниками и землей!
  • В режиме измерения напряжения («вольтметр») мультиметры имеют очень высокое сопротивление между выводами.
  • Никогда не пытайтесь измерить сопротивление или целостность цепи с помощью мультиметра в цепи, находящейся под напряжением. В лучшем случае показания сопротивления, которые вы получите от мультиметра, будут неточными, а в худшем случае мультиметр может быть поврежден, и вы можете получить травму.
  • Измерители тока («амперметры») всегда включены в цепь, поэтому электроны должны течь через счетчик.
  • В режиме измерения тока («амперметр») мультиметры практически не имеют сопротивления между выводами. Это предназначено для того, чтобы позволить электронам проходить через измеритель с наименьшими возможными трудностями. Если бы это было не так, счетчик добавил бы дополнительное сопротивление в цепь, тем самым влияя на ток.

Как мы видели ранее, энергосистема без надежного соединения с заземлением непредсказуема с точки зрения безопасности.Невозможно гарантировать, сколько или как мало напряжения будет существовать между любой точкой цепи и заземлением. Заземляя одну сторону источника напряжения энергосистемы, по крайней мере одна точка в цепи может быть электрически общей с землей и, следовательно, не представлять опасности поражения электрическим током. В простой двухпроводной системе электроснабжения проводник, соединенный с землей, называется нейтральным , а другой проводник называется горячим , также известным как под напряжением или активным :

. Фигура 1.29 Двухпроводная система электроснабжения

Что касается источника напряжения и нагрузки, заземление значения не имеет. Он существует исключительно ради личной безопасности, гарантируя, что хотя бы одна точка в цепи будет безопасной для прикосновения (нулевое напряжение на землю). «Горячая» сторона цепи, названная так из-за потенциальной опасности поражения электрическим током, будет опасна для прикосновения, если напряжение не будет обеспечено путем надлежащего отключения от источника (в идеале, с помощью систематической процедуры блокировки/маркировки).

Этот дисбаланс опасности между двумя проводниками в простой силовой цепи важно понимать. Следующая серия иллюстраций основана на обычных бытовых системах электропроводки (для простоты используются источники постоянного напряжения, а не переменного тока).

Если мы посмотрим на простой бытовой электроприбор, такой как тостер с токопроводящим металлическим корпусом, мы увидим, что при правильной работе не должно быть опасности поражения электрическим током. Провода, подводящие питание к нагревательным элементам тостера, изолированы от соприкосновения с металлическим корпусом (и друг с другом) резиной или пластиком.

Рисунок 1.30 Отсутствие напряжения между корпусом и землей

 

Однако, если один из проводов внутри тостера случайно соприкоснется с металлическим корпусом, корпус станет электрически общим с проводом, и прикосновение к корпусу будет столь же опасным, как и прикосновение к оголенному проводу. Представляет ли это опасность поражения электрическим током, зависит от , к какому проводу случайно прикоснется:

Рисунок 1. 31. Случайное контактное напряжение между корпусом и землей

 

Если «горячий» провод соприкасается с корпусом, это подвергает опасности пользователя тостера.С другой стороны, если нейтральный провод соприкасается с корпусом, опасности поражения электрическим током нет:

Рисунок 1.32 Случайный контакт без напряжения между корпусом и землей

 

Чтобы гарантировать, что первый отказ менее вероятен, чем второй, инженеры стараются проектировать приборы таким образом, чтобы свести к минимуму контакт горячего проводника с корпусом. В идеале, конечно, вы не хотите, чтобы какой-либо провод случайно соприкасался с токопроводящим корпусом прибора, но обычно есть способы спроектировать расположение частей, чтобы случайный контакт одного провода был менее вероятным, чем другого.

Однако эта профилактическая мера эффективна только в том случае, если можно гарантировать соблюдение полярности вилки питания. Если вилку можно перевернуть, то проводник, который с большей вероятностью соприкоснется с корпусом, вполне может быть «горячим»:

Рисунок 1. 33 Напряжение между корпусом и землей

 

Устройства, сконструированные таким образом, обычно поставляются с «поляризованными» вилками, при этом один штырь вилки немного уже другого. Розетки питания также спроектированы таким образом, один слот уже другого.Следовательно, вилка не может быть вставлена ​​«наоборот», и можно гарантировать идентичность проводника внутри прибора. Помните, что это никак не влияет на основные функции прибора: это делается исключительно в целях безопасности пользователя.

Некоторые инженеры решают проблему безопасности, просто делая внешний корпус прибора непроводящим. Такие приборы называются с двойной изоляцией , поскольку изолирующий корпус служит вторым слоем изоляции поверх изоляции самих проводников.Если провод внутри прибора случайно соприкоснется с корпусом, пользователю прибора ничего не угрожает.

Другие инженеры решают проблему безопасности, сохраняя токопроводящий корпус, но используя третий провод для надежного соединения этого корпуса с землей:

Рисунок 1. 34 Нулевое напряжение корпуса заземления между корпусом и землей

Третий штырь шнура питания обеспечивает прямое электрическое соединение корпуса прибора с заземлением, делая две точки электрически общими друг с другом.Если они электрически общие, то между ними не может быть падения напряжения. По крайней мере, так это должно работать. Если горячий проводник случайно коснется металлического корпуса прибора, это создаст прямое короткое замыкание обратно на источник напряжения через заземляющий провод, что приведет к срабатыванию любых устройств защиты от перегрузки по току. Пользователь прибора останется в безопасности.

Вот почему так важно никогда не срезать третий штырь у вилки питания, когда пытаетесь вставить ее в розетку с двумя штырьками.Если это сделать, корпус прибора не будет заземлен для обеспечения безопасности пользователей. Прибор по-прежнему будет функционировать должным образом, но если произойдет внутренняя неисправность, из-за которой горячий провод соприкоснется с корпусом, последствия могут быть смертельными. Если необходимо использовать розетку с двумя контактами , можно установить переходник для розеток с двумя контактами на три с заземляющим проводом, прикрепленным к заземляющему винту крышки. Это обеспечит безопасность заземленного устройства при подключении к розетке такого типа.

Однако проектирование электробезопасности не обязательно заканчивается на нагрузке. Окончательная защита от поражения электрическим током может быть установлена ​​на стороне источника питания цепи, а не на самом приборе. Эта защита называется обнаружение замыкания на землю и работает следующим образом:

В правильно работающем приборе (показанном выше) ток, измеренный через горячий проводник, должен быть точно равен току через нейтральный проводник, потому что в цепи есть только один путь для движения электронов.При отсутствии неисправности внутри прибора нет связи между проводниками цепи и человеком, касающимся корпуса, и, следовательно, нет удара.

Если, однако, горячий провод случайно коснется металлического корпуса, через человека, прикоснувшегося к корпусу, пройдет ток. Наличие ударного тока будет проявляться как разность  токов между двумя силовыми проводниками в розетке:

Рисунок 1.35   Разность тока между двумя силовыми проводами в розетке

Эта разница в токе между «горячим» и «нейтральным» проводниками будет существовать только в том случае, если через заземление протекает ток, что означает неисправность в системе.Таким образом, такая разность токов может быть использована как способ обнаружения неисправности. Если устройство настроено для измерения этой разницы тока между двумя силовыми проводниками, обнаружение дисбаланса тока может использоваться для срабатывания размыкающего выключателя, тем самым отключая питание и предотвращая серьезный удар:

Рисунок 1.36 Прерыватели тока замыкания на землю

Такие устройства называются Прерыватели тока замыкания на землю или сокращенно GFCI. За пределами Северной Америки устройство GFCI по-разному известно как предохранительный выключатель, устройство защитного отключения (RCD), RCBO или RCD/MCB в сочетании с миниатюрным автоматическим выключателем или автоматическим выключателем утечки на землю (ELCB). Они достаточно компактны, чтобы их можно было встроить в розетку. Эти розетки легко узнать по характерным кнопкам «Тест» и «Сброс». Большим преимуществом использования этого подхода для обеспечения безопасности является то, что он работает независимо от конструкции прибора. Конечно, использование устройства с двойной изоляцией или заземлением в дополнение к розетке GFCI было бы еще лучше, но приятно знать, что можно что-то сделать для повышения безопасности помимо конструкции и состояния устройства.

Прерыватель цепи дугового замыкания (AFCI) , автоматический выключатель, предназначенный для предотвращения пожаров, предназначен для размыкания при прерывистых резистивных коротких замыканиях. Например, обычный выключатель на 15 А предназначен для быстрого размыкания цепи, если нагрузка значительно превышает номинальные 15 А, и более медленно, если они немного превышают номинальные значения. В то время как это защищает от прямых коротких замыканий и нескольких секунд перегрузки, соответственно, это не защищает от дуги — аналогично дуговой сварке. Дуга представляет собой сильно изменчивую нагрузку, периодически достигающую пикового значения более 70 А, разомкнутую цепь с пересечением нуля переменным током.Хотя среднего тока недостаточно для срабатывания стандартного выключателя, его достаточно для возникновения пожара. Эта дуга может быть создана металлическим коротким замыканием, которое прожигает металл, оставляя резистивную распыляющую плазму ионизированных газов.

AFCI содержит электронную схему для обнаружения этого прерывистого резистивного короткого замыкания. Он защищает как от дуги «горячая на нейтраль», так и от дуги «горячая на землю». AFCI не защищает от опасности поражения электрическим током, как это делает GFCI. Таким образом, GFCI по-прежнему необходимо устанавливать на кухне, в ванной и на открытом воздухе.Поскольку AFCI часто срабатывает при запуске больших двигателей и, в более общем случае, на щеточных двигателях, его установка ограничена электрическими цепями спальни в соответствии с Национальным электротехническим кодексом США. Использование AFCI должно уменьшить количество электрических пожаров. Однако ложные срабатывания при работе устройств с двигателями в цепях AFCI представляют собой проблему.

  • В энергосистемах часто одна сторона источника напряжения подключается к заземлению для обеспечения безопасности в этой точке.
  • «Заземленный» проводник в энергосистеме называется нейтральным проводником , а незаземленный проводник называется горячим .
  • Заземление в энергосистемах необходимо для личной безопасности, а не для работы нагрузки(й).
  • Электрическая безопасность электроприбора или других нагрузок может быть повышена за счет правильной инженерии: поляризованные вилки, двойная изоляция и трехштырьковые вилки с «заземлением» — все это позволяет максимально повысить безопасность на стороне нагрузки.
  • Прерыватели тока замыкания на землю (GFCI) работают, обнаруживая разницу в токе между двумя проводниками, подающими питание на нагрузку. Разницы в токе быть не должно. Любая разница означает, что ток должен входить или выходить из нагрузки каким-либо образом, кроме двух основных проводников, что нехорошо. Значительная разница в токе автоматически размыкает механизм разъединителя, полностью отключая питание.

 

Обычно номинальная сила тока проводника является конструктивным пределом схемы, который никогда нельзя намеренно превышать, но есть приложения, в которых ожидается превышение допустимой силы тока: в случае  предохранителей .

Что такое предохранитель?

предохранитель  представляет собой электрическое защитное устройство, построенное вокруг проводящей полосы, которая плавится и разделяется в случае чрезмерного тока. Плавкие предохранители всегда подключаются последовательно с компонентами, которые необходимо защитить от перегрузки по току, так что когда предохранитель перегорает  (размыкается), он размыкает всю цепь и останавливает ток через компонент(ы). Предохранитель, включенный в одну ветвь параллельной цепи, конечно, не повлияет на ток в любой из других ветвей.

Обычно тонкий кусок провода плавкого предохранителя заключен в защитную оболочку, чтобы свести к минимуму опасность взрыва дуги, если провод прогорает с большой силой, что может произойти в случае сильных перегрузок по току. В случае небольших автомобильных предохранителей оболочка прозрачна, чтобы можно было визуально осмотреть плавкий элемент. В жилой электропроводке обычно используются ввинчиваемые предохранители со стеклянным корпусом и тонкой узкой полосой металлической фольги посередине. Фотография, показывающая оба типа предохранителей, показана здесь:

 

Фигура 1.37   Типы предохранителей

   

Предохранители картриджного типа

популярны в автомобильной промышленности и в промышленности, если они изготовлены из материалов оболочки, отличных от стекла. Поскольку предохранители рассчитаны на «отказ» размыкания при превышении их номинального тока, они, как правило, предназначены для легкой замены в цепи. Это означает, что они будут вставлены в какой-либо держатель, а не будут напрямую припаяны или прикручены болтами к проводникам цепи. Ниже приведена фотография, показывающая пару предохранителей со стеклянными картриджами в держателе с несколькими предохранителями:

.

 

Фигура 1.38 Предохранители со стеклянными картриджами Многофункциональный держатель предохранителей

 

Предохранители удерживаются пружинными металлическими зажимами, сами зажимы постоянно соединены с проводниками цепи. Основной материал держателя предохранителя (или блока предохранителей , как их иногда называют) выбран как хороший изолятор.

Другой тип держателя предохранителя патронного типа обычно используется для установки в щиты управления оборудованием, где желательно скрыть все электрические точки контакта от контакта человека.В отличие от только что показанного блока предохранителей, где все металлические зажимы открыты, этот тип держателя предохранителя полностью закрывает предохранитель в изолирующем корпусе:

 

Рисунок 1. 39 Держатель предохранителя закрывает изолирующий кожух

 

Наиболее распространенным устройством, используемым сегодня для защиты от перегрузки по току в сильноточных цепях, является автоматический выключатель .

Что такое автоматический выключатель?

Автоматические выключатели  представляют собой переключатели специальной конструкции, которые автоматически размыкаются для отключения тока в случае перегрузки по току.Небольшие автоматические выключатели, используемые, например, в жилых, коммерческих и легких промышленных помещениях, работают от температуры. Они содержат биметаллическую полосу (тонкая полоска из двух металлов, соединенных друг с другом), проводящую ток, которая изгибается при нагревании. Когда биметаллическая полоса создает достаточное усилие (из-за перегрева полосы сверхтоком), срабатывает расцепляющий механизм, и выключатель размыкается. Автоматические выключатели большего размера автоматически срабатывают под действием силы магнитного поля, создаваемого токоведущими проводниками внутри автоматического выключателя, или могут активироваться внешними устройствами, контролирующими ток в цепи (эти устройства называются защитными реле ).

Поскольку автоматические выключатели не выходят из строя в условиях перегрузки по току — скорее, они просто размыкаются и могут быть повторно включены путем перемещения рычага, — они с большей вероятностью окажутся подключенными к цепи более постоянным образом, чем предохранители. Фотография небольшого автоматического выключателя показана здесь:

 

Рис. 1.40 Малый автоматический выключатель

Внешне он выглядит не более чем как выключатель. Действительно, его можно было использовать как таковой. Однако его истинная функция заключается в работе в качестве устройства защиты от перегрузки по току.

Следует отметить, что в некоторых автомобилях используются недорогие устройства, известные как плавкие вставки , для защиты от перегрузки по току в цепи зарядки аккумулятора из-за расходов на предохранитель и держатель надлежащего номинала. Плавкая вставка – это примитивный предохранитель, представляющий собой не что иное, как короткий кусок провода с резиновой изоляцией, предназначенный для плавления в случае перегрузки по току, без какой-либо жесткой оболочки. Такие грубые и потенциально опасные устройства никогда не используются в промышленности или даже в жилых домах, в основном из-за более высоких уровней напряжения и тока.Что касается этого автора, то их применение даже в автомобильных схемах сомнительно.

Символ предохранителя на электрической схеме представляет собой S-образную кривую:

Рисунок 1.41 S-образная кривая

Номинальные характеристики предохранителей

Предохранители в основном рассчитаны, как и следовало ожидать, в единицах измерения силы тока: амперы. Хотя их работа зависит от самовыделения тепла в условиях чрезмерного тока за счет собственного электрического сопротивления предохранителя, они спроектированы таким образом, чтобы создавать незначительное дополнительное сопротивление в цепях, которые они защищают.Это в значительной степени достигается за счет того, что провод предохранителя делается настолько коротким, насколько это практически возможно. Точно так же, как мощность обычного провода не связана с его длиной (одножильный медный провод 10-го калибра будет выдерживать 40-амперный ток на открытом воздухе, независимо от того, насколько длинный или короткий кусок), плавкий провод из определенного материала и калибра будет дуть при определенном токе независимо от того, как долго это будет. Поскольку длина не влияет на номинальный ток, чем короче его можно сделать, тем меньшее сопротивление он будет иметь на всем протяжении.

Тем не менее, разработчик предохранителя также должен учитывать, что происходит после срабатывания предохранителя: расплавленные концы некогда непрерывного провода будут разделены воздушным зазором с полным напряжением питания между концами.Если предохранитель в высоковольтной цепи недостаточно длинный, искра может проскакивать от одного конца расплавленного провода к другому, снова замыкая цепь:

Рис. 1.42. Схема конструктора предохранителей.

Некоторые крупные промышленные предохранители имеют сменные проволочные элементы для снижения затрат. Корпус предохранителя представляет собой непрозрачный картридж многоразового использования, защищающий плавкую проволоку от оголения и защищающий окружающие предметы от плавкой проволоки.

Текущий номинал предохранителя — это больше, чем одно число. Если ток в 35 ампер проходит через предохранитель на 30 ампер, он может перегореть внезапно или с задержкой перед перегоранием, в зависимости от других аспектов его конструкции. Некоторые предохранители предназначены для очень быстрого срабатывания, в то время как другие предназначены для более скромного времени «размыкания» или даже для замедленного действия в зависимости от применения. Последние предохранители иногда называют плавкими предохранителями с задержкой срабатывания из-за их преднамеренных характеристик задержки срабатывания.

Классическим примером применения плавких предохранителей с задержкой срабатывания является защита электродвигателей, где пусковые токи, превышающие нормальный рабочий ток, обычно возникают каждый раз, когда двигатель запускается с полной остановки. Если бы в подобном приложении использовались быстродействующие предохранители, двигатель никогда бы не запустился, потому что нормальные уровни пускового тока немедленно перегорели бы предохранители! Конструкция плавкого предохранителя такова, что плавкий элемент имеет большую массу (но не большую силу тока), чем эквивалентный быстродействующий предохранитель, а это означает, что он будет нагреваться медленнее (но до той же предельной температуры) для любой заданной величины. тока.

На другом конце спектра действия предохранителей находятся так называемые полупроводниковые предохранители , предназначенные для очень быстрого размыкания в случае перегрузки по току. Полупроводниковые устройства, такие как транзисторы , особенно неустойчивы к перегрузкам по току, и поэтому требуют быстродействующей защиты от перегрузок по току в приложениях большой мощности.

Предохранители всегда должны размещаться на «горячей» стороне нагрузки в заземленных системах. Целью этого является полное обесточивание нагрузки во всех отношениях после срабатывания предохранителя.Чтобы увидеть разницу между предохранителем «горячей» стороны и «нейтральной» стороны нагрузки, сравните эти две схемы:

Рис. 1.44. Схема конструктора предохранителей. . Первая схема гораздо безопаснее.

Как было сказано ранее, плавкие предохранители не являются единственным типом используемых устройств защиты от перегрузки по току.Устройства, подобные выключателям, называемые автоматическими выключателями , часто (и чаще) используются для размыкания цепей с чрезмерным током, их популярность объясняется тем, что они не разрушают себя в процессе разрыва цепи, как это делают предохранители. Однако в любом случае размещение устройства защиты от перегрузки по току в цепи будет осуществляться в соответствии с теми же общими рекомендациями, перечисленными выше: а именно, «предохранить» сторону источника питания , а не , соединенную с землей.

Хотя размещение защиты от перегрузки по току в цепи может определять относительную опасность поражения электрическим током в этой цепи при различных условиях, следует понимать, что такие устройства никогда не предназначались для защиты от поражения электрическим током.Ни предохранители, ни автоматические выключатели не предназначены для размыкания в случае поражения человека электрическим током; скорее, они предназначены для открытия только в условиях потенциального перегрева проводника. Устройства максимального тока в первую очередь защищают проводники цепи от повреждения из-за перегрева (и опасности возгорания, связанной с чрезмерно горячими проводниками), а во вторую очередь защищают определенные части оборудования, такие как нагрузки и генераторы (некоторые быстродействующие предохранители предназначены для защиты электронных устройств, особенно чувствительных к к скачкам тока). Поскольку уровни тока, необходимые для поражения электрическим током или поражения электрическим током, намного ниже, чем нормальные уровни тока обычных силовых нагрузок, состояние перегрузки по току не указывает на возникновение поражения электрическим током. Существуют и другие устройства, предназначенные для обнаружения определенных ударных воздействий (наиболее популярными являются детекторы замыкания на землю), но эти устройства служат только этой цели и не связаны с защитой проводников от перегрева.

 

  • Предохранитель представляет собой небольшой тонкий проводник, предназначенный для плавления и разделения на две части с целью размыкания цепи в случае чрезмерного тока.
  • Автоматический выключатель  – это переключатель специальной конструкции, который автоматически размыкается для прерывания тока в цепи в случае перегрузки по току. Они могут быть «отключены» (разомкнуты) термически, магнитными полями или внешними устройствами, называемыми «защитными реле», в зависимости от конструкции выключателя, его размера и области применения.
  • Предохранители
  • в первую очередь оцениваются по максимальному току, но также оцениваются по тому, какое падение напряжения они безопасно выдержат после разрыва цепи.
  • Предохранители
  • могут перегорать быстро, медленно или где-то посередине при одинаковом максимальном уровне тока.
  • Лучшее место для установки предохранителя в заземленной энергосистеме — это путь незаземленного проводника к нагрузке. Таким образом, при срабатывании предохранителя к нагрузке будет подключен только заземленный (безопасный) проводник, что сделает присутствие людей более безопасным.

Напряжение, ток и сопротивление | HowStuffWorks

Как упоминалось ранее, количество электронов, находящихся в движении в цепи, называется током и измеряется в амперах.«Давление», толкающее электроны, называется напряжением и измеряется в вольтах. Если вы живете в США, розетки в стене вашего дома или квартиры выдают по 120 вольт каждая.

Если вам известны ампер и вольт, вы можете определить количество потребляемой электроэнергии, которое мы обычно измеряем в ватт-часах или киловатт-часах . Представьте, что вы включаете обогреватель в розетку. Вы измеряете величину тока, протекающего от розетки к нагревателю, и он составляет 10 ампер.Это означает, что это нагреватель мощностью 1200 Вт. Если умножить вольты на амперы, то получится мощность. В этом случае 120 вольт умножить на 10 ампер равно 1200 ватт. Это справедливо для любого электроприбора. Если вы включаете свет, и он потребляет полампера, это 60-ваттная лампочка.

Допустим, вы включаете обогреватель, а затем смотрите на счетчик электроэнергии снаружи. Счетчик предназначен для измерения количества электроэнергии, поступающей в ваш дом, чтобы энергетическая компания могла выставить вам счет за это.Давайте предположим — мы знаем, что это маловероятно — что больше ничего в доме не включено, поэтому счетчик измеряет только электричество, используемое обогревателем.

Ваш обогреватель потребляет 1,2 киловатта (1200 Вт). Если вы оставите обогреватель включенным на один час, вы израсходуете 1,2 киловатт-часа электроэнергии. Если ваша энергетическая компания берет с вас 10 центов за киловатт-час, то энергетическая компания будет брать с вас 12 центов за каждый час, когда вы оставляете обогреватель включенным.

Теперь добавим к току и напряжению еще один коэффициент: сопротивление , которое измеряется в Ом .Мы можем расширить аналогию с водой, чтобы понять и сопротивление. Напряжение эквивалентно давлению воды, ток эквивалентен скорости потока, а сопротивление соответствует размеру трубы.

Основное электротехническое уравнение, называемое законом Ома, объясняет, как соотносятся эти три термина. Ток равен напряжению, деленному на сопротивление. Записывается так:

I = V/R

, где I обозначает ток (измеряется в амперах), V — напряжение (измеряется в вольтах), а R символизирует сопротивление (измеряется в омах).

Допустим, у вас есть бак с водой под давлением, подключенный к шлангу, который вы используете для полива сада. Если увеличить давление в баке, из шланга выйдет больше воды, верно? То же самое относится и к электрической системе: увеличение напряжения приведет к увеличению тока.

Предположим, вы увеличили диаметр шланга и всех фитингов бака. Эта регулировка также заставит больше воды выходить из шланга. Это похоже на уменьшение сопротивления в электрической системе, что увеличивает ток.

Когда вы смотрите на обычную лампу накаливания, вы можете увидеть аналогию с водой в действии. Нить накаливания лампочки представляет собой очень тонкую проволоку. Этот тонкий провод сопротивляется потоку электронов. Вы можете рассчитать сопротивление провода с помощью уравнения сопротивления.

Допустим, у вас есть 120-ваттная лампочка, включенная в розетку. Напряжение 120 вольт, через 120-ваттную лампочку протекает ток 1 ампер. Вы можете рассчитать сопротивление нити накала, перестроив уравнение:

R = V/I

Таким образом, сопротивление равно 120 Ом.

Помимо этих основных электрических концепций, существует практическое различие между двумя разновидностями тока. Некоторый ток постоянный, а некоторый ток переменный — и это очень важное различие.