Основные законы электротехники для начинающих

Сегодня сложно представить мир без электричества, а также приборов, машин и устройств, работающих на нем. Электротехника окружает нас в быту и на улицах. Без нее до сих пор бы на производствах преобладал ручной труд. Чтобы развивать эту отрасль, следует знать основные законы электротехники.

Великий Ом

Его закон признан самым главным в физике электроцепей, ведь без него невозможно рассчитать в них ни силу тока, ни степень падения напряжения, ни уровень сопротивления. Открытый немецким ученым Омом закон определяет соотношение в электрической цепи ее составляющих. Формулировка представлена ниже на картинке.

То есть, в электроцепи при высоком показателе напряжения показатели тока будут также высокие. С другой стороны, при высоком показателе сопротивления в ней меньше сила тока. Если сравнивать с потоком жидкости в трубе, то закон будет выглядеть так: при высоком давлении (в случае с током — напряжении) и малом сопротивлении стенок напор будет сильным, и наоборот.

Математически закон выглядит так: сопротивление (R) в цепи или на ее участке = 1 Ом, если по ней проходит ток с силой 1 Ампер при напряжении равном 1 Вольту. Величина тока (в А) определится, если напряжение (В) поделить на сопротивление (Ом).

Формула также может быть представлена в виде треугольника: если закрыть параметр, который требуется определить, оставшиеся два станут решением для его вычисления.

Использовать треугольник в качестве решения задач можно только в том случае, если параметры даются в вольтах (U), в омах (R) и в амперах (I).

Ниже приведен пример, как действует этот закон электротехники. В нем источником напряжения является аккумулятор. Через него пропущено два провода, которые подсоединены к резистору с разных сторон. Формула на рисунке отображает, как рассчитать R (сопротивление в омах), разделив U (напряжение в вольтах) на I (ток в амперах).

Под основной формулой в круге изображены ее варианты. Чтобы работать с ними, нужно закрыть любой параметр, проводя вычисления с оставшимися. Сделать это легко: если составляющие формулы расположены рядом, например, R и I, то их показатели нужно умножить, а если друг под другом, то производится деление.

Например, нужно найти величину R, используя показатели амперметра (I=2.6 А) и вольтметра (U=12 В). Сопротивление будет равно: R = 12:2.6 = 4.6 Ом.

Это основные формулы электротехники, благодаря им находим не только сопротивление в электрической цепи, но и напряжение, и силу тока (однофазного переменного с емкостным или индуктивным сопротивлением). Для начинающего электрика азами профессии является именно закон Ома.

Вычисление полного сопротивления цепи (Z)

Чтобы узнать показатель Z, нужно воспользоваться представленной ниже формулой:

Активное сопротивление — это какой-либо вид энергии, полученный путем перехода в нее электрической энергии в цепи или ее части. Например, она может превратиться в механическую, которая используется в электродвигателях, химическую или тепловую (электролиз и диэлектрики соответственно). Обозначается буквой R.

Емкостное сопротивление — это параметр, который обозначает уровень сопротивления электрической емкости цепи или ее части переменному току. То есть показатели тока или напряжения меняются из-за коэффициента самоиндукции или емкостного элемента. Обозначается X_c.

Индуктивное сопротивление — это степень сопротивления проводника, входящего в электрическую цепь переменного тока. То есть, индуктивность (обозначается L) в электроцепи создает состояние, когда электроток запаздывает по сравнению с электронапряжением. Обозначается X_L.

Чтобы вычислить общее (полное) сопротивление Z в электрической цепи, необходимо знать параметры всех видов сопротивления. Все величины используются в ТОЭ для упрощения решения задач и проведения расчетов согласно формулам.

Определение полной мощности (S) в электротехнике

Мощность — важный показатель в электротехнике. Чтобы определить полную S, нужно использовать приведенную ниже формулу:

В данной формуле представлены:

• Активная мощность, то есть потребляемая, является частью полной. Обозначается P и выражается в Вт.
• Реактивная мощность — величина, которая обозначает колебания энергии в работающих электрических устройствах. Обозначается буквой Q, измеряется в ВАр (вольт/ампер реактивный).
• Полная мощность. Обозначается S и измеряется в ВА (вольт/ампер).

Чтобы определить уровень активной и реактивной мощностей, нужно воспользоваться приведенными ниже формулами:

В которых:

• U — напряжение;
• I — сила тока;
• cosΦ — коэффициент мощности.

Ниже представлены формулы для вычисления активной мощности для различных электрических цепей:

Чтобы определить S, нужно произвести расчеты активной и реактивной мощностей, после чего воспользоваться формулой:

Закон Джоуля-Ленца

Он применяется для определения теплового действия тока: Q = I²Rt. Благодаря этой формуле можно вычислить Q (теплоту в джоулях) при прохождении постоянного тока через проводник. При этом Q будет пропорционально силе тока в квадрате (I² в амперах), сопротивлению проводника (R в омах) и времени прохождения тока (t в секундах).

Без определения уровня теплоты, выделяемого электротоком при прохождении через проводник, невозможно создание электрических нагревательных приборов и печей.

Первый закон Кирхгофа

Законы Кирхгофа универсальны для всех электротехнических задач, так как связаны с соотношением токов и напряжений в разветвленных цепях. Они подходят как для постоянных и переменных электротоков и электронапряжений, так и для линейных и нелинейных электрических цепей.

Первый закон представлен ниже:

Краткий вариант этого закона гласит: если по электроцепи проходит только постоянный электроток, то в ней нет ни единой точки, в которой бы мог накапливаться электрозаряд, в противном случае он не был бы постоянным. То есть, первый закон Кирхгофа дает определение непрерывности потока электрического тока. При этом входящие в узлы и исходящие из них электротоки имеют разные заряды: одни — положительные, а другие — отрицательные. В виде формулы этот закон выглядит так:

Ниже приведен пример использования первого закона:

Второй закон Кирхгофа

Это правило относится к замкнутым контурам. Закон гласит:

То есть суммы параметров электротоков и внешних/внутренних сопротивлений на всех участках контура будут равны сумме параметров сторонних электродвижущих сил (ЭДС), входящих в этот контур. Формула выглядит так:

При этом:

• I_m и R_m — параметры падения напряжения;
• N — количество участков контура.

Ниже приведен пример применения законов:

Таково общее представление об основных законах электротехники.

Видео по теме