Расчет электрических параметров необходим для правильных построений цепей. Поскольку целью использования электричества в электротехнике является задача по выполнению током работы, то встает вопрос о том, как найти силу тока. Данный параметр используют при вычислениях мощности и в расчетах потребления электрической энергии.
Существуют разные способы определения этого важного параметра, которые мы рассмотрим в данной статье.
Формулами
Параметры электрического тока всегда взаимосвязаны. Например, изменение величины нагрузки отображается на показателях других величин. Причем эти изменения подчиняются соответствующим законам, которые выражаются через формулы. Поэтому на практике для нахождения силы тока часто используют соответствующие формулы.
Через заряд и время
Вспомним определение (рис.1): электричество – это величина заряда, движимого силами электрического поля, преодолевающего за единицу времени условную плоскость проводника, называемую поперечным сечением проводника.
Таким образом, если известен электрический заряд, прошедший через проводник за определенное время, то не трудно найти величину этого заряда прошедшего за единицу времени, то есть: I = q/t
Через мощность и напряжение
В паспорте электроприбора обычно указывается его номинальная мощность и параметры электрической сети, для работы с которой он предназначен. Имея в распоряжении эти данные, можно вычислить силу тока по формуле: I = P/U.
Данное выражение вытекает из формулы для расчета мощности: P = IU.
Через напряжение или мощность и сопротивление
Силу электричества на участке цепи определяют по закону Ома. Для этого необходимо знать следующие параметры: сопротивление и напряжение на этом участке. Тогда I = U/R. Если известна мощность нагрузки, то ее можно выразить через квадрат силы тока умноженной на сопротивление участка: P = I2R, откуда
Для полной цепи эту величину вычисляют по закону Ома, но с учетом параметров источника питания.
Через ЭДС, внутреннее сопротивление и нагрузку R
Применяя закон Ома, адаптированный для полной цепи, вы можете вычислить максимальный ток по формуле I = ε / (R+r′), если известны параметры:
- внешнее сопротивление проводников (R);
- ЭДС источника питания (ε);
- внутреннее сопротивление источника, обладающего ЭДС (r′).
Примечание! Реальные источники питания обладают внутренним сопротивлением. Поскольку в электрической цепи
показатель силы тока может уменьшаться в связи с возрастанием сопротивления источника питания или в результате падения ЭДС. Именно из-за роста внутреннего сопротивления садится аккумулятор и ослабевает ЭДС элементов питания.
Закон Джоуля-Ленца
Казалось бы, что расчет силы тока по количеству тепла, выделяющегося в результате нагревания проводника, не имеет практического применения. Однако это не так. Рассмотрим это на примере.
Пусть требуется найти силу тока во время работы электрочайника. Для этого доведите до кипения 1 кг воды и засеките время в секундах. Предположим, начальная температура составляла 10 ºС. Тогда Q = Cm(τ – τ0) = 4200 Дж/кг× 1 кг (100 – 10) = 378 000 Дж.
Из закона Джоуля-Ленца (изображение на рис. 2) вытекает формула:
Измерив сопротивление электроприбора и подставив значения в формулу, получим величину потребляемого тока.
Измерительными приборами
Если под руками имеются измерительные приборы, то с их помощью довольно просто найти силу тока. Необходимо лишь соблюдать правила измерений и не забывать о правилах безопасности.
Амперметром
Пользуясь приборами для измерения ампеража, следует помнить, что они подключаются в цепи последовательно. Внутреннее сопротивление амперметра очень маленькое, поэтому прибор легко выводится из строя, если проводить измерения пределами значений, для которых он рассчитан.
Схема подключения амперметра показана на рисунке 3. Обратите внимание на то, что на участке измеряемой электрической цепи обязательно должна быть нагрузка.
Большинство аналоговых амперметров, например, таких, как на рисунке 4, предназначены для измерений параметров в цепях с постоянными токами.
Обратите внимание распределение шкалы амперметра. Цена первого деления 50 А, а всех последующих – 10 А. Максимальная величина, которую можно измерить данным амперметром не должна превышать 300 А. Для измерений электрической величины в меньших либо в больших пределах следует применять соответствующие приборы, предназначенные для таких диапазонов. В этом смысле универсальность амперметра ограничена.
При измерениях постоянных токов необходимо соблюдать полярность щупов при подключении амперметра. Для подключения прибора требуется разрывать цепь. Это не всегда удобно. Иногда вычисление силы тока по формуле является предпочтительней, особенно если приходится проводить измерения в сложных электротехнических схемах.
Мультиметром
Преимущество мультиметра в том, что этот прибор многофункциональный. Современные мультиметры цифровые. У них есть режимы для измерений в цепях постоянных и переменных токов. В режиме измерения силы тока этот измерительный прибор подключается в цепь аналогично амперметру.
Перед включением мультиметра в цепь, всегда проверяйте режим измерений, а пределы измерения выбирайте заведомо большие предполагаемой силы тока. После первого измерения можно перейти в режим с меньшим диапазоном.
Для работы с переменным напряжением переводите прибор в соответствующий режим. Считывайте значения с дисплея после того, как цифры перестанут мелькать.
Примеры
Покажем на простых примерах, как решать задачи на вычисление силы тока по формуле.
Задача 1.
На участке цепи имеются три параллельно включенных резистора (см. рис. 5). Значения сопротивлений резисторов: R1 = 5 Ом; R2 = 25 Ом; R3 = 50 Ом. Требуется рассчитать силу тока для каждого резистора и на всём участке, если на нем поддерживается постоянное напряжение 100 В.
Решение: При параллельном соединении нагрузочных элементов U = const, то есть, напряжение одинаково на всех резисторах и составляет 100 В. Тогда, по закону Ома I = U/R
- I1 = U/R1 =100/5 = 20 А;
- I2 = U/R2 =100/25 ≈ 4 А;
- I3 = U/R3 =100/50 = 2 А.
Для вычисления искомого параметра на всем участке цепи, нам необходимо знать общее сопротивление этого участка. Учитывая тот факт, что при параллельном соединении нагрузочных элементов в цепи их общее сопротивление равно:
Имеем: 1/R= 1/5 + 1/25 + 1/50 = 13/50; R = 50/13 ≈ 3.85 (Ом)
Тогда: I = U/R = 100 В/3,85 Ом ≈26 А.
Ответ:
- Сила тока на сопротивлениях: I1 =20 А; I2 = 4А; I3 = 2 А.
- Сила тока, поступающего на рассматриваемый участок цепи равна 26 А.
Задача 2.
Мощность электрочайника 2 кВт. Чайник работает от городской сети под напряжением 220 В. Сколько электричества потребляет этот электроприбор?
Решение:
Воспользуемся формулой для нахождения силы тока, включающей напряжение и мощность: I = P/U.
- 2 кВт преобразим в ватты: 2 кВт = 2000 Вт.
- Подставляем данные: I = 2 000 Вт/ 220 В ≈ 9 А
- Ответ: Нагревательный элемент электрочайника рассчитан на 9 А.
Задача 3.
Вычислить силу тока в цепи, если известно, что сопротивление составляет 5 Ом, ЭДС источника питания 6 В, а его внутреннее сопротивление составляет 1 Ом.
Решение.
Применяя закон Ома для полной цепи, запишем: I = ε / (R+r′)
I = 6 В / (5 Ом + 1 Ом) = 1 А.
Ответ: сила тока 1 А.
Задача 4.
Сколько энергии потребляет электроплита за 2 часа работы, если сопротивление нагревательного элемента 40 Ом?
Решение:
За время t электричество выполнит работу A = U*I*t.
Напряжение сети известно – оно составляет 220 В.Силу тока находим по формуле: I = U/R, тогда A = (U2/R)*t или
A = ((220 В)2 / 40 Ом) * 2 ч = 2420 Втч = 2,42 кВтч
Ответ: За 2 часа работы электроплита потребляет 2,42 кВт часов электроэнергии.
Применяя формулы для вычисления параметров электричества, пользуясь фундаментальными законами физики можно находить неизвестные данные для составных элементов цепей и электроприборов с целью оценки их состояния. В каждом отдельном случае необходимо определить известные параметры тока, которые можно использовать в дальнейших вычислениях. Обычно, это напряжение, мощность или сопротивление нагрузки.
Если можно обойтись без измерений амперметром – лучше прибегнуть к вычислениям, даже если при этом потребуется измерить напряжение. Такое измерение можно проводить без разрыва электрической цепи, чего нельзя сделать при помощи амперметра.
Как разными способами найти силу тока
Содержание
- 1 Зачем нужно находить силу тока
- 2 Вычисление тока, если известны мощность и напряжение
- 3 Определение мощности прибора
- 4 Вычисление тока при известных значениях напряжения и сопротивления
- 5 Использование мощности и сопротивления
- 6 Непосредственное измерение силы тока
- 7 Видео по теме
Знание силы тока в электрической цепи является в некоторых случаях необходимым. Ее определяют не только с помощью непосредственного измерения, но и расчетов. В последнем случае нужную информацию можно получить на основе технических характеристик оборудования.
Зависимости между основными электрическими величинами
Зачем нужно находить силу тока
Любое вещество состоит из атомов, которые включают в себя положительно заряженное ядро и вращающиеся вокруг него электроны. При отсутствии электрического поля движение этих частиц является хаотичным. Но как только проводник становится частью электрической цепи, подключённой к источнику питания, электроны начинают двигаться по направлению к положительному полюсу.
Ток проявляется через заряд. Каждый электрон несёт в себе элементарный отрицательный электрический заряд. Сила тока — это количество электронов, проходящих через поперечное сечение проводника за какой-то отрезок времени. Следовательно, можно сделать вывод, что рассматриваемый параметр определяют заряд и время.
Электроток, выраженный через заряд и время
Найти силу тока в проводнике можно только в том случае, когда электрическая цепь подключена к источнику питания. Например, это может быть включение бытового прибора в электросеть с переменным напряжением, равным 220 В. Разным приборам для работы нужна разная мощность. В некоторых случаях даже выключенное оборудование может потреблять небольшое количество электричества, если оставить его вилку в розетке. Поэтому рассчитать силу тока в цепи можно через мощность и напряжение.
Слишком интенсивный электроток способен создавать проблемы. Он может, например, привести к перегреву деталей или к их разрушению. Если большой ток пройдёт через человека, то это нанесет серьёзный вред его здоровью или даже станет опасным для жизни. Для нормального и безопасного функционирования оборудования важно, чтобы электроток соответствовал установленным нормативам. Определение силы тока по мощности и напряжению позволяет проверить, насколько она соответствует требованиям.
Вычисление тока, если известны мощность и напряжение
Есть простой способ, как узнать ток, зная мощность и напряжение. В данном случае рассчитать постоянный ток можно по формуле:
Расчет для переменного тока через мощность усложняется, поскольку его величина и направление постоянно меняются. Это обстоятельство нужно учитывать при расчетах. Если питание однофазное, то используется такая формула:
Чтобы определить силу переменного тока в трехфазной сети, следует воспользоваться формулой:
При рассмотрении переменного тока нужно учитывать не только активную, но и реактивную мощность. Первая связана с активным сопротивлением, а вторая — с реактивным (ёмкостным и индуктивным). Соотношение между различными видами отражается с помощью cos φ.
Косинус угла «фи» обычно указывают в технической документации прибора. Если эту информацию нельзя получить из документации, то в расчетах очень мощных устройств принимают значение 0.8. Для большинства обычных бытовых приборов в вычислениях используют 0.95.
Подставив в формулу, применяемую для определения силы тока на участке цепи, значения напряжения U = 220 В для однофазной цепи и 380 В для трехфазной, а также cos φ = 0.95, получим следующие выражения:
Как видим, сила тока в трехфазной и однофазной сети при одинаковой нагрузке будет разной. В однофазной она втрое больше, чем в трехфазной.
Определение мощности прибора
Перед тем как найти силу электрического тока, нужно определить величину используемой мощности:
- Ее значение должно указываться в технической документации. Однако она не всегда доступна. В частности, документация может быть утеряна.
- На задней панели приборов часто имеется наклейка, на которой приведены важнейшие характеристики устройства. В числе прочих обычно указывают мощность.
Задняя панель прибора с указанием основных данных
- Можно воспользоваться таблицей с указанием средних значений мощности для различных видов устройств.
Мощность разных приборов
При вычислениях необходимо помнить, что пусковая мощность может превышать рабочую. Расчёт силы тока должен учитывать обе этих величины. Когда пусковая мощность вызывает резкое мгновенное увеличение силы тока, оно не должно превышать допустимой величины. Для бытовой техники пусковую мощность указывают редко. Поэтому перед тем как рассчитать силу тока, необходимо обратиться к соответствующим справочникам, чтобы найти определенное значение мощности. Для получения ее точной величины следует провести измерение ваттметром.
Вычисление тока при известных значениях напряжения и сопротивления
Если известно напряжение и сопротивление, то сила тока вычисляется по формуле, вытекающей из закона Ома:
Если известны значения ЭДС, внутреннего сопротивления и нагрузки, то можно найти силу тока, используя закон Ома для полной цепи:
Использование мощности и сопротивления
Как известно, мощность можно находить по формуле.
Применив в данном выражении закон Ома, можно привести его к следующему виду:
Теперь силу тока можно выразить так:
Следовательно, вычислить силу тока можно разными способами.
Непосредственное измерение силы тока
Величину силы тока можно не только рассчитывать, но и измерять, используя такие приборы, как амперметр или мультиметр. Любой из них при измерениях должен стать частью электрической цепи. Поэтому прибор нужно подключать последовательно.
Если нет большой нужды измерять силу тока амперметром, то лучше вычислить этот параметр, используя формулы, даже если для этого придется измерить напряжение. Вольтметром эта процедура осуществляется без разрыва электроцепи, чего нельзя сделать при использовании амперметра.
Также применяется магнитометрический способ. Примером его использования являются токовые клещи. Перед тем как определить силу электротока, их устанавливают так, чтобы они охватывали провод. Поскольку вокруг проводника при протекании тока образуется магнитное поле, которое клещи улавливают, то по его характеристикам прибор определяет силу тока в цепи.
Видео по теме
Один из способов определения силы тока в резисторе – это ее прямое измерение мультиметром. Измерения следует проводить в разрыве цепи после резистора следующим образом:
– выставить на тестере максимально допустимый диапазон,
– присоединить щупы прибора к месту разрыва цепи.
Применив закон Ома, искомую величину можно также определить расчетным путем:
где I – сила тока, U – напряжение, R – сопротивление (единицы измерения ампер (А), вольт (В), ом (Ом) соответственно).
В приборостроении и электротехнике применяются различные типы соединения и подключения резисторов, что обеспечивает разнообразие электротехнических свойств электрических схем.
Типы соединений резисторов
Соединение элементов в одну цепь осуществляется следующими способами:
-
последовательно;
-
параллельно;
-
смешанно.
Общие схемы типов соединений представлены на рисунке 1.
Рисунок 1. Типы соединений резисторов
Параллельным соединением принято считать соединение, при котором элементы цепи соединены так, что их начала могут соединиться в одной точке, а концы – в другой (см.рис.2)
Рисунок 2. Параллельное соединение резисторов
Потоку заряженных частиц при прохождении участка АВ предоставлено несколько вариантов пути, поэтому на каждом участке с резистором будет протекать ток, величиной, обратно пропорциональной сопротивлению резистора.
При увеличении нагрузки параллельного соединения, в случае подключения большого числа резисторов способом параллельного соединения в электрическую цепь, общее сопротивление цепи значительно уменьшится, за счет увеличения числа путей, предоставленных потоку заряженных частиц. Увеличение количества возможных вариантов движения влечет за собой уменьшение противодействия движению тока.
Как найти сопротивление параллельно соединенных резисторов?
Общее сопротивление резисторов в случае параллельного соединения определено по закону Ома в следующем соотношении:
и рассчитывается по формуле:
Для примера произведем расчет общего сопротивления для цепи из двух резисторов, обладающих сопротивлением R1= R2=7Ом (см. рис.3а)
R12= 7*7/ (7+7) = 3,5Ом
Сопротивление на участке АВ
(1– 2) в 2 раза меньше R каждого из резисторов.
При параллельном подсоединении к рассматриваемой цепи еще одного резистора, также обладающего аналогичным сопротивлением R3=7Ом (см. рис.3б) общее сопротивление цепи рассчитывается с учетом предыдущих вычислений, где R12= 3,5Ом
Rобщ= 3,5*7/ (3,5+7) = 2,33 Ом
R123< R3
Рисунок 3. Увеличение цепи параллельного соединения резисторов
Из расчетов следует, что общее сопротивление (см. рис.3в) всегда будет меньше сопротивления любого параллельно включенного резистора. Такое условие обеспечивается равенством токов на входе и выходе узлов или групп параллельных резисторов и постоянством напряжения в сети.
Что такое последовательное соединение резисторов?
При последовательном соединении резисторы подсоединяются друг за другом, при этом конец предыдущего резистора соединен с началом последующего резистора (рисунок 4).
Рисунок 3. Последовательное соединение резисторов.
Потоку заряженных частиц при прохождении участка АВ предоставлен один путь, поэтому, чем больше резисторов подсоединено, тем большее сопротивление движущимся заряженным частицам они оказывают, то есть общее сопротивление участка цепи Rобщ возрастает.
Формула для расчета общего сопротивления при последовательном соединении имеет вид:
Как рассчитать напряжения на последовательно соединенных резисторах?
Последовательное соединение резисторов увеличивает общее сопротивление. Ток во всех частях схемы будет одинаковым, при этом будет определяться падение напряжения на каждом резисторе.
Общее напряжение питания на резисторах, соединенных последовательно, равно сумме разностей потенциалов на каждом резисторе:
URобщ =UR1+ UR2 + UR3+ UR4
Применив закон Ома, можно вычислить напряжение на каждом резисторе:
UR1=I*R1, UR2=I*R2, UR3=I*R3, UR4=I*R4
Напряжение на участке АВ рассчитывается по формуле:
UАВ=I* (R1
+ R2+R3+R4)
А ток в цепи:
Резисторы, соединенные последовательно, применяются в электротехнике в качестве делителя напряжения.
Рисунок 5. Схема простейшего делителя напряжения
Регулируя сопротивление обоих резисторов можно выделить требуемую часть входящего напряжения. При необходимости деления напряжения на несколько частей к источнику напряжения подключается несколько последовательно соединенных резисторов.
Смешанное соединение резисторов
В электротехнике наиболее распространено использование различных комбинаций параллельного и последовательного подключения. Силу тока при смешанном соединении резисторов определяют путем разделения цепи на последовательно соединенные части. Однако для определения общего сопротивления в случае параллельного сопротивления различных частей следует применять соответствующую формулу.
Алгоритм расчета смешанного подключения аналогичен правилу расчета базовой схемы последовательного и параллельного подключения резисторов. В этом нет ничего нового: нужно правильно разложить предложенное решение на пригодные для расчета части. Участки с элементами подключаются поочередно или параллельно. Гибридное резистивное соединение представляет собой комбинацию последовательного и параллельного. Эту комбинацию иногда называют последовательно-параллельным соединением.
На рисунке 6 представлена схема смешанного соединения резисторов.
Рисунок 6. Смешанное соединение резисторов.
На рисунке показано, что резисторы R2 и R3
соединены параллельно, а R1, R23
и R4 последовательно.
Чтобы рассчитать сопротивление этого соединения, вся схема делится на простейшие части, начиная с параллельного или последовательного сопротивления. Тогда следующий алгоритм выглядит следующим образом:
1. Определите эквивалентное сопротивление части резистора, подключенной параллельно.
2. Если эти части содержат резисторы, включенные последовательно, сначала рассчитайте их сопротивление.
3. Вычислив эквивалентное сопротивление резистора, перерисовываем схему. Обычно схема получается из последовательного эквивалентного сопротивления.
4. Рассчитайте сопротивление цепи.
Другие способы подключения хорошо видны на примере, показанном на рисунке. Без специальных расчетов очевидно, что параллельное соединение резисторов создает несколько путей для тока. Следовательно, в одиночном контуре его сила будет меньше по сравнению с контрольными точками на входе и выходе. При этом напряжение на отметке остается неизменным.
Пример участка цепи для расчета сопротивления смешанного соединения показан на рисунке 5.
Рисунок 7. Общее сопротивление участка цепи со смешанным соединением резисторов.
Приветствую всех, сегодня в рамках курса «Основы электроники» мы рассмотрим основные способы измерения силы тока, напряжения и других параметров электрических цепей. Естественно, без внимания не останутся и основные измерительные приборы, такие как вольтметр и амперметр.
Измерение тока. Амперметр.
И начнем с измерения тока. Прибор, используемый для этих целей, называется амперметр, и в цепь он включается последовательно. Рассмотрим небольшой пример:
Как видите, здесь источник питания подключен напрямую к резистору, символизирующему полезную нагрузку. Кроме того, в цепи присутствует амперметр, включенный последовательно с резистором. По закону Ома сила тока в данной цепи:
I = frac{U}{R} = frac{12}{100} = 0.12
Получили величину, равную 0.12 А, что в точности совпадает с практическим результатом, который демонстрирует амперметр в цепи 👍
Важным параметром этого прибора является его внутреннее сопротивление r_А. Почему это так важно? Смотрите сами — при отсутствии амперметра ток определяется по закону Ома, как мы и рассчитывали чуть выше. Но при наличии амперметра в цепи ток изменится, поскольку изменится общее сопротивление, и мы получим следующее значение:
Если бы амперметр был абсолютно идеальным, и его сопротивление равнялось нулю, то он бы не оказал никакого влияния на работу электрической цепи, параметры которой необходимо измерить, но на практике все не совсем так, и сопротивление прибора не равно 0. Конечно, сопротивление амперметра достаточно мало (поскольку производители стремятся максимально его уменьшить), поэтому во многих примерах и задачах им пренебрегают, но не стоит забывать, что оно все-таки и есть и оно ненулевое.
При разговоре об измерении силы тока невозможно не упомянуть о способе, который позволяет расширить пределы, в которых может работать амперметр. Этот метод заключается в том, что параллельно амперметру включается шунт (резистор), имеющий определенное сопротивление:
R = frac{r_А}{nmedspace-medspace 1}
В этой формуле n — это коэффициент шунтирования — число, которое показывает во сколько раз будут увеличены пределы, в рамках которых амперметр может производить свои измерения. Возможно это все может показаться не совсем понятным и логичным, поэтому сейчас мы рассмотрим практический пример, который позволит во всем разобраться.
Пусть максимальное значение, которое может измерить амперметр составляет 1 А. А схема, силу тока в которой нам нужно определить имеет следующий вид:
Отличие от предыдущей схемы заключается в том, что напряжение источника питания на этой схеме в 100 раз больше, соответственно, и ток в цепи станет больше и будет равен 12 А. Напряжение в 1200 В взято исключительно ради примера, сокровенного практического смысла в этом нет ) Итак, из-за ограничения на максимальное значение измеряемого тока напрямую использовать наш амперметр мы не сможем. Так вот для таких задач и нужно использовать дополнительный шунт:
В данной задаче нам необходимо измерить ток I. Мы предполагаем, что его значение превысит максимально допустимую величину для используемого амперметра, поэтому добавляем в схему еще один элемент, который будет выполнять роль шунта. Пусть мы хотим увеличить пределы измерения амперметра в 25 раз, это значит, что прибор будет показывать значение, которое в 25 раз меньше, чем величина измеряемого тока. Нам останется только умножить показания прибора на известное нам число и получим нужное значение. Для реализации задумки мы должны поставить шунт параллельно амперметру, причем сопротивление его должно быть равно значению, которое мы определяем по формуле:
R = frac{r_А}{nmedspace-medspace 1}
В данном случае n = 25, но мы проведем все расчеты в общем виде, чтобы показать, что величины могут быть абсолютно любыми, принцип шунтирования будет работать одинаково.
Итак, поскольку напряжения на шунте и на амперметре равны, мы можем записать первое уравнение:
I_Аmedspace r_А = I_Rmedspace R
Выразим ток шунта через ток амперметра:
I_R = I_Аmedspace frac{r_А}{R}
Измеряемый ток равен:
Подставим в это уравнение предыдущее выражение для тока шунта:
I = I_А + I_Аmedspace frac{r_А}{R}
Но сопротивление шунта нам также известно (R = frac{r_А}{nmedspace-medspace 1}). В итоге мы получаем:
I = I_Аmedspace (1 + frac{r_Аmedspace (nmedspace-medspace 1)}{r_А}enspace) = I_Аmedspace n
Вот мы и получили то, что и хотели. Значение, которое покажет амперметр в данной цепи будет в n раз меньше, чем сила тока, величину которой нужно измерить.
С измерениями тока в цепи все понятно, давайте перейдем к следующему вопросу, а именно определению напряжения.
Измерение напряжения. Вольтметр.
Прибор, предназначенный для измерения напряжения, называется вольтметр. И, в отличие от амперметра, в цепь он включается параллельно участку цепи, напряжение на котором необходимо определить. И, опять же, в противоположность идеальному амперметру, имеющему нулевое сопротивление, сопротивление идеального вольтметра должно быть равно бесконечности. Давай разберемся, с чем это связано:
Если бы в цепи не было вольтметра, ток через резисторы был бы один и тот же и определялся по Закону Ома следующим образом:
I_1 = I_2 = frac{U}{R_1 + R_2} = frac{30}{10 + 20} = 1
Итак, величина тока составила бы 1 А, а соответственно напряжение на резисторе 2 было бы равно 20 В. С этим все понятно, а теперь мы хотим измерить это напряжение вольтметром и включаем его параллельно с R_2. Если бы сопротивление вольтметра было бы бесконечно большим, то через него просто не потек бы ток (I_B = 0), и прибор не оказал бы никакого воздействия на исходную цепь. Но поскольку r_В имеет конечную величину и не равно бесконечности, то через вольтметр потечет ток. В связи с этим напряжение на резисторе R_2 уже не будет таким, каким бы оно было при отсутствии измерительного прибора. Вот поэтому идеальным был бы такой вольтметр, через который не проходил бы ток.
Как и в случае с амперметром, есть специальный метод, который позволяет увеличить пределы измерения напряжения для вольтметра. Для осуществления этого необходимо включить последовательно с прибором добавочное сопротивление, величина которого определяется по формуле:
R_Д = r_Вmedspace (nmedspace-medspace 1)
Это приведет к тому, что показания вольтметра будут в n раз меньше, чем значение измеряемого напряжения. По традиции давайте рассмотрим небольшой практический пример:
Здесь мы добавили в цепь добавочное сопротивление R_3. Перед нами стоит задача измерить напряжение на резисторе R_2:medspace U_2 = R_2medspace I_2. Давайте определим, какой результат при таком включении выдаст нам вольтметр:
U_2 = I_2medspace R_2 = U_В + I_Вmedspace R_3
Подставим в эту формулу выражение для расчета сопротивления добавочного резистора:
U_2 = U_В + I_Вmedspace (r_Вmedspace (nmedspace-medspace 1)) = U_В + I_Вmedspace r_Вmedspace nmedspace-medspace I_Вmedspace r_В = U_В + U_Вmedspace nmedspace-medspace U_В = U_Вmedspace n
Таким образом: U_В = frac{U_2}{n}. То есть показания вольтметра будут в n раз меньше, чем величина напряжения, которое мы измеряли. Так что, используя данный метод, возможно значительно увеличить пределы измерения вольтметра.
В завершении статьи пару слов об измерении сопротивления и мощности.
Для решения обеих задач возможно совместное использование амперметра и вольтметра. В предыдущих статьях (про мощность и сопротивление) мы подробно останавливались на понятиях сопротивления и мощности и их связи с напряжением и сопротивлением, таким образом, зная ток и напряжение электрической цепи можно произвести расчет нужного нам параметра. Ну а кроме того есть специальные приборы, которые позволяют произвести измерения сопротивления участка цепи (омметр) и мощности (ваттметр).
В общем-то, на этом, пожалуй, на сегодня закончим, следите за обновлениями!
На приборах сила тока, которую они могут выдержать, указывается редко. Основными считаются напряжение и потребляемая мощность. Но в некоторых случаях без определения этой характеристики не обойтись. Мы расскажем, как измерить силу тока мультиметром и как можно использовать полученные данные.
Для чего измерять силу тока
Измерение силы тока в электротехнике проводится реже, чем напряжения или сопротивления. Но она необходима:
- Для определения фактической мощности электроприбора P. Зная напряжение источника U и применив формулу Р=UxI, можно получить значение работы в ваттах.
- Для проверки цепей или отдельных устройств на соответствие данной нагрузке. Если она слишком большая, возможен перегрев проводников и выход приборов из строя.
- Для поиска утечки тока в аккумуляторе. Зачастую автовладельцы обнаруживают, что он разрядился при отсутствии нагрузки в гараже или на стоянке. Простая проверка помогает найти активных потребителей и отключить их, тем самым решить проблему.
- Для расчета необходимой емкости источника. Например, при измерении светодиодной лампы установлено, что сила тока потребления равна 20 мА, а батарейка при данном сопротивлении нагрузки может обеспечить 900 мА. Тогда тока источника хватит на 45 часов работы светодиода.
- Для поиска неисправностей при ремонте бытовой техники. Какие-либо отклонения в потреблении тока в меньшую сторону будут свидетельствовать о наличии неработающих участков.
В электротехнике или радиотехнике сила тока не менее важна, чем напряжение. Для ее определения в профессиональной работе раньше использовались амперметры. С появлением универсальных мультиметров эти исследования стали значительно проще и доступнее.
Особенности измерений
Если представить, что электрический ток — это текущая по трубе вода, а напряжение — действующий напор, то многие понятия и формулы становятся понятными. Когда труба перекрыта, то напор есть, а воды нет. Пока не появится потребитель, то есть нагрузка, он не потечет. А сопротивление — это подводные камни в русле, мешающие свободному прохождению потока, но заставляющие его работать.
Сила тока в физическом понимании — это количество заряженных частиц, протекающих в единицу времени через определенную точку системы. Измеряется она в амперах А или миллиамперах мА.
Измерения проводятся с помощью амперметров, а также бытовых или профессиональных мультиметров. Цифровые измерители просты и удобны в работе. Они позволяют установить не только силу тока и напряжение, но и другие характеристики — сопротивление, емкость конденсаторов, частоту переменного тока и т.д. Опасной для человека считается сила тока, превышающая 15 мА, при которой происходит спазм мышц. А удар в 100 мА — это практически всегда смертельный исход. Поэтому все работы, связанные с сетями под напряжением, должны производиться строго с соблюдением техники безопасности.
Алгоритм измерения силы тока мультиметром
Универсальные тестеры с питанием от батареек помогут быстро и точно определить нужные параметры цепи. Порядок стандартных действий:
- выставляется нужный режим;
- щупы подключаются к разъемам на измерительном приборе;
- мультиметр встраивается в цепь;
- после подключения источника питания снимаются показания.
Главное условие — обязательно должна присутствовать нагрузка, которая собственно и определяет значение силы тока. Это могут быть любые электроприборы с сопротивлением больше 0.
Выбор режима
На корпусе мультиметра расположен переключатель, который нужно перевести в сектор для измерения силы тока. Постоянный ток можно исследовать практически на всех мультиметрах. На шкале для него есть обозначения — А с прямой чертой и 3 пунктирами под ней, DCA и/или значок 10А. Профессиональными приборами можно измерять силу тока до 20 А.
Если параметры тока неизвестны, рекомендуется устанавливать переключатель на максимальный диапазон. Так вы убережете прибор от короткого замыкания и порчи. Затем, когда порядок величины будет установлен, ручку можно повернуть в другую позицию для получения более точных данных.
В некоторых моделях не предусмотрено измерение переменного тока. Но покупать другой мультиметр совсем необязательно. В этом случае можно использовать различные приспособления, например, готовые или самодельные резисторы. Их сопротивлением должно соответствовать 1 Ом. Тогда согласно закону Ома I=U/R снимаемое напряжение численно будет равно силе тока на данном участке цепи.
Также используется метод с выпрямлением диодным мостом. На вход подается переменный ток, а на выходе он постоянный. Затем можно проводить измерения своим мультиметром.
Подключение щупов
Щупы, прилагаемые к мультиметру, изготовлены в разных цветах — черный «минусовый» и красный для нагрузки. Они вставляются в гнезда на корпусе:
- черный в СОМ;
- красный в VΩmA или 10А.
Рекомендуется устанавливать проводники в разъемы с заведомо большим диапазоном, то есть сразу в 10 А. Особенно это важно, если верхний предел величины точно не известен. Измеряемый ток будет сначала определяться грубо, а при необходимости переключатель можно перевести в более тонкий регистр.
Измерение
Мультиметр для определения силы тока всегда подключается в цепь последовательно с нагрузкой или в разрыв. В качестве источника питания можно использовать бытовую электросеть или блок питания. По правилам электробезопасности сначала необходимо собрать всю систему, а затем подключить электричество.
Если на дисплее мультиметра высветились нули, значит, произошел обрыв и проводимость отсутствует. Иногда это показывает, что предел измерений установлен высоковато. В последнем случае нужно отключить питание и перенастроить мультиметр в соответствии с ожидаемой величиной, то есть переставить в другой разъем красный щуп и выставить более низкий предел измерений.
Переменный ток
В большинстве сетей — бытовых или промышленного назначения — протекает переменный ток. Он гораздо легче трансформируется и меньше теряет при передаче на дальние расстояния, чем постоянный.
При измерении напряжения или сопротивления мультиметр подключается параллельно нагрузке, но для определения силы тестер нужно встроить в разрыв цепи. В этом заключается определенная сложность. Но не обязательно резать провода. Можно использовать разборные разъемы. Например, специальную пару проводников со штырьками на одном конце и с «крокодилами» на другом. Штырьки вставляются в розетку, а «крокодилами» замыкают цепь на клеммах или вилке.
Самодельные приспособления также удобны. Если приходится проводить много измерений, то без них не обойтись. На рисунке вы видите устройство, которое поможет в работе без всякой опасности получить удар током.
Важно распределить правильно все проводники: фаза подключается к контакту одной розетки, ноль — к другой, между остальными устанавливается перемычка. Чтобы измерить силу тока, нагрузка подключается к первой розетке, а мультиметр ко второй. При подаче питания в замкнутой цепи легко определить силу тока.
Не разрывая проводника можно провести измерения с помощью токовых клещей. Они предназначены для работы как с переменным, так и постоянным током. Прибор внешне похожи на мультиметр с двумя круглыми зажимами. Между ними помещается исследуемый провод. Принцип установки режимов и диапазона аналогичен мультитестеру.
Постоянный ток
Источники такого тока — это аккумуляторы, блоки питания, генераторы и батареи. Поскольку отсутствует пульсация, «плюс» и «минус» всегда постоянны.
Постоянный ток при низком напряжении менее опасный, чем переменный. Он не вызывает патологических изменений в организме при разряде до 500 В, но свыше уже становится гораздо разрушительнее постоянного. В любом случае при работе с электричеством необходимо быть очень осторожным. Даже банальная батарейка в 9 В при определенных условиях может выдать достаточно травмирующий ток.
Измерение силы постоянного тока производится также в разрыве цепи. Допускается напрямую без нагрузки подключать к мультиметру батарейки с малой емкостью, но снимать показания нужно очень быстро, чтобы не вывести тестер из строя. При этом переключатель выставляется на максимум, а красный щуп помещается в разъем на 10 А.
Определение утечек
Иногда даже после небольшого простоя автомобильная аккумуляторная батарея отказывается давать необходимый заряд для запуска двигателя. В связи с этим владельцев авто интересует, как измерить силу тока аккумулятора мультиметром и откуда появилась утечка.
Аккумулятор — это источник постоянного тока с достаточно большой емкостью. Электроэнергия производится в нем в результате химических реакций, а после разрядки батарея вновь может восполнить нехватку тока от зарядного устройства.
Существует норма утечки тока в системе автомобиля, которая не превышает 30-50 мА. Но даже зимой это не должно стать причиной разрядки аккумулятора. Во время стоянки электроэнергия тратится на работу автомобильных гаджетов — сигнализации, часах, аудиосистемы, навигации и т.д. Энергопотребление их мало — не более нескольких десятков миллиампер.
Критические утечки, которые приводят к разрядке батареи, возникают из-за дополнительных потребителей или короткого замыкания в цепи. Определить их можно с помощью мультиметра:
- Отключить все устройства, потребляющие энергию. Выключить зажигание и вынуть из замка ключ.
- Установить режим измерения постоянной силы тока на 10 А.
- Устроить в цепи разрыв — «минус» аккумулятора подключить к разъему СОМ мультиметра, красный щуп соединить с помощью крокодила с бортовой сетью автомобиля.
В таком состоянии утечек, свыше допустимых 30-50 мА, быть не должно. Но если они присутствуют, придется искать причину. Нештатные потребители могут быть среди установленных самостоятельно устройств — магнитолы, противотуманных фар, подогрева сиденья, сигнализации и т.д.
Чтобы точно определить, что именно из этого является «виновником» энергопотерь, каждый вид оборудования нужно отсоединить от цепи и повторить испытания.
Часто расположенные вблизи движущихся частей автомобиля провода перетираются, что может стать причиной короткого замыкания. Поэтому все электрические коммуникации обследуются на наличие повреждений и изолируются.
Если же и после этих мероприятий добиться устранения утечки не удалось, проверка проводится при отключенных предохранителях и реле. Причины также могут крыться в неисправном генераторе или стартере.
Как измерить силу тока мультиметром в розетке
На такой вопрос есть единственно правильный ответ — это невозможно. В розетке присутствует только напряжение на контактах. Ток появится лишь после подключения нагрузки — лампочки или электроприбора.
Если напрямую подключить мультиметр к розетке, при соединении фазы и 0 в цепи произойдет короткое замыкание, поскольку сопротивление ничтожно мало. В лучшем случае сгорит предохранитель и выйдет из строя сам мультитестер, но последствия могут быть гораздо хуже.
Автоматическая защита домовой сети отреагирует отключением электропитания. Свет погаснет везде, а розетки не будут работать. Кроме того, искры от перегоревшего тестера могут вызвать пожар, ожог и другие неприятности, поэтому не стоит измерять ток в розетке даже ради эксперимента.
Как мультиметром измерить силу тока зарядного устройства
Устройство для зарядки аккумуляторов преобразует переменный ток из сети в постоянный с помощью трансформатора, выпрямителя и стабилизатора напряжения. Для автовладельцев производятся пуско-зарядные устройства — ПЗУ, — которые сочетают функции зарядки аккумулятора и запуска двигателя при севшей батарее. При этом заряда может вовсе не быть или в течение нескольких минут создается частичный заряд, необходимый для начала работы мотора.
В некоторых моделях ЗУ отсутствует индикация заряда, поэтому есть проблема с определением ампеража. Легко проверить силу тока можно обычным мультимером:
- Аккумулятор необходимо снять с автомобиля и подключить к зарядке.
- На мультиметре выставить шкалу на 10 А, а красный щуп вставить в разъем тоже на 10 А.
- «Плюс» зарядного устройства присоединить к положительному полюсу батареи.
- «Минус» зарядника соединить черным щупом с базой мультиметра (гнездо СОМ).
- Красный щуп подключить ко второй клемме аккумулятора.
При включении зарядного устройства в сеть мультитестер покажет силу тока в цепи. Задача будет решена даже без амперметра-индикатора.