Проводник (электрический проводник)
Проводник — это вещество или материал, которое отлично проводит электрический ток.
Как вы все знаете, любое вещество состоит из атомов. Атомы в свою очередь состоят из электронов и ядер. (Подробнее про строение атома).
Давайте для понимания рассмотрим вот такую картинку. Предположим, что пастух — это ядро, а овцы вокруг него — это электроны.
Те овцы, которые находятся рядом с пастухом, не могут от него просто так взять и убежать, так как он присматривает за ними. Иначе останется без мяса и шерсти к осени. Но вот те овцы, которые находятся поодаль от пастуха, имеют все шансы от него убежать.
То же самое можно сказать и про атомы и электроны. Электроны, которые находятся на самой дальней орбите от ядра менее зависимы, чем те, которые расположены ближе к ядру.
В результате, такие электроны могут «оторваться» от ядра и начать самостоятельное путешествие по веществу. Такие электроны называются свободными электронами.
Сопротивление проводника
Удельное сопротивление
И вот мы плавно переходим к другому вопросу, что такое сопротивление проводника? Как я уже говорил выше, чем больше свободных электронов в веществе, тем лучше такое вещество проводит электрический ток. Следовательно, сопротивление проводника зависит от того, сколько свободных электронов содержит такой проводник. Поэтому, в физике есть такое понятие, как удельное сопротивление вещества.
Еще раз. Если в каком-либо веществе полно свободных электронов, то такое вещество будет хорошо проводить электрический ток. Если электронов еще меньше, то такое вещество будет плохо проводить электрический ток. А если свободных электронов почти нет, то такое вещество совсем не будет проводить ток. Поэтому, удельное сопротивление вещества показывает способность этого вещества препятствовать электрическому току, проходящему через него.
Удельное сопротивление выражается в единицах Ом × м.
Формула удельного сопротивления проводника
ρ — это удельное сопротивление, Ом × м
R — сопротивление проводника, Ом
S — площадь поперечного сечения, м 2
l — длина проводника, м
Площадь поперечного сечения проводника — это что-то типа этого:
Формула сопротивления проводника
Итак, мы теперь знаем такую физическую величину, как удельное сопротивление. Теперь мы с легкостью можем найти сопротивление проводника.
ρ — это удельное сопротивление, Ом × м
R — сопротивление проводника, Ом
S — площадь поперечного сечения, м 2
l — длина проводника, м
Длина проводника
Допустим перед нами стоит задача: у нас есть медный провод с поперечным сечением в 0,1 мм 2 . Нам надо получить сопротивление проводника в 1 Ом. Какая длина проводника должна быть?
Оказывается, эта задачка решается очень просто. Достаточно вспомнить формулу выше.
Отсюда получаем, что
Удельное сопротивление меди можно узнать из таблицы. Оно равняется 0,017 Ом × мм 2 /м.
Проводники на печатных платах
Как вы знаете, все схемы состоят из проводов или печатных дорожек, которые соединяют различные радиоэлементы в единое целое. Например, в статье «самый простой усилитель звука«, я с помощью проводов соединял различные радиоэлементы, и у меня получилась схема, которая усиливала звуковые частоты.
Для того, чтобы все было красиво, эстетично и занимало мало пространства, прямо на платах создают «проводки», которые уже называются «печатными дорожками».
В домашних условиях все это делается с помощью технологии ЛУТ (Лазерно-Утюжная-Технология).
На другой стороне печатной платы уже располагаются радиоэлементы
Так как радиолюбители стараются делать свои устройства как можно меньше по габаритам, то и плотность монтажа возрастает. Поэтому, в некоторых случаях радиоэлементы и печатные дорожки располагают по обе стороны платы.
Промышленные печатные платы уже делают многослойными. Они состоят из слоев, как торт из коржей:
Бум SMD технологий вызвал в свою очередь нужду в многослойных печатных платах.
Сверхпроводимость
Также в природе существует и такой эффект, как сверхпроводимость. Сверхпроводимость — это когда некоторые материалы и их сплавы вообще не обладают сопротивлением. То есть их сопротивление очень и очень близко к нулю. Но, спешу вас разочаровать, в простых условиях это получить невозможно, так как это достигается только при критических температурах.
Если желаете больше узнать про материалы, которые используются в электронике и электротехнике, скачайте эту книгу.
Как найти длину проводника формула
Проверка на длительно допустимый ток и потерю напряжения подробнее.
Найти длину проводника очень просто – достаточно его измерить. Однако, если проводник недоступен или имеет очень большую длину, то его непосредственное измерение может оказаться весьма затруднительным.
— строительная рулетка; — амперметр (тестер); — штангенциркуль; — таблица электропроводности металлов.
Чтобы найти длину проводника, измерьте рулеткой длины его отдельных участков и сложите их. Этот метод подходит для открытой электропроводки и замеров провода во временных кабельных соединениях.
Если электропроводка скрытая, то для нахождения точной длины проводника воспользуйтесь соответствующей электромонтажной схемой. Если таковой схемы нет, то попробуйте косвенно восстановить размещение проводов по положению розеток, выключателей, распределительных коробок и т.п. признакам.
Учтите важное правило электромонтажников: все провода должны прокладываться строго горизонтально или вертикально. Причем, горизонтальные участки провода, как правило, проходят вдоль верхнего края стены (под потолком). Однако, действительное расположение проводов сможет определить только специальный прибор или опытный электрик.
Если восстановить траекторию скрытой электропроводки невозможно, то измерьте электрическое сопротивление отдельных участков проводника. Для расчетов уточните также сечение проволоки и материал, из которого она состоит. Как правило, это – медь или алюминий. Так как формула для расчета сопротивления: R = ? * L * s, то длину проводника можно рассчитать по формуле:
где: L – длина проводника, R – сопротивление проводника, ? – удельное сопротивление материала из которого сделан проводник, s – площадь поперечного сечения проводника.
При расчете длины проводника учтите следующие параметры и соотношения.
Удельное сопротивление медного провода составляет 0,0154 — 0,0174 ом, алюминиевого: 0,0262 — 0,0278 ом. (Если длина проводника равна 1 метру, а сечение – 1 мм?).
Сечение проводника равняется:
где: ? — число «пи», приблизительно равное 3,14, D – диаметр проволоки (который легко замерить штангенциркулем).
Если провод смотан в катушку, то определите длину одного витка и умножьте на количество витков.
Если катушка имеет круглое сечение, то измерьте диаметр катушки (средний диаметр обмотки, если она многослойная). Затем умножьте диаметр на число «пи» и на количество витков:
d –диаметр катушки, n – количество витков провода.
Удельное сопротивление есть характеристика материала, вещества из которого сделан проводник.
Электрическое сопротивление проводника прямо пропорционально произведению удельного сопротивления материала из которого сделан проводник на его длинну, и обратно пропорционально его сечению.
| электрическое сопротивление проводника, | Ом |
| удельное сопротивление материала проводника, | Ом·м |
| длина проводника, | Метр |
| сечение проводника, | Метр2 |
Единица СИ удельного сопротивления
Удельное сопротивление ρ зависит от температуры.
Как найти с помощью формулы напряжение
Людей, интересующихся электричеством и физикой, всегда волнует вопрос, как найти напряжения, если известны другие характеристики. Его можно найти через многие формулы: в соответствии с законом Ома, через работу тока, путём сложения всех напряжений в электрической цепи и практическим способом – с помощью вольтметра. Как вычислить показатель с помощью последнего способа было описано выше.
Важно! В цепях с последовательным соединением общее напряжение – сумма значений каждой нагрузки. При параллельном соединении общее напряжение равно значению каждой лампочки, у которых оно также эквивалентно.
Вам это будет интересно Определение тока короткого замыкания
Измерение напряжения
По каким формулам вычисляется напряжение через работу и сама сила тока, рассказывают на уроках физики, так как эти величины считаются базовыми. Работа тока равна произведению напряжения и заряда: A = U*q. Также, из этой формулы выводится A = U*I*t, так как заряд – произведение силы тока и времени. Из них следует, что U = A/q или U = A/(I*t). Кроме того, одной из основных является формула напряжения, выведенная из закона Ома: U = R/I.
Важно! Определить напряжение можно и через мощность электрического тока. Мощность [P] равна A/t, и, так как A = U*I*t, конечная формула выглядит, как P = (U*I*t)/t. Здесь t сократится, и останется P = U*I, из которой следует, что U = P/I.
Расчет и выбор сечения провода различными способами
Понимание всех параметров и процессов происходящих с электричеством, является залогом правильного выбора кабеля . Данная статья поэтапно объясняет взаимосвязи физических величин, влияющих на надёжную работу энергосети, её безопасную эксплуатацию.
Известно, что все металлы имеют свободные электроны, которые двигаются при наличии приложенного электрического напряжения, создавая электрический ток. Ударяясь об атомы, они теряют энергию, которая переходит в тепловую. Чем больше ток, — тем гуще поток частиц, и чем меньше поперечный разрез проводника, через который они проходят, тем им «тесней», — столкновения чаще, теряется полезная энергия, увеличивается выделение бесполезного, а зачастую опасного тепла.
Лавина тепла
Важно! При росте температуры, растёт удельное сопротивление, увеличивается выделение тепла, что приводит к лавинообразному процессу быстрого разогрева с катастрофическими последствиями.
Существуют сложные формулы, рассчитывающие тепловой баланс, использующие коэффициент плавления и термический коэффициент сопротивления проводника, для определения площади сечения токопроводящей жилы .
Но, в быту применяются уже готовые таблицы, в которых учтена возможность перегрева кабеля в скрытой проводке — в этом случае для одинаковых значений по току и мощности, сечение предписывается большим для кабеля в плохо вентилируемых и термоизолированных местах, чтобы нагрев не был больше допустимого.
Решение на практике
Осуществляется использованием специальных таблиц, стандартов ПУЭ, по которым происходит выбор сечения кабеля. Значение поперечного сечения проводника выбирают несколькими способами:
- Расчет сечения провода по мощности;
- Выбор провода по току;
- Если провод уже есть, но неизвестного сечения.
Выбор по мощности
На каждом электроприборе указывается его номинальная мощность. Суммируя мощности электроприборов, которые планируется подключать к проектируемой электросети одновременно — получить некоторое число, и по таблице подобрать соответствующее сечение медного или алюминиевого кабеля, выбирая подходящее значение мощности.
Прежде всего необходимо учитывать какая предполагается нагрузка на электропроводку, которую мы собираемся прокладывать. В случае когда на одном участке электросети будет находиться несколько электроприборов, то для подсчета предполагаемой нагрузки мы складываем все их мощности. После подсчета этого показателя мы анализируем способ, каким будем прокладывать электросети (открытый или закрытый), а также воздействие какого температурного режима будет оказываться на провода.
Также рассчитать правильную величину сечения кабеля очень важно по той причине, что ошибки в подсчетах приведут к потерям мощности в проводах. Если для бытовых приборов это не столь существенно, то в промышленных масштабах это может привести к достаточно серьезным растратам.
Итак , берем листок и ручку выписываем все электроприборы находящиеся у Вас в квартире и складываем их мощности :
где P1- это мощность, например, чайника в 1,5 кВт, P2-мощность пылесоса в 1,6 кВт и т.д.
После того как все мощности сложили необходимо суммарную мощность умножить на коэффициент одновременности K=0.8 . Этот коэффициент показывает что в определенный период времени все электроприборы в квартире будут работать , но не продолжительное время , а короткий промежуток времени , это нужно обязательно учитывать , т.к. если вы будете выбирать сечение провода только по мощности вы выберете сечение провода больше , а это может оказаться существенно дороже .
Итак , у нас получается :
После подсчета общей мощности выбираем сечение провода (медный или алюминиевый) в таблице 1 :
Таблица 1 — Выбор сечения провода по мощности
Важно ! Если в будущем вы собираетесь увеличивать нагрузку , то необходимо заранее увеличить сечение провода это замечание применяется для всех способов определения сечения провода.
Выбор по току
В таблице 2 можно найти соответствия сечений к номинальному току. Подбор по этому параметру считается более точным. Необходимо посмотреть в паспорта и на бирки электроприборов, обычно указывается номинальная мощность, и далее проделать те же процедуры что и в выше описанном способе.
Далее по формуле мы определяем ток , который максимально действует в линии и на основании этого выбираем сечение провода (формула применима для однофазной сети 220 В):
где Pобщ. — общая мощность электроприборов (Вт).
Есть возможность измерить амперметром ток для каждого потребителя в отдельности своими руками и далее просто просуммировать ток .
Для этого тестер подключают в разрыв цепи — на практике можно взять кусок сетевого провода с вилкой, подключить одну жилу к клемме розетки, другую подать на измерительный прибор. Другой щуп амперметра подсоединить к свободной клемме розетки, и в неё поочерёдно включать имеющуюся бытовую технику, в разных режимах работы, сверяясь с параметрами, заявленными производителями.
Если у Вас трехфазная сеть , необходимо ток найти по этой формуле :
После того как просуммировали токи электроприборов, выбираем по таблице сечение проводника:
Таблица 2 Соотношение силы тока и сечения проводника
Еще один момент , если в вашей трехфазной сети присутствуют электрические двигатели , то ток этого двигателя определяется по формуле:
где — P это мощность двигателя , n- КПД двигателя (есть на бирке двигателя), COS f- коэффициент мощности (также смотрим на бирку) .
И последнее , в трехфазной сети суммируем рассчитанные токи двигателей и рассчитанные токи электроприборов и выбираем из таблицы 2 сечение проводника.
Нужно учитывать еще один момент — это прокладка кабеля. Она может быть открытого типа или закрытого , соответственно и токовые нагрузки будут различаться, поэтому при выборе сечения провода обратите на это внимание. В таблице 2 вы можете проанализировать этот момент
Провод уже есть
В обратной ситуации, когда имеется кабель, но не видно маркировки, необходимо узнать его номинальный ток и мощность, для этого измеряем диаметр провода штангенциркулем, или микрометром. Можно обойтись линейкой, если жила достаточно гибкая, намотать её на тонкий прут, измерить длину получившейся спирали, разделить на количество витков — результат будет соответствовать диаметру.
По формуле вычисляем площадь поперечного сечения проводника:
где π- 3,14 , D — диаметр проводника, можно взять штангенциркуль и померить диаметр (мм)
Методом подбора по сечению из таблицы 1 , можно узнать, для какой мощности сгодится имеющийся кабель.
Выбирать сечение кабеля лучше с запасом. Запрещается эксплуатация кабеля, смотанного в бухту(катушку), ввиду её индуктивного сопротивления.
Монтаж алюминиевого кабеля проводить с особой осторожностью — частое сгибание и разгибание продуцирует невидимые трещины, которые уменьшают сечение, в этом месте растёт сопротивление и происходит точечный перегрев.
Проверка по длине
Фактор длины проводника l также увеличивает сопротивление в сети . Им можно пренебречь на небольшом расстоянии, но по мере его увеличения, падение напряжения на нагрузке будет всё ощутимым, и оно может стать ниже номинального значения — 5 %.
Разберем подробнее , во избежание этого, рассчитывают площадь поперечного сечения всего кабеля, допуская некоторое его значение и используя его в формуле определения сопротивления:
где l — длина провода (м), ϱ — удельное сопротивление проводника (Ом*мм²/м) (см. в таблице 2 ), S — площадь поперечного сечения проводника, определяется из вышеописанного способа (мм²)
Таблица 3- удельное сопротивления металлов:
Далее , по закону Ома находим падение напряжения:
где I — это суммарная сила тока в вашей сети (А), R — рассчитанное сопротивление (Ом).
И последнее , определяем потери в сети . Рассчитанное падение напряжения делим на напряжение в сети и умножаем на 100 %.
Если полученное значение превышает 5% от напряжения сети — сечение кабеля необходимо увеличить по в таблице 1.
Как провести расчет кабеля по мощности и по его длине
Расчет производственных электрических сетей проводится на основе нескольких технических показателей. Но когда дело доходит до бытовых линий, то обычно берется за основу один параметр – это мощность бытовых приборов и освещения.
Поэтому расчет кабеля по мощности – единственно правильный метод грамотно собрать электрическую разводку дома. Конечно, придется учитывать и длину каждого шлейфа, ведь современные частные дома – это иногда целые дворцы, где проложено километры кабеля.
Но в основе расчета все равно лежит мощность.
Начнем с того, что мощностные характеристики бытовых приборов можно обнаружить на самих приборах или в сопроводительной документации к ним (паспорт, инструкция и так далее). Обратите внимание, что на некоторых приборах указываются две величины: среднее значение мощности и максимальное. Для расчета необходимо именно второе.
Необходимо отметить, что некоторые бытовые приборы работают в разных режимах. К примеру, стиральная машина может потреблять всего лишь несколько десятков ватт в режиме полоскания, или сотни ватт в режиме стирки, ну и несколько киловатт в режиме нагрева воды и кипячения.
То есть, в определенный момент машинка потребляет разную мощность.
Определить, в какой точно момент будет производиться стирка с кипячением, никто не может, поэтому для того, чтобы произвести правильный подбор кабеля, необходимо взять за основу именно максимальный показатель мощности.
Кстати, точно также придется рассчитывать и электрическую проводку для кондиционера. Ведь этот прибор будет при режиме простой вентиляции потреблять всего лишь 50-60 ватт, а при кондиционировании 1,0-1,0 кВт.
Параметры для проведения расчета
Запомните один момент – электрическая сеть дома разбивается на участки (шлейфы), в которых необходимо провести расчет по отдельности. Плюс рассчитать сечение провода общего, подводящего к дому.
Все дело в том, что количество бытовых приборов и источников света в разных комнатах будет отличаться. К примеру, на кухне их будет больше, в прихожей кроме освещения вообще ничего нет.
К тому же современный подход к электроразводке требует разделения участков в комнатах на две группы: освещение и розетки. То есть, к каждой группе будет вести свой отдельный провод.
Давайте рассмотрим, как правильно провести расчет сечения кабеля по мощности в одной комнате, где используется несколько бытовых приборов. Итак, вводные данные.
- Максимальная суммарная нагрузка всех потребителей. Как уже было сказано выше, эти показатели можно найти в паспорте изделия или на бирках самого прибора. Если ни того, ни другого не осталось, то единственная вам дорога – это Интернет. Сегодня в сети много сайтов, предлагающих таблицы с параметрами мощности каждого бытового прибора. Так что это сегодня не проблема.
- Напряжение сети. Это или 220 вольт, или 380 вольт.
- Материал, из которого изготовлен электрический провод. В принципе, разнообразие здесь небольшое, всего лишь две позиции: медь или алюминий. Не будем вдаваться в подробности, таблица соотношения сечения кабеля и материала в Интернете тоже есть. Единственное отметим, что при одинаковой мощности потребления можно устанавливать медный кабель меньшего сечения по сравнению с алюминиевым.
Расчет сечения
Итак, в первую очередь необходимо просуммировать мощности всех бытовых приборов. Это совсем просто, можно сделать даже в уме. К примеру, результат будет равен 7,5 кВт. Кстати говоря, это средняя величина нагрузки в большинстве городских квартир. Буквально лет так двадцать тому назад этот показатель не превышал 5 кВт. Все дело в росте количества используемых нами бытовых приборов.
Теперь переходим к реализации выбора материала электрического провода. Сравнивая по таблице, можно сделать вывод, что в случае с медным кабелем значение сечения будет равно 4 мм², с алюминиевым – 6 мм². При этом медный сечением 4 мм² может выдержать нагрузку до 8,3 кВт, алюминиевый до 7,9 кВт.
То есть, уже заложен определенный запас прочности, что повышает надежность эксплуатации электрической разводки.
Внимание! В независимости от того, что запас по мощности уже определен, рекомендуется сечение кабеля брать чуть больше (до следующего показателя). Это делается на будущее, ведь есть большая вероятность, что в доме появятся новые бытовые приборы, который увеличат суммарную нагрузку на сеть.
Теперь, что касается трехфазной сети. Во многих частных домах подводится именно три фазы, да и в некоторых городских квартирах они также присутствуют. В принципе, что такое трехфазная сеть? Это три фазы и ноль. То есть, получается так, что в дом заходит срезу три однофазные сети.
Все расчеты, связанные с мощностью и сечением провода, проводятся точно так же, как с однофазной сетью. Правда, есть одно жесткое требование – распределить общую нагрузку нужно равномерно по фазам. Все тот же пример, где потребляемая мощность дома составляет 7,5 кВт.
Так вот данный показатель на каждой фазе должна быть по 2,5 кВт.
О чем это говорит? Вспоминайте наш пример, где было рассчитано сечение кабеля на однофазную сеть при нагрузке 7,5 кВт. Было определено, что оптимальный вариант для этого – медный провод сечением 4 мм². Так как общая нагрузка сети разбита на три фазы, то соответственно на каждую из них необходим провод, сечение которого соответствует мощности 2,5 кВт. А это – 1,5 мм².
Зависимость площади электрического провода от его длины
Обычно сечение провода рассчитывается по мощности и длине. То есть, чем длиннее проводка, тем больше потерь по мощности в виду того, что металлический провод имеет сопротивление. И оно возрастает по мере увеличения длины кабеля.
Так как в частных домах шлейфы электрической проводки не столь длинные, то этим расчетом можно пренебречь. В промышленности все по-другому, зависимость длины кабеля и сечение через потери мощности явные. Поэтому для информации рассмотрим такой расчет для однофазной сети.
Чему равно напряжение.
Напряжение напрямую связано с работой тока, зарядом и сопротивлением. Чтобы измерить напряжение непосредственно в электрической цепи, к ней нужно подключить вольтметр. Он присоединяется к цепи параллельно, в отличие от амперметра, который подключается последовательно. Зажимы измерительного прибора крепятся к тем точкам, между которыми нужно вычислить напряжение. Чтобы он правильно показал значение, нужно включить цепь. На схемах вольтметр обозначается буквой V, обведенной в кружок.
Изображение вольтметра и электрической цепи
Напряжение обозначается латинской [U], а измеряется в [В]. Оно равно работе, которое совершает поле при перемещении единичного заряда. Формула напряжения тока – это U = A/q, где A – работа тока, q – заряд, а U – само напряжение.
Вам это будет интересно Особенности танталовых конденсаторов
Обратите внимание! В отличие от магнитного поля, где заряды неподвижны, в электрическом поле они находятся в постоянном движении.
Электрическое поле
В чем измеряется длина проводника
Проверка на длительно допустимый ток и потерю напряжения подробнее.
Найти длину проводника очень просто – достаточно его измерить. Однако, если проводник недоступен или имеет очень большую длину, то его непосредственное измерение может оказаться весьма затруднительным.
— строительная рулетка; — амперметр (тестер); — штангенциркуль; — таблица электропроводности металлов.
Чтобы найти длину проводника, измерьте рулеткой длины его отдельных участков и сложите их. Этот метод подходит для открытой электропроводки и замеров провода во временных кабельных соединениях.
Если электропроводка скрытая, то для нахождения точной длины проводника воспользуйтесь соответствующей электромонтажной схемой. Если таковой схемы нет, то попробуйте косвенно восстановить размещение проводов по положению розеток, выключателей, распределительных коробок и т.п. признакам.
Учтите важное правило электромонтажников: все провода должны прокладываться строго горизонтально или вертикально. Причем, горизонтальные участки провода, как правило, проходят вдоль верхнего края стены (под потолком). Однако, действительное расположение проводов сможет определить только специальный прибор или опытный электрик.
Если восстановить траекторию скрытой электропроводки невозможно, то измерьте электрическое сопротивление отдельных участков проводника. Для расчетов уточните также сечение проволоки и материал, из которого она состоит. Как правило, это – медь или алюминий. Так как формула для расчета сопротивления: R = ? * L * s, то длину проводника можно рассчитать по формуле:
где: L – длина проводника, R – сопротивление проводника, ? – удельное сопротивление материала из которого сделан проводник, s – площадь поперечного сечения проводника.
При расчете длины проводника учтите следующие параметры и соотношения.
Удельное сопротивление медного провода составляет 0,0154 — 0,0174 ом, алюминиевого: 0,0262 — 0,0278 ом. (Если длина проводника равна 1 метру, а сечение – 1 мм?).
Сечение проводника равняется:
где: ? — число «пи», приблизительно равное 3,14, D – диаметр проволоки (который легко замерить штангенциркулем).
Если провод смотан в катушку, то определите длину одного витка и умножьте на количество витков.
Если катушка имеет круглое сечение, то измерьте диаметр катушки (средний диаметр обмотки, если она многослойная). Затем умножьте диаметр на число «пи» и на количество витков:
d –диаметр катушки, n – количество витков провода.
Удельное сопротивление есть характеристика материала, вещества из которого сделан проводник.
Электрическое сопротивление проводника прямо пропорционально произведению удельного сопротивления материала из которого сделан проводник на его длинну, и обратно пропорционально его сечению.
| электрическое сопротивление проводника, | Ом |
| удельное сопротивление материала проводника, | Ом·м |
| длина проводника, | Метр |
| сечение проводника, | Метр2 |
Единица СИ удельного сопротивления
Удельное сопротивление ρ зависит от температуры.
Как найти с помощью формулы напряжение
Людей, интересующихся электричеством и физикой, всегда волнует вопрос, как найти напряжения, если известны другие характеристики. Его можно найти через многие формулы: в соответствии с законом Ома, через работу тока, путём сложения всех напряжений в электрической цепи и практическим способом – с помощью вольтметра. Как вычислить показатель с помощью последнего способа было описано выше.
Важно! В цепях с последовательным соединением общее напряжение – сумма значений каждой нагрузки. При параллельном соединении общее напряжение равно значению каждой лампочки, у которых оно также эквивалентно.
Вам это будет интересно Определение тока короткого замыкания
Измерение напряжения
По каким формулам вычисляется напряжение через работу и сама сила тока, рассказывают на уроках физики, так как эти величины считаются базовыми. Работа тока равна произведению напряжения и заряда: A = U*q. Также, из этой формулы выводится A = U*I*t, так как заряд – произведение силы тока и времени. Из них следует, что U = A/q или U = A/(I*t). Кроме того, одной из основных является формула напряжения, выведенная из закона Ома: U = R/I.
Важно! Определить напряжение можно и через мощность электрического тока. Мощность [P] равна A/t, и, так как A = U*I*t, конечная формула выглядит, как P = (U*I*t)/t. Здесь t сократится, и останется P = U*I, из которой следует, что U = P/I.
Расчет и выбор сечения провода различными способами
Понимание всех параметров и процессов происходящих с электричеством, является залогом правильного выбора кабеля . Данная статья поэтапно объясняет взаимосвязи физических величин, влияющих на надёжную работу энергосети, её безопасную эксплуатацию.
Известно, что все металлы имеют свободные электроны, которые двигаются при наличии приложенного электрического напряжения, создавая электрический ток. Ударяясь об атомы, они теряют энергию, которая переходит в тепловую. Чем больше ток, — тем гуще поток частиц, и чем меньше поперечный разрез проводника, через который они проходят, тем им «тесней», — столкновения чаще, теряется полезная энергия, увеличивается выделение бесполезного, а зачастую опасного тепла.
Лавина тепла
Важно! При росте температуры, растёт удельное сопротивление, увеличивается выделение тепла, что приводит к лавинообразному процессу быстрого разогрева с катастрофическими последствиями.
Существуют сложные формулы, рассчитывающие тепловой баланс, использующие коэффициент плавления и термический коэффициент сопротивления проводника, для определения площади сечения токопроводящей жилы .
Но, в быту применяются уже готовые таблицы, в которых учтена возможность перегрева кабеля в скрытой проводке — в этом случае для одинаковых значений по току и мощности, сечение предписывается большим для кабеля в плохо вентилируемых и термоизолированных местах, чтобы нагрев не был больше допустимого.
Решение на практике
Осуществляется использованием специальных таблиц, стандартов ПУЭ, по которым происходит выбор сечения кабеля. Значение поперечного сечения проводника выбирают несколькими способами:
- Расчет сечения провода по мощности;
- Выбор провода по току;
- Если провод уже есть, но неизвестного сечения.
Выбор по мощности
На каждом электроприборе указывается его номинальная мощность. Суммируя мощности электроприборов, которые планируется подключать к проектируемой электросети одновременно — получить некоторое число, и по таблице подобрать соответствующее сечение медного или алюминиевого кабеля, выбирая подходящее значение мощности.
Прежде всего необходимо учитывать какая предполагается нагрузка на электропроводку, которую мы собираемся прокладывать. В случае когда на одном участке электросети будет находиться несколько электроприборов, то для подсчета предполагаемой нагрузки мы складываем все их мощности. После подсчета этого показателя мы анализируем способ, каким будем прокладывать электросети (открытый или закрытый), а также воздействие какого температурного режима будет оказываться на провода.
Также рассчитать правильную величину сечения кабеля очень важно по той причине, что ошибки в подсчетах приведут к потерям мощности в проводах. Если для бытовых приборов это не столь существенно, то в промышленных масштабах это может привести к достаточно серьезным растратам.
Итак , берем листок и ручку выписываем все электроприборы находящиеся у Вас в квартире и складываем их мощности :
где P1- это мощность, например, чайника в 1,5 кВт, P2-мощность пылесоса в 1,6 кВт и т.д.
После того как все мощности сложили необходимо суммарную мощность умножить на коэффициент одновременности K=0.8 . Этот коэффициент показывает что в определенный период времени все электроприборы в квартире будут работать , но не продолжительное время , а короткий промежуток времени , это нужно обязательно учитывать , т.к. если вы будете выбирать сечение провода только по мощности вы выберете сечение провода больше , а это может оказаться существенно дороже .
Итак , у нас получается :
После подсчета общей мощности выбираем сечение провода (медный или алюминиевый) в таблице 1 :
Таблица 1 — Выбор сечения провода по мощности
Важно ! Если в будущем вы собираетесь увеличивать нагрузку , то необходимо заранее увеличить сечение провода это замечание применяется для всех способов определения сечения провода.
Выбор по току
В таблице 2 можно найти соответствия сечений к номинальному току. Подбор по этому параметру считается более точным. Необходимо посмотреть в паспорта и на бирки электроприборов, обычно указывается номинальная мощность, и далее проделать те же процедуры что и в выше описанном способе.
Далее по формуле мы определяем ток , который максимально действует в линии и на основании этого выбираем сечение провода (формула применима для однофазной сети 220 В):
где Pобщ. — общая мощность электроприборов (Вт).
Есть возможность измерить амперметром ток для каждого потребителя в отдельности своими руками и далее просто просуммировать ток .
Для этого тестер подключают в разрыв цепи — на практике можно взять кусок сетевого провода с вилкой, подключить одну жилу к клемме розетки, другую подать на измерительный прибор. Другой щуп амперметра подсоединить к свободной клемме розетки, и в неё поочерёдно включать имеющуюся бытовую технику, в разных режимах работы, сверяясь с параметрами, заявленными производителями.
Если у Вас трехфазная сеть , необходимо ток найти по этой формуле :
После того как просуммировали токи электроприборов, выбираем по таблице сечение проводника:
Таблица 2 Соотношение силы тока и сечения проводника
Еще один момент , если в вашей трехфазной сети присутствуют электрические двигатели , то ток этого двигателя определяется по формуле:
где — P это мощность двигателя , n- КПД двигателя (есть на бирке двигателя), COS f- коэффициент мощности (также смотрим на бирку) .
И последнее , в трехфазной сети суммируем рассчитанные токи двигателей и рассчитанные токи электроприборов и выбираем из таблицы 2 сечение проводника.
Нужно учитывать еще один момент — это прокладка кабеля. Она может быть открытого типа или закрытого , соответственно и токовые нагрузки будут различаться, поэтому при выборе сечения провода обратите на это внимание. В таблице 2 вы можете проанализировать этот момент
Провод уже есть
В обратной ситуации, когда имеется кабель, но не видно маркировки, необходимо узнать его номинальный ток и мощность, для этого измеряем диаметр провода штангенциркулем, или микрометром. Можно обойтись линейкой, если жила достаточно гибкая, намотать её на тонкий прут, измерить длину получившейся спирали, разделить на количество витков — результат будет соответствовать диаметру.
По формуле вычисляем площадь поперечного сечения проводника:
где π- 3,14 , D — диаметр проводника, можно взять штангенциркуль и померить диаметр (мм)
Методом подбора по сечению из таблицы 1 , можно узнать, для какой мощности сгодится имеющийся кабель.
Выбирать сечение кабеля лучше с запасом. Запрещается эксплуатация кабеля, смотанного в бухту(катушку), ввиду её индуктивного сопротивления.
Монтаж алюминиевого кабеля проводить с особой осторожностью — частое сгибание и разгибание продуцирует невидимые трещины, которые уменьшают сечение, в этом месте растёт сопротивление и происходит точечный перегрев.
Проверка по длине
Фактор длины проводника l также увеличивает сопротивление в сети . Им можно пренебречь на небольшом расстоянии, но по мере его увеличения, падение напряжения на нагрузке будет всё ощутимым, и оно может стать ниже номинального значения — 5 %.
Разберем подробнее , во избежание этого, рассчитывают площадь поперечного сечения всего кабеля, допуская некоторое его значение и используя его в формуле определения сопротивления:
где l — длина провода (м), ϱ — удельное сопротивление проводника (Ом*мм²/м) (см. в таблице 2 ), S — площадь поперечного сечения проводника, определяется из вышеописанного способа (мм²)
Таблица 3- удельное сопротивления металлов:
Далее , по закону Ома находим падение напряжения:
где I — это суммарная сила тока в вашей сети (А), R — рассчитанное сопротивление (Ом).
И последнее , определяем потери в сети . Рассчитанное падение напряжения делим на напряжение в сети и умножаем на 100 %.
Если полученное значение превышает 5% от напряжения сети — сечение кабеля необходимо увеличить по в таблице 1.
Как провести расчет кабеля по мощности и по его длине
Расчет производственных электрических сетей проводится на основе нескольких технических показателей. Но когда дело доходит до бытовых линий, то обычно берется за основу один параметр – это мощность бытовых приборов и освещения.
Поэтому расчет кабеля по мощности – единственно правильный метод грамотно собрать электрическую разводку дома. Конечно, придется учитывать и длину каждого шлейфа, ведь современные частные дома – это иногда целые дворцы, где проложено километры кабеля.
Но в основе расчета все равно лежит мощность.
Начнем с того, что мощностные характеристики бытовых приборов можно обнаружить на самих приборах или в сопроводительной документации к ним (паспорт, инструкция и так далее). Обратите внимание, что на некоторых приборах указываются две величины: среднее значение мощности и максимальное. Для расчета необходимо именно второе.
Необходимо отметить, что некоторые бытовые приборы работают в разных режимах. К примеру, стиральная машина может потреблять всего лишь несколько десятков ватт в режиме полоскания, или сотни ватт в режиме стирки, ну и несколько киловатт в режиме нагрева воды и кипячения.
То есть, в определенный момент машинка потребляет разную мощность.
Определить, в какой точно момент будет производиться стирка с кипячением, никто не может, поэтому для того, чтобы произвести правильный подбор кабеля, необходимо взять за основу именно максимальный показатель мощности.
Кстати, точно также придется рассчитывать и электрическую проводку для кондиционера. Ведь этот прибор будет при режиме простой вентиляции потреблять всего лишь 50-60 ватт, а при кондиционировании 1,0-1,0 кВт.
Параметры для проведения расчета
Запомните один момент – электрическая сеть дома разбивается на участки (шлейфы), в которых необходимо провести расчет по отдельности. Плюс рассчитать сечение провода общего, подводящего к дому.
Все дело в том, что количество бытовых приборов и источников света в разных комнатах будет отличаться. К примеру, на кухне их будет больше, в прихожей кроме освещения вообще ничего нет.
К тому же современный подход к электроразводке требует разделения участков в комнатах на две группы: освещение и розетки. То есть, к каждой группе будет вести свой отдельный провод.
Давайте рассмотрим, как правильно провести расчет сечения кабеля по мощности в одной комнате, где используется несколько бытовых приборов. Итак, вводные данные.
- Максимальная суммарная нагрузка всех потребителей. Как уже было сказано выше, эти показатели можно найти в паспорте изделия или на бирках самого прибора. Если ни того, ни другого не осталось, то единственная вам дорога – это Интернет. Сегодня в сети много сайтов, предлагающих таблицы с параметрами мощности каждого бытового прибора. Так что это сегодня не проблема.
- Напряжение сети. Это или 220 вольт, или 380 вольт.
- Материал, из которого изготовлен электрический провод. В принципе, разнообразие здесь небольшое, всего лишь две позиции: медь или алюминий. Не будем вдаваться в подробности, таблица соотношения сечения кабеля и материала в Интернете тоже есть. Единственное отметим, что при одинаковой мощности потребления можно устанавливать медный кабель меньшего сечения по сравнению с алюминиевым.
Расчет сечения
Итак, в первую очередь необходимо просуммировать мощности всех бытовых приборов. Это совсем просто, можно сделать даже в уме. К примеру, результат будет равен 7,5 кВт. Кстати говоря, это средняя величина нагрузки в большинстве городских квартир. Буквально лет так двадцать тому назад этот показатель не превышал 5 кВт. Все дело в росте количества используемых нами бытовых приборов.
Теперь переходим к реализации выбора материала электрического провода. Сравнивая по таблице, можно сделать вывод, что в случае с медным кабелем значение сечения будет равно 4 мм², с алюминиевым – 6 мм². При этом медный сечением 4 мм² может выдержать нагрузку до 8,3 кВт, алюминиевый до 7,9 кВт.
То есть, уже заложен определенный запас прочности, что повышает надежность эксплуатации электрической разводки.
Внимание! В независимости от того, что запас по мощности уже определен, рекомендуется сечение кабеля брать чуть больше (до следующего показателя). Это делается на будущее, ведь есть большая вероятность, что в доме появятся новые бытовые приборы, который увеличат суммарную нагрузку на сеть.
Теперь, что касается трехфазной сети. Во многих частных домах подводится именно три фазы, да и в некоторых городских квартирах они также присутствуют. В принципе, что такое трехфазная сеть? Это три фазы и ноль. То есть, получается так, что в дом заходит срезу три однофазные сети.
Все расчеты, связанные с мощностью и сечением провода, проводятся точно так же, как с однофазной сетью. Правда, есть одно жесткое требование – распределить общую нагрузку нужно равномерно по фазам. Все тот же пример, где потребляемая мощность дома составляет 7,5 кВт.
Так вот данный показатель на каждой фазе должна быть по 2,5 кВт.
О чем это говорит? Вспоминайте наш пример, где было рассчитано сечение кабеля на однофазную сеть при нагрузке 7,5 кВт. Было определено, что оптимальный вариант для этого – медный провод сечением 4 мм². Так как общая нагрузка сети разбита на три фазы, то соответственно на каждую из них необходим провод, сечение которого соответствует мощности 2,5 кВт. А это – 1,5 мм².
Зависимость площади электрического провода от его длины
Обычно сечение провода рассчитывается по мощности и длине. То есть, чем длиннее проводка, тем больше потерь по мощности в виду того, что металлический провод имеет сопротивление. И оно возрастает по мере увеличения длины кабеля.
Так как в частных домах шлейфы электрической проводки не столь длинные, то этим расчетом можно пренебречь. В промышленности все по-другому, зависимость длины кабеля и сечение через потери мощности явные. Поэтому для информации рассмотрим такой расчет для однофазной сети.
Чему равно напряжение.
Напряжение напрямую связано с работой тока, зарядом и сопротивлением. Чтобы измерить напряжение непосредственно в электрической цепи, к ней нужно подключить вольтметр. Он присоединяется к цепи параллельно, в отличие от амперметра, который подключается последовательно. Зажимы измерительного прибора крепятся к тем точкам, между которыми нужно вычислить напряжение. Чтобы он правильно показал значение, нужно включить цепь. На схемах вольтметр обозначается буквой V, обведенной в кружок.
Изображение вольтметра и электрической цепи
Напряжение обозначается латинской [U], а измеряется в [В]. Оно равно работе, которое совершает поле при перемещении единичного заряда. Формула напряжения тока – это U = A/q, где A – работа тока, q – заряд, а U – само напряжение.
Вам это будет интересно Особенности танталовых конденсаторов
Обратите внимание! В отличие от магнитного поля, где заряды неподвижны, в электрическом поле они находятся в постоянном движении.
Электрическое поле
В чем измеряется длина проводника
Производными единицами измерения тока являются:
1 килоампер (кА) = 1000 А;
1 миллиампер (мА) 0,001 А;
1 микроампер (мкА) = 0,000001 А.
Человек начинает ощущать проходящий через его тело ток в 0,005 А. Ток больше 0,05 А опасен для жизни человека.
Электрическим напряжением (U) называется разность потенциалов между двумя точками электрического поля.
Единицей разности электрических потенциалов является вольт (В).
1 В = (1 Вт) : (1 А).
Производными единицами измерения напряжения являются:
1 киловольт (кВ) = 1000 В;
1 милливольт (мВ) = 0,001 В;
1 микровольт (мкВ) = 0,00000 1 В.
Сопротивлением участка электрической цепи называется величина, зависящая от материала проводника, его длины и поперечного сечения.
Электрическое сопротивление измеряется в омах (Ом).
1 Ом = (1 В) : (1 А).
Производными единицами измерения сопротивления являются:
1 килоОм (кОм) = 1000 Ом;
1 мегаОм (МОм) = 1 000 000 Ом;
1 миллиОм (мОм) = 0,001 Ом;
1 микроОм (мкОм) = 0,00000 1 Ом.
Электрическое сопротивление тела человека в зависимости от ряда условий колеблется от 2000 до 10 000 Ом.
Удельным электрическим сопротивлением (ρ) называется сопротивление проволоки длиной 1 м и сечением 1 мм2 при температуре 20 °С.
Величина, обратная удельному сопротивлению, называется удельной электрической проводимостью (γ).
Мощностью (Р) называется величина, характеризующая скорость, с которой происходит преобразование энергии, или скорость, с которой совершается работа.
Мощностью генератора называется величина, характеризующая скорость, с которой механическая или другая энергия преобразуется в генераторе в электрическую.
Мощностью потребителя называется величина, характеризующая скорость, с которой происходит преобразование электрической энергии в отдельных участках цепи в другие полезные виды энергии.
Системной единицей мощности в СИ является ватт (Вт). Он равен мощности, при которой за 1 секунду выполняется работа в 1 джоуль:
Производными единицами измерения электрической мощности являются:
1 киловатт (кВт) = 1000 Вт;
1 мегаватт (МВт) = 1000 кВт = 1 000 000 Вт;
1 милливатт (мВт) = 0,001 Вт; о1i
1 лошадиная сила (л. с.) = 736 Вт = 0,736 кВт.
Единицами измерения электрической энергии являются:
1 ватт-секунда (Вт сек) = 1 Дж = (1 Н) (1 м);
1 киловатт-час (кВт ч) = 3,б 106 Вт сек.
Пример. Ток, потребляемый электродвигателем, присоединенным к сети 220 В, составлял 10 А в течение 15 минут. Определить энергию, потребленную двигателем.
Вт*сек, или, разделив эту величину на 1000 и 3600, получим энергию в киловатт-часах:
W = 1980000/(1000*3600) = 0,55кВт*ч
Рассмотрим основные электрические величины, которые мы изучаем сначала в школе, затем в средних и высших учебных заведениях. Все данные для удобства сведем в небольшую таблицу. После таблицы будут приведены определения отдельных величин, на случай возникновения каких-либо непониманий.
Таблица физических величин и их описание:
Существуют десятичные приставки, которые используются в названии величины и служат для упрощения описания. Самые распространенные из них: мега, мили, кило, нано, пико. В таблице приведены и остальные приставки, кроме названных.
Сила тока в 1А – это величина, равная отношению заряда в 1 Кл, прошедшего за 1с времени через поверхность (проводник), к времени прохождения заряда через поверхность. Для протекания тока необходимо, чтобы цепь была замкнутой.
Сила тока измеряется в амперах. 1А=1Кл/1c
В практике встречаются
Электрическое напряжение – разность потенциалов между двумя точками электрического поля. Величина электрического потенциала измеряется в вольтах, следовательно, и напряжение измеряется в вольтах (В).
1Вольт – напряжение, которое необходимо для выделения в проводнике энергии в 1Ватт при протекании по нему тока силой в 1Ампер.
В практике встречаются
Электрическое сопротивление – характеристика проводника препятствовать протеканию по нему электрического тока. Определяется как отношение напряжения на концах проводника к силе тока в нем. Измеряется в омах (Ом). В некоторых пределах величина постоянная.
1Ом – сопротивление проводника при протекании по нему постоянного тока силой 1А и возникающем при этом на концах напряжении в 1В.
Из школьного курса физики все мы помним формулу для однородного проводника постоянного сечения:
R=ρlS – сопротивление такого проводника зависит от сечения S и длины l
где ρ – удельное сопротивление материала проводника, табличная величина.
Между тремя вышеописанными величинами существует закон Ома для цепи постоянного тока.
Ток в цепи прямо пропорционален величине напряжения в цепи и обратно пропорционален величине сопротивления цепи – закон Ома.
Электрической емкостью называется способность проводника накапливать электрический заряд.
Емкость измеряется в фарадах (1Ф).
1Ф – это емкость конденсатора между обкладками которого возникает напряжение 1В при заряде в 1Кл.
В практике встречаются
Индуктивность – это величина, характеризующая способность контура, по которому протекает электрический ток, создавать и накапливать магнитное поле.
Индуктивность измеряется в генри.
1Гн – величина, равная ЭДС самоиндукции, возникающей при изменении величины тока в контуре на 1А в течение 1секунды.
Проводник (электрический проводник)
Что такое проводник?
Проводник — это вещество или материал, которое отлично проводит электрический ток.
Как вы все знаете, любое вещество состоит из атомов. Атомы в свою очередь состоят из электронов и ядер. (Подробнее про строение атома).
Давайте для понимания рассмотрим вот такую картинку. Предположим, что пастух — это ядро, а овцы вокруг него — это электроны.
Те овцы, которые находятся рядом с пастухом, не могут от него просто так взять и убежать, так как он присматривает за ними. Иначе останется без мяса и шерсти к осени. Но вот те овцы, которые находятся поодаль от пастуха, имеют все шансы от него убежать.
То же самое можно сказать и про атомы и электроны. Электроны, которые находятся на самой дальней орбите от ядра менее зависимы, чем те, которые расположены ближе к ядру.
В результате, такие электроны могут «оторваться» от ядра и начать самостоятельное путешествие по веществу. Такие электроны называются свободными электронами.
Сопротивление проводника
Удельное сопротивление
И вот мы плавно переходим к другому вопросу, что такое сопротивление проводника? Как я уже говорил выше, чем больше свободных электронов в веществе, тем лучше такое вещество проводит электрический ток. Следовательно, сопротивление проводника зависит от того, сколько свободных электронов содержит такой проводник. Поэтому, в физике есть такое понятие, как удельное сопротивление вещества.
Еще раз. Если в каком-либо веществе полно свободных электронов, то такое вещество будет хорошо проводить электрический ток. Если электронов еще меньше, то такое вещество будет плохо проводить электрический ток. А если свободных электронов почти нет, то такое вещество совсем не будет проводить ток. Поэтому, удельное сопротивление вещества показывает способность этого вещества препятствовать электрическому току, проходящему через него.
Удельное сопротивление выражается в единицах Ом × м.
Формула удельного сопротивления проводника
ρ — это удельное сопротивление, Ом × м
R — сопротивление проводника, Ом
S — площадь поперечного сечения, м 2
l — длина проводника, м
Площадь поперечного сечения проводника — это что-то типа этого:
площадь поперечного сечения проводника
Формула сопротивления проводника
Итак, мы теперь знаем такую физическую величину, как удельное сопротивление. Теперь мы с легкостью можем найти сопротивление проводника.
ρ — это удельное сопротивление, Ом × м
R — сопротивление проводника, Ом
S — площадь поперечного сечения, м 2
l — длина проводника, м
Длина проводника
Оказывается, эта задачка решается очень просто. Достаточно вспомнить формулу выше.
Отсюда получаем, что
Удельное сопротивление меди можно узнать из таблицы. Оно равняется 0,017 Ом × мм 2 /м.
Проводники на печатных платах
Как вы знаете, все схемы состоят из проводов или печатных дорожек, которые соединяют различные радиоэлементы в единое целое. Например, в статье «самый простой усилитель звука«, я с помощью проводов соединял различные радиоэлементы, и у меня получилась схема, которая усиливала звуковые частоты.
Для того, чтобы все было красиво, эстетично и занимало мало пространства, прямо на платах создают «проводки», которые уже называются «печатными дорожками».
В домашних условиях все это делается с помощью технологии ЛУТ (Лазерно-Утюжная-Технология).
На другой стороне печатной платы уже располагаются радиоэлементы
Так как радиолюбители стараются делать свои устройства как можно меньше по габаритам, то и плотность монтажа возрастает. Поэтому, в некоторых случаях радиоэлементы и печатные дорожки располагают по обе стороны платы.
Промышленные печатные платы уже делают многослойными. Они состоят из слоев, как торт из коржей:
Бум SMD технологий вызвал в свою очередь нужду в многослойных печатных платах.
Сверхпроводимость
Также в природе существует и такой эффект, как сверхпроводимость. Сверхпроводимость — это когда некоторые материалы и их сплавы вообще не обладают сопротивлением. То есть их сопротивление очень и очень близко к нулю. Но, спешу вас разочаровать, в простых условиях это получить невозможно, так как это достигается только при критических температурах.
Если желаете больше узнать про материалы, которые используются в электронике и электротехнике, скачайте эту книгу.
Электрический проводник
Расчет параметров
Электрические свойства проводника в большой степени зависят от вещества из которого он сделан. Важнейшими являются:
Ниже приведена таблица наиболее популярных металлов для изготовления проводников, с их удельными сопротивлениями и температурными коэффициентами электрического сопротивления. Данные таблицы взяты из различных источников. Следует обратить внимание на то, что и удельное сопротивление проводника, и его температурный коэффициент электрического сопротивления зависят от чистоты металла, а в случае сплавов (сталь) могут существенно отличаться от марки к марке.
| Таблица 1 | ||
| Металл | Удельное сопротив ление [ρ] при t = 20 °C, Ом·мм²/м |
Температурный коэффициент электрического сопротивления [α], K −1 |
| Медь | 0.0175 | 0.0043 |
| Алюминий | 0.0271 | 0.0039 |
| Сталь | 0.125 | 0.006 |
| Серебро | 0.016 | 0.0041 |
| Золото | 0.023 | 0.004 |
| Платина | 0.107 | 0.0039 |
| Магний | 0.044 | 0.0039 |
| Цинк | 0.059 | 0.0042 |
| Олово | 0.12 | 0.0044 |
| Вольфрам | 0.055 | 0.005 |
| Никель | 0.087 | 0.0065 |
| Никелин | 0.42 | 0.0001 |
| Нихром | 1.1 | 0.0001 |
| Фехраль | 1.25 | 0.0002 |
| Хромаль | 1.4 | 0.0001 |
Программа КИП и А при вычислении свойств электрического проводника оперирует со следующими входными ⁄ выходными параметрами и их единицами измерения:
Ниже, на рисунках представлены скриншоты модулей программы КИП и А по расчету параметров проводника.
Расчет сопротивления электрического проводника
Сопротивление электрического проводника рассчитываем по формуле:
R = ρ * L / S
Расчет длины электрического проводника
Длину электрического проводника рассчитываем по формуле:
L = R * S / ρ
Расчет сечения электрического проводника
Минимальное сечение электрического проводника при допустимых потерях напряжения рассчитываем по формуле:
S = I * ρ * L / ΔU
Сила тока
Электрический ток
По проводам течет электрический ток. Причем он именно «течет», практически как вода. Представим, что вы — счастливый фермер, который решил полить свой огород из шланга. Вы чуть-чуть приоткрыли кран, и вода сразу же побежала по шлангу. Медленно, но все-таки побежала.
Сила струи очень слабая. Потом вы решили, что напор нужен побольше и открыли кран на полную катушку. В результате струя хлынет с такой силой, что ни один помидор не останется без внимания, хотя в обоих случаях диаметр шланга одинаков.
А теперь представьте, что вы наполняете два ведра из двух шлангов. У одного из них напор сильнее, у другого слабее. Быстрее наполнится то ведро, в которое льется вода из шланга с сильным напором. Все дело в том, что объем воды за равный промежуток времени из двух разных шлангов тоже разный. Иными словами, из зеленого шланга количество молекул воды выбежит намного больше, чем из желтого за равный период времени.
Если мы возьмем проводник с током, то будет происходить то же самое: заряженные частицы будут двигаться по проводнику, как и молекулы воды. Если больше заряженных частиц будет двигаться по проводнику, то «напор» тоже увеличится.
Сила тока
Сразу возникает потребность в величине, которой мы будем «напор» электрического тока измерять. Такая, чтобы она зависела от количества частиц, которые протекают по проводнику.
Сила тока — это физическая величина, которая показывает, какой заряд прошел через проводник.
Как обозначется сила тока?
Сила тока обозначается буквой I
Сила тока
I = q/t
Сила тока измеряется в Амперах. Единица измерения выбрана не просто так.
Во-первых, она названа в честь физика Андре-Мари Ампера, который занимался изучением электрических явлений. А во-вторых, единица этой величины выбрана на основе явления взаимодействия двух проводников.
Здесь аналогии с водопроводом провести, увы, не получится. Шланги с водой не притягиваются и не отталкиваются вблизи друг друга (а жаль, было бы забавно).
Когда ток проходит по двум параллельным проводникам в одном направлении, проводники притягиваются. А когда в противоположном направлении (по этим же проводникам) — отталкиваются.
За единицу силы тока 1 А принимают силу тока, при которой два параллельных проводника длиной 1 м, расположенные на расстоянии 1 м друг от друга в вакууме, взаимодействуют с силой 0,0000002 Н.
Задача
Найти силу тока в цепи, если за 2 секунды в ней проходит заряд, равный 300 мКл.
Решение:
Возьмем формулу силы тока
I = 300 мКл / 2 с = 150 мА
Ответ: сила тока в цепи равна 150 мА
Проводники и диэлектрики
Некоторые делят мир на черное и белое, а мы — на проводники и диэлектрики.
Медь, железо, алюминий, олово, свинец, золото, серебро, хром, никель, вольфрам
Воздух, дистиллированная вода, поливинилхлорид, янтарь, стекло, резина, полиэтилен, полипропилен, полиамид, сухое дерево, каучук
То, что диэлектрик не проводит электрический ток, не значит, что он не может накапливать заряд. Накопление заряда не зависит от возможности его передавать.
Направление тока
Раньше в учебниках по физике писали так: когда-то давно решили, что ток направлен от плюса к минуса, а потом узнали, что по проводам текут электроны. Но электроны эти — отрицательные, а значит к минусу идти не могут. Но раз уже условились о направлении, поэтому оставим, как есть. Вопрос тогда возникал у всех: почему нельзя поменять направление тока? Но ответ так никто и не получил.
Сейчас пишут немного иначе: положительные частицы текут по проводнику от плюса к минусу, туда и направлен ток. Здесь вопросов ни у кого не возникает.
Так и какая версия верна?
На самом деле, обе. Носители заряда в каждом типе материала разные. В металлах — это электроны, в электролитах — ионы. У каждого типа частиц свои знаки и потребность в том, чтобы бежать к противоположно заряженному полюса источника тока.
Не будем же мы для каждого типа материала выбирать направление тока, чтобы решить задачу! Поэтому принято направлять ток от плюса к минусу. В большинстве задач школьного курса направление тока роли не играет, но есть то самое коварное меньшинство, где этот момент будет очень важным. Поэтому запомните — направляем ток от плюса к минусу.
Источник тока
Вода в шланге берется из водопровода, ключа с водой в земле — в общем, не из ниоткуда. Электрический ток тоже имеет свой источник.
В качестве источника может выступить, например, гальванический элемент (привычная батарейка). Батарейка работает на основе химических реакций внутри нее. Эти реакции выделяют энергию, 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 «-».
Амперметр
Мы знаем, куда ток направлен, в чем измеряется сила тока, как ее вычислить, зная заряд и время, за которое этот заряд прошел. Осталось только измерить.
Прибор для измерения силы тока называется амперметр. Его включают в электрическую цепь последовательно с тем проводником, в котором ток измеряют.
Амперметры бывают очень разными по принципу действия: электромагнитные, магнитоэлектрические, электродинамические, тепловые и индукционные — и это только самые распространенные.
Мы рассмотрим только принцип действия теплового амперметра, потому что для понимания принципа действия других устройств необходимо знать, что такое магнитное поле и катушки.
Тепловой амперметр основан на свойстве тока нагревать провода. Устроен так: к двум неподвижным зажимам присоединена тонкая проволока. Эта тонкая проволока оттянута вниз шелковой нитью, связанной с пружиной. По пути эта нить петлей охватывает неподвижную ось, на которой закреплена стрелка. Измеряемый ток подводится к неподвижным зажимам и проходит через проволоку (на рисунке стрелками показан путь тока).
Под действием тока проволока немного нагреется, из-за чего удлинится, вследствие этого шелковая нить, прикрепленная к проволоке, оттянется пружиной. Движение нити повернет ось, а значит и стрелку. Стрелка покажет величину измерения.
Как найти длину проводника формула через силу тока
Как найти длину провода зная плотность
Как найти длину проводника
Найти длину проводника очень просто – достаточно его измерить. Однако, если проводник недоступен или имеет очень большую длину, то его непосредственное измерение может оказаться весьма затруднительным. Статьи по теме:
Инструкция 1 Чтобы найти длину проводника, измерьте рулеткой длины его отдельных участков и сложите их. Этот метод подходит для открытой электропроводки и замеров провода во временных кабельных соединениях. 2 Если электропроводка скрытая, то для нахождения точной длины проводника воспользуйтесь соответствующей электромонтажной схемой. Если таковой схемы нет, то попробуйте косвенно восстановить размещение проводов по положению розеток, выключателей, распределительных коробок и т.п. признакам. 3 Учтите важное правило электромонтажников: все провода должны прокладываться строго горизонтально или вертикально. Причем, горизонтальные участки провода, как правило, проходят вдоль верхнего края стены (под потолком). Однако, действительное расположение проводов сможет определить только специальный прибор или опытный электрик. 4 Если восстановить траекторию скрытой электропроводки невозможно, то измерьте электрическое сопротивление отдельных участков проводника. Для расчетов уточните также сечение проволоки и материал, из которого она состоит. Как правило, это – медь или алюминий. Так как формула для расчета сопротивления: R = ρ * L * s, то длину проводника можно рассчитать по формуле:L = R / ρs,где: L – длина проводника,R – сопротивление проводника,ρ – удельное сопротивление материала из которого сделан проводник,s – площадь поперечного сечения проводника. 5 При расчете длины проводника учтите следующие параметры и соотношения.Удельное сопротивление медного провода составляет 0,0154 — 0,0174 ом, алюминиевого: 0,0262 — 0,0278 ом.(Если длина проводника равна 1 метру, а сечение – 1 мм²).Сечение проводника равняется:s = π/4 * D²,где: π — число «пи», приблизительно равное 3,14,D – диаметр проволоки (который легко замерить штангенциркулем). 6 Если провод смотан в катушку, то определите длину одного витка и умножьте на количество витков. Если катушка имеет круглое сечение, то измерьте диаметр катушки (средний диаметр обмотки, если она многослойная). Затем умножьте диаметр на число «пи» и на количество витков:L = d * π * n,где:d –диаметр катушки,n – количество витков провода. Статьи по теме:
Примеры
Покажем на простых примерах, как решать задачи на вычисление силы тока по формуле.
Задача 1.
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
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:
Задача 2.
Решение:
Воспользуемся формулой для нахождения силы тока, включающей напряжение и мощность: I = P/U.
Задача 3.
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.
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 = (U 2 /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.
«Протоптанные» пути вычислений
Все существующие расчетные способы опираются на выведенный Омом закон, согласно которому сила тока, помноженная на напряжение, равняется мощности. Бытовое напряжение – величина постоянная, равная в однофазной сети стандартным 220 В. Значит, в легендарной формуле остаются лишь две переменные: это ток с мощностью. «Плясать» в расчетах можно и нужно от одной из них. Через расчетные значения тока и предполагаемой нагрузки в таблицах ПУЭ найдем требующийся размер сечения.
Обратите внимание, что сечение кабеля рассчитывают для силовых линий, т.е. для проводов к розеткам. Линии освещения априори прокладывают кабелем с традиционной величиной площади сечения 1,5 мм².
Если в обустраиваемом помещении нет мощного диско-прожектора или люстры, требующей питания в 3,3кВт и больше, то увеличивать площадь сечения жилы осветительного кабеля не имеет смысла. А вот розеточный вопрос – дело сугубо индивидуальное, т.к. подключать к одной линии могут такие неравнозначные тандемы, как фен с водонагревателем или электрочайник с микроволновкой.
Тем, кто планирует нагрузить силовую линию электрической варочной поверхностью, бойлером, стиральной машиной и подобной «прожорливой» техникой, желательно распределить всю нагрузку на несколько розеточных групп.
Если технической возможности разбить нагрузку на группы нет, бывалые электрики рекомендуют без затей прокладывать кабель с медной жилой сечением 4-6 мм². Почему с медной токоведущей сердцевиной? Потому что строгим кодексом ПУЭ прокладка кабеля с алюминиевой «начинкой» в жилье и в активно используемых бытовых помещениях запрещена. Сопротивление у электротехнической меди гораздо меньше, тока она пропускает больше и не греется при этом, как алюминий. Алюминиевые провода используются при устройстве наружных воздушных сетей, кое-где они еще остались в старых домах.
Обратите внимание! Площадь сечения и диаметр жилы кабеля – вещи разные. Первая обозначается в квадратных мм, второй просто в мм. Главное не перепутать!
Для поиска табличных значений мощности и допустимой силы тока можно пользоваться обоими показателями. Если в таблице указан размер площади сечения в мм², а нам известен только диаметр в мм, площадь нужно найти по следующей формуле:
Физический смысл сопротивления
При этом взаимодействии они замедляются, но затем под действием электрического поля, которое их ускоряет, начинают двигаться с той же скоростью. Электроны сталкиваются огромное количество раз. Этот процесс и называется сопротивлением проводника.
Следовательно, электрическим сопротивлением проводника считается физическая величина, характеризующая отношение напряжения к силе тока.
Что такое электрическое сопротивление: величина, указывающая на свойство физического тела преобразовывать энергию электрическую в тепловую, благодаря взаимодействию энергии электронов с кристаллической решеткой вещества. По характеру проводимости различаются:
Обозначается эта характеристика буквой R и измеряется в Омах (Ом). Применение этих групп веществ является очень значимым для разработки электрических принципиальных схем приборов.
Для полного понимания зависимости R от чего-либо нужно обратить особое внимание на расчет этой величины.
Расчет размера сечения по нагрузке
Простейший способ подбора кабеля с нужным размером — расчет сечения провода по суммарной мощности всех подключаемых к линии агрегатов.
Алгоритм расчетных действий следующий:
Все округления «направляем» в сторону увеличения. В принципе суммировать можно и силу тока, указанную в техпаспортах. Расчеты и округления по току производятся аналогичным образом.
Как рассчитать сечение по току?
Табличные значения не могут учесть индивидуальных особенностей устройства и эксплуатации сети. Специфика у таблиц среднестатистическая. Не приведены в них параметры максимально допустимых для конкретного кабеля токов, а ведь они отличаются у продукции с разными марками. Весьма поверхностно затронут в таблицах тип прокладки. Дотошным мастерам, отвергающим легкий путь поиска по таблицам, лучше воспользоваться способом расчета размера сечения провода по току. Точнее по его плотности.
Допустимая и рабочая плотность тока
Начнем с освоения азов: запомним на практике выведенный интервал 6 — 10. Это значения, полученные электриками многолетним «опытным путем». В указанных пределах варьирует сила тока, протекающего по 1 мм² медной жилы. Т.е. кабель с медной сердцевиной сечением 1 мм² без перегрева и оплавления изоляции предоставляет возможность току от 6 до 10 А спокойно достигать ожидающего его агрегата-потребителя. Разберемся, откуда взялась и что означает обозначенная интервальная вилка.
Согласно кодексу электрических законов ПУЭ 40% отводится кабелю на неопасный для его оболочки перегрев, значит:
Потоку энергии 12 А в медном миллиметровом канале будет изначально «тесно». От тесноты и толкучки электронов увеличится плотность тока. Следом повысится температура медной составляющей, что неизменно отразиться на состоянии изоляционной оболочки.
Обратите внимание, что для кабеля с алюминиевой токоведущей жилой плотность тока отображает интервал 4 – 6 Ампер, приходящийся на 1 мм² проводника.
Выяснили, что предельная величина плотности тока для проводника из электротехнической меди 10 А на площадь сечения 1 мм², а нормальные 6 А. Следовательно:
Общие сведения
Электрический ток — это направленное движение носителей зарядов под действием электромагнитной силы. Природа его появления связана со структурой тела. При комнатной температуре энергетическое состояние вещества можно описать как равновесное. Тела состоят из молекул и атомов. В свою очередь, в состав последних входят протоны, нейтроны. Они образуют ядро, вокруг которого по орбитали вращаются отрицательно заряженные частицы — электроны.
Молекула или атом имеют нейтральный заряд. Это связано с тем, что количество электронов равняется числу протонов. Если же к телу приложена внешняя сила, например, электромагнитное поле, деформирование, нагрев, то отрицательные частицы могут получит дополнительную энергию. В результате межатомные связи нарушатся, а электроны покинут орбитали, став свободными. Под действием силы их движение станет упорядоченным — возникнет ток.
Кроме этого, в структуре тела могут существовать и несвязанные электроны. Их происхождение связано с примесями в веществах, дефектами структуры. По сути, они также являются свободными. В равновесном состоянии их движение беспорядочное и обусловлено тепловыми колебанием. В зависимости от числа свободных частиц, которые могут участвовать в переносе заряда, все тела делятся на два больших класса:
Существует ещё класс, расположенный между диэлектриками и проводниками, называют его полупроводники. Главное его отличие — это высокая зависимость степени электропроводности от температуры и числа примесей. Причём полупроводнику свойственны характеристики и диэлектрика, и проводника.
С точки зрения электричества, тела характеризуются двумя свойствами: величиной электропроводности и сопротивлением. Эти два параметра обратно пропорциональны друг другу. Так, вычисление их значений позволяет определить, к какому типу относится то или иное вещество. Проводники характеризуются малым значением сопротивления и высокой электропроводностью, а диэлектрики — наоборот.
Какой кабель лучше купить?
Следуя жестким рекомендациям ПУЭ, покупать для обустройства личной собственности будем кабельную продукцию с «литерными группами» NYM и ВВГ в маркировке. Именно они не вызывают нареканий и придирок со стороны электриков и пожарников. Вариант NYM – аналог отечественных изделий ВВГ.
Лучше всего, если отечественный кабель будет сопровождать индекс НГ, это означает, что проводка будет пожароустойчивой. Если предполагается прокладывать линию за перегородкой, между лагами или над подвесным потолком, купите изделия с низким дымовыделением. У них будет индекс LS.
Вот таким нехитрым способом рассчитывается сечение токопроводящей жилы кабеля. Сведения о принципах вычислений помогут рационально подобрать данный важный элемент электросети. Необходимый и достаточный размер токоведущей сердцевины обеспечит питанием домашнюю технику и не станет причиной возгорания проводки.