Сила тока и мощность формула: Расчет силы тока по мощности – Калькулятор + формулы

Электрический ток — Физика — Теория, тесты, формулы и задачи

Оглавление:

Основные теоретические сведения

Электрический ток. Сила тока. Сопротивление

К оглавлению…

В проводниках при определенных условиях может возникнуть непрерывное упорядоченное движение свободных носителей электрического заряда. Такое движение называется электрическим током. За направление электрического тока принято направление движения положительных свободных зарядов, хотя в большинстве случае движутся электроны – отрицательно заряженные частицы.

Количественной мерой электрического тока служит сила тока I – скалярная физическая величина, равная отношению заряда q, переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени t, к этому интервалу времени:

Если ток не постоянный, то для нахождения количества прошедшего через проводник заряда рассчитывают площадь фигуры под графиком зависимости силы тока от времени.

Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным. Сила тока измеряется амперметром, который включается в цепь последовательно. В Международной системе единиц СИ сила тока измеряется в амперах [А]. 1 А = 1 Кл/с.

Средняя сила тока находится как отношение всего заряда ко всему времени (т.е. по тому же принципу, что и средняя скорость или любая другая средняя величина в физике):

Если же ток равномерно меняется с течением времени от значения I₁ до значения I₂, то можно значение среднего тока можно найти как среднеарифметическое крайних значений:

Плотность тока – сила тока, приходящаяся на единицу поперечного сечения проводника, рассчитывается по формуле:

При прохождении тока по проводнику ток испытывает сопротивление со стороны проводника. Причина сопротивления – взаимодействие зарядов с атомами вещества проводника и между собой. Единица измерения сопротивления 1 Ом. Сопротивление проводника R определяется по формуле:

где: l – длина проводника, S – площадь его поперечного сечения, ρ – удельное сопротивление материала проводника (будьте внимательны и не перепутайте последнюю величину с плотностью вещества), которое характеризует способность материала проводника противодействовать прохождению тока. То есть это такая же характеристика вещества, как и многие другие: удельная теплоемкость, плотность, температура плавления и т.д. Единица измерения удельного сопротивления 1 Ом·м. Удельное сопротивление вещества – табличная величина.

Сопротивление проводника зависит и от его температуры:

где: R₀ – сопротивление проводника при 0°С, t – температура, выраженная в градусах Цельсия, α – температурный коэффициент сопротивления. Он равен относительному изменению сопротивления, при увеличении температуры на 1°С. Для металлов он всегда больше нуля, для электролитов наоборот, всегда меньше нуля.

Диод в цепи постоянного тока

Диод – это нелинейный элемент цепи, сопротивление которого зависит от направления протекания тока. Обозначается диод следующим образом:

Стрелка в схематическом обозначении диода показывает, в каком направлении он пропускает ток. В этом случае его сопротивление равно нулю, и диод можно заменить просто на проводник с нулевым сопротивлением. Если ток течет через диод в противоположном направлении, то диод обладает бесконечно большим сопротивлением, то есть не пропускает ток совсем, и является разрывом в цепи. Тогда участок цепи с диодом можно просто вычеркнуть, так как ток по нему не идет.

Закон Ома. Последовательное и параллельное соединение проводников

К оглавлению…

Немецкий физик Г.Ом в 1826 году экспериментально установил, что сила тока I, текущего по однородному металлическому проводнику (то есть проводнику, в котором не действуют сторонние силы) сопротивлением R, пропорциональна напряжению U на концах проводника:

Величину R принято называть электрическим сопротивлением. Проводник, обладающий электрическим сопротивлением, называется резистором. Это соотношение выражает закон Ома для однородного участка цепи: сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

Проводники, подчиняющиеся закону Ома, называются линейными. Графическая зависимость силы тока I от напряжения U (такие графики называются вольт-амперными характеристиками, сокращенно ВАХ) изображается прямой линией, проходящей через начало координат. Следует отметить, что существует много материалов и устройств, не подчиняющихся закону Ома, например, полупроводниковый диод или газоразрядная лампа. Даже у металлических проводников при достаточно больших токах наблюдается отклонение от линейного закона Ома, так как электрическое сопротивление металлических проводников растет с ростом температуры.

Проводники в электрических цепях можно соединять двумя способами: последовательно и параллельно. У каждого способа есть свои закономерности.

1. Закономерности последовательного соединения:

Формула для общего сопротивления последовательно соединенных резисторов справедлива для любого числа проводников. Если же в цепь последовательно включено n одинаковых сопротивлений R, то общее сопротивление R₀ находится по формуле:

2. Закономерности параллельного соединения:

Формула для общего сопротивления параллельно соединенных резисторов справедлива для любого числа проводников. Если же в цепь параллельно включено n одинаковых сопротивлений R, то общее сопротивление R₀ находится по формуле:

Электроизмерительные приборы

Для измерения напряжений и токов в электрических цепях постоянного тока используются специальные приборы – вольтметры и амперметры.

Вольтметр предназначен для измерения разности потенциалов, приложенной к его клеммам. Он подключается параллельно участку цепи, на котором производится измерение разности потенциалов. Любой вольтметр обладает некоторым внутренним сопротивлением R_B. Для того чтобы вольтметр не вносил заметного перераспределения токов при подключении к измеряемой цепи, его внутреннее сопротивление должно быть велико по сравнению с сопротивлением того участка цепи, к которому он подключен.

Амперметр предназначен для измерения силы тока в цепи. Амперметр включается последовательно в разрыв электрической цепи, чтобы через него проходил весь измеряемый ток. Амперметр также обладает некоторым внутренним сопротивлением R_A. В отличие от вольтметра, внутреннее сопротивление амперметра должно быть достаточно малым по сравнению с полным сопротивлением всей цепи.

ЭДС. Закон Ома для полной цепи

К оглавлению…

Для существования постоянного тока необходимо наличие в электрической замкнутой цепи устройства, способного создавать и поддерживать разности потенциалов на участках цепи за счет работы сил неэлектростатического происхождения. Такие устройства называются источниками постоянного тока. Силы неэлектростатического происхождения, действующие на свободные носители заряда со стороны источников тока, называются сторонними силами.

Природа сторонних сил может быть различной. В гальванических элементах или аккумуляторах они возникают в результате электрохимических процессов, в генераторах постоянного тока сторонние силы возникают при движении проводников в магнитном поле. Под действием сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему в замкнутой цепи может поддерживаться постоянный электрический ток.

При перемещении электрических зарядов по цепи постоянного тока сторонние силы, действующие внутри источников тока, совершают работу. Физическая величина, равная отношению работы A_ст сторонних сил при перемещении заряда q от отрицательного полюса источника тока к положительному к величине этого заряда, называется электродвижущей силой источника (ЭДС):

Таким образом, ЭДС определяется работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда. Электродвижущая сила, как и разность потенциалов, измеряется в вольтах (В).

Закон Ома для полной (замкнутой) цепи: сила тока в замкнутой цепи равна электродвижущей силе источника, деленной на общее (внутреннее + внешнее) сопротивление цепи:

Сопротивление r – внутреннее (собственное) сопротивление источника тока (зависит от внутреннего строения источника). Сопротивление R – сопротивление нагрузки (внешнее сопротивление цепи).

Падение напряжения во внешней цепи при этом равно (его еще называют напряжением на клеммах источника):

Важно понять и запомнить: ЭДС и внутреннее сопротивление источника тока не меняются, при подключении разных нагрузок.

Если сопротивление нагрузки равно нулю (источник замыкается сам на себя) или много меньше сопротивления источника, то тогда в цепи потечет ток короткого замыкания:

Сила тока короткого замыкания – максимальная сила тока, которую можно получить от данного источника с электродвижущей силой ε и внутренним сопротивлением r. У источников с малым внутренним сопротивлением ток короткого замыкания может быть очень велик, и вызывать разрушение электрической цепи или источника. Например, у свинцовых аккумуляторов, используемых в автомобилях, сила тока короткого замыкания может составлять несколько сотен ампер. Особенно опасны короткие замыкания в осветительных сетях, питаемых от подстанций (тысячи ампер). Чтобы избежать разрушительного действия таких больших токов, в цепь включаются предохранители или специальные автоматы защиты сетей.

Несколько источников ЭДС в цепи

Если в цепи присутствует несколько ЭДС подключенных последовательно, то:

1. При правильном (положительный полюс одного источника присоединяется к отрицательному другого) подключении источников общее ЭДС всех источников и их внутреннее сопротивление может быть найдено по формулам:

Например, такое подключение источников осуществляется в пультах дистанционного управления, фотоаппаратах и других бытовых приборах, работающих от нескольких батареек.

2. При неправильном (источники соединяются одинаковыми полюсами) подключении источников их общее ЭДС и сопротивление рассчитывается по формулам:

В обоих случаях общее сопротивление источников увеличивается.

При параллельном подключении имеет смысл соединять источники только c одинаковой ЭДС, иначе источники будут разряжаться друг на друга. Таким образом суммарное ЭДС будет таким же, как и ЭДС каждого источника, то есть при параллельном соединении мы не получим батарею с большим ЭДС. При этом уменьшается внутреннее сопротивление батареи источников, что позволяет получать большую силу тока и мощность в цепи:

В этом и состоит смысл параллельного соединения источников. В любом случае при решении задач сначала надо найти суммарную ЭДС и полное внутреннее сопротивление получившегося источника, а затем записать закон Ома для полной цепи.

Работа и мощность тока. Закон Джоуля-Ленца

К оглавлению. ..

Работа A электрического тока I, протекающего по неподвижному проводнику с сопротивлением R, преобразуется в теплоту Q, выделяющееся на проводнике. Эту работу можно рассчитать по одной из формул (с учетом закона Ома все они следуют друг из друга):

Закон преобразования работы тока в тепло был экспериментально установлен независимо друг от друга Дж.Джоулем и Э.Ленцем и носит название закона Джоуля–Ленца. Мощность электрического тока равна отношению работы тока A к интервалу времени Δt, за которое эта работа была совершена, поэтому она может быть рассчитана по следующим формулам:

Работа электрического тока в СИ, как обычно, выражается в джоулях (Дж), мощность – в ваттах (Вт).

Энергобаланс замкнутой цепи

К оглавлению…

Рассмотрим теперь полную цепь постоянного тока, состоящую из источника с электродвижущей силой ε и внутренним сопротивлением r и внешнего однородного участка с сопротивлением R. В этом случае полезная мощность или мощность, выделяемая во внешней цепи:

Максимально возможная полезная мощность источника достигается, если R = r и равна:

Если при подключении к одному и тому же источнику тока разных сопротивлений R₁ и R₂ на них выделяются равные мощности то внутреннее сопротивление этого источника тока может быть найдено по формуле:

Мощность потерь или мощность внутри источника тока:

Полная мощность, развиваемая источником тока:

КПД источника тока:

Электролиз

К оглавлению…

Электролитами принято называть проводящие среды, в которых протекание электрического тока сопровождается переносом вещества. Носителями свободных зарядов в электролитах являются положительно и отрицательно заряженные ионы. К электролитам относятся многие соединения металлов с металлоидами в расплавленном состоянии, а также некоторые твердые вещества. Однако основными представителями электролитов, широко используемыми в технике, являются водные растворы неорганических кислот, солей и оснований.

Прохождение электрического тока через электролит сопровождается выделением вещества на электродах. Это явление получило название электролиза.

Электрический ток в электролитах представляет собой перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях. Положительные ионы движутся к отрицательному электроду (катоду), отрицательные ионы – к положительному электроду (аноду). Ионы обоих знаков появляются в водных растворах солей, кислот и щелочей в результате расщепления части нейтральных молекул. Это явление называется электролитической диссоциацией.

Закон электролиза был экспериментально установлен английским физиком М.Фарадеем в 1833 году. Закон Фарадея определяет количества первичных продуктов, выделяющихся на электродах при электролизе. Итак, масса m вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду Q, прошедшему через электролит:

Величину k называют электрохимическим эквивалентом. Он может быть рассчитан по формуле:

где: n – валентность вещества, N_A – постоянная Авогадро, M – молярная масса вещества, е – элементарный заряд. Иногда также вводят следующее обозначение для постоянной Фарадея:

Электрический ток в газах и в вакууме

К оглавлению…

Электрический ток в газах

В обычных условиях газы не проводят электрический ток. Это объясняется электрической нейтральностью молекул газов и, следовательно, отсутствием носителей электрических зарядов. Для того чтобы газ стал проводником, от молекул необходимо оторвать один или несколько электронов. Тогда появятся свободные носителя зарядов — электроны и положительные ионы. Этот процесс называется ионизацией газов.

Ионизировать молекулы газа можно внешним воздействием — ионизатором. Ионизаторами может быть: поток света, рентгеновские лучи, поток электронов или α-частиц. Молекулы газа также ионизируются при высокой температуре. Ионизация приводит к возникновению в газах свободных носителей зарядов — электронов, положительных ионов, отрицательных ионов (электрон, объединившийся с нейтральной молекулой).

Если создать в пространстве, занятом ионизированным газом, электрическое поле, то носители электрических зарядов придут в упорядоченное движение – так возникает электрический ток в газах. Если ионизатор перестает действовать, то газ снова становится нейтральным, так как в нем происходит рекомбинация – образование нейтральных атомов ионами и электронами.

Электрический ток в вакууме

Вакуумом называется такая степень разрежения газа, при котором можно пренебречь соударением между его молекулами и считать, что средняя длина свободного пробега превышает линейные размеры сосуда, в котором газ находится.

Электрическим током в вакууме называют проводимость межэлектродного промежутка в состоянии вакуума. Молекул газа при этом столь мало, что процессы их ионизации не могут обеспечить такого числа электронов и ионов, которые необходимы для ионизации. Проводимость межэлектродного промежутка в вакууме может быть обеспечена лишь с помощью заряженных частиц, возникших за счет эмиссионных явлений на электродах.

Работа и мощность тока

У каждого из нас дома есть счетчик, по показаниям которого мы ежемесячно платим за электричество. Мы оплачиваем какое-то количество киловатт-часов. Что же такое эти киловатт-часы? За что конкретно мы платим? Разберемся 🙂

Мы используем электричество с определенными целями. Электрический ток выполняет какую-то работу, вследствие этого и функционируют наши электроприборы. Что же такое – работа электрического тока? Известно, что работа тока по перемещению электрического заряда на некотором отрезке цепи равна численно напряжению на этом участке. Если же заряд будет отличаться, например, в большую сторону, то и работа, соответственно, будет совершена большая.

Работа тока на участке цепи: формула

Итак, мы приходим к тому, что работа тока равна произведению напряжения на участке электрической цепи на величину заряда. Заряд же, как известно, можно найти произведением силы тока на время прохождения тока. Итак, получаем формулу для определения работы тока:

A=Uq ,    q=It ,   получаем    A=UIt ;

где A — работа, U- напряжение, I — сила тока, q — заряд, t — время.

Измеряется работа тока в джоулях (1 Дж). 1 Дж = 1 В * 1 А * 1 с. То есть, чтобы измерить работу, которую совершил ток, нам нужны три прибора: амперметр, вольтметр и часы. Счетчики электроэнергии, которые стоят в квартирах, как бы сочетают в себе все эти вышеперечисленные приборы в одном. Они измеряют работу, совершенную током. Работа тока в нашей квартире – это энергия, которую он израсходовал на всех включенных в сеть квартиры приборах. Это и есть то, за что мы платим. Однако, мы платим не за джоули, а за киловатт-часы. Откуда возникают эти единицы?

Мощность электрического тока

Чтобы разобраться с этим вопросом, надо рассмотреть еще одно понятие — мощность электрического тока. Мощность тока – это работа тока, совершенная в единицу времени. То есть, мощность можно найти, разделив работу на время. А работа, как мы уже знаем – это произведение силы тока на напряжение и на время. Таким образом, время сократится, и мы получим произведение силы тока на напряжение. Для мощности тока формула будет иметь следующий вид:

P=A/t  ,    A=UIt ,    получаем    P=UIt/t  ,   то есть  P=UI ;

где P — мощность тока. Мощность измеряется в ваттах (1 Вт). Применяют кратные величины – киловатты, мегаватты. 

Работа и мощность электрического тока связаны теснейшим образом. Фактически, работа – это мощность тока в каждый момент времени, взятая за определенный промежуток времени. Именно поэтому счетчики в квартирах измеряют работу тока не в джоулях, а в киловатт-часах. Просто величина мощности в 1 ватт – это очень небольшая мощность, и если бы мы платили за ватты-в-секунду, мы бы оплачивали десятки и сотни тысяч таких единиц. Для упрощения расчетов и приняли единицу «киловатт-час».

Нужна помощь в учебе?

Предыдущая тема: Последовательное и параллельное соединение проводников
Следующая тема:&nbsp&nbsp&nbspЗакон Джоуля-Ленца: работа тока равна количеству теплоты

Мощность электрического тока

04 Апреля 2017

5856

Привет друзья, продолжаем!

Часто, в быту используется понятие мощность источника питания, мощность потребления бытовых приборов и прочих электрических устройств. Особенно, это многим хорошо знакомо по обычной лампочке (лампа накаливания). Эти лампочки отличаются друг от друга мощностью (50 Вт, 100 Вт, 150 Вт и т. д.) и соответственно освещением.

Для того, чтобы разобраться с мощностью источника питания или потребляемого устройства, мы разберем, что такое — мощность электрического тока.

Мощность электрического тока

Мощность электрического тока — это отношение произведенной им работы ко времени в течение которого совершена работа.

Давайте, теперь разберем это определение. Соберем простую электрическую цепь.

наведите или кликните мышкой, для анимации

Как нам уже известно, по цепи за единицу времени протекают определенное количество заряженных частиц — это показатель силы тока, также расходуется сила для движения частиц — это напряжение тока, но помимо этого при движении совершается «работа».

Вот тут необходимо обратить внимание, «работа» в данном случае может быть разной. В проводнике — это нагревание, то есть электрическая энергия перешла в тепловую. В потребляемых устройствах, то есть в нагрузке — это может быть освещение, нагревание, вращение двигателей и т.д.

Исходя из определения мощности тока, запишем формулу: P = W/t

P — мощность электрического тока (Вт)


W — работа электрического тока (Дж)


t — время протекания тока (с)

Единица измерения мощности Ватт (Вт), 1 Вт это совершение «работы» в 1 джоуль за 1 секунду времени.

Ну эта формула, не совсем нам интересна. Нам нужно понять, как связана мощность с известными нам величинами — силой тока, напряжением тока и сопротивлением нагрузки.


Формула для определения мощности тока в замкнутой цепи: P = UI

Таким образом, чем больше напряжение и сила тока в цепи, тем больше мощность тока. Я думаю это понятно, так как при большом токе, через поперечное сечение проводника и нагрузки, проходит больше частиц, тем самым совершатся больше «работы». Так же с напряжением, больше силы для движения частиц, больше совершается «работа.

Так же, можно вывести разные формулы:

для определения мощности тока через напряжение и сопротивление

для определения мощности тока через ток и сопротивление

Разобрали, что такое мощность электрического тока. Для того, чтобы еще было понятнее рекомендую ознакомиться следующей статьей. В которой подытожим раздел основы радиотехники.

Мощность постоянного электрического тока | Формула мощности

Разомкнутые и замкнутые цепи

Начнем с самой простой схемы фонарика и от нее уже будет отталкиваться

Здесь мы видим три радиоэлемента: источник питания Bat, выключатель S и кругляшок с крестиком внутри, то есть лампочку. Все это вместе называется электрической цепью. Так как по цепи не бежит электрический ток, то такую цепь называют разомкнутой.

Но стоит нам щелкнуть выключатель, и у нас тут же загорится лампочка. Такая цепь уже будет называться замкнутой.

Электроэнергия и источник питания

Теперь давайте подробнее разберем нашу схему.  Немного развернем ее в пространстве для удобства, игнорируя ГОСТ по обозначению источника питания:

Как мы помним с прошлой статьи, электрический ток бежит от точки с бОльшим потенциалом, то есть от плюса, к точке с мЕньшим потенциалом, то есть к минусу. Или говоря простым языком: от плюса к минусу. В настоящий момент у нас выключатель разомкнут. Можно сказать, что мы “оборвали” нашу цепь выключателем. В среде электриков и электронщиков говорят, что цепь ” в обрыве”. Ток не бежит, лампочка не горит.

Но вот мы ловким движением руки щелкаем выключатель и у нас цепь замыкается:

Дорога для электрического тока открыта, и он течет от плюса к минусу через лампочку накаливания, которая начинает ярко светиться.

Вроде бы все понятно, но не совсем. Кто или что заставляет светиться лампочку? Мало того, что она светит, она еще и греет!

Что самое первое появилось во Вселенной? Говорят, что время, хотя я думаю, что энергия). Энергия ниоткуда просто так не берется и никуда просто так не исчезает. Это и есть закон сохранения энергии, так что “побрейтесь” фанаты вечных двигателей).

В данном опыте у нас лампочка светит и греет. Получается, что лампочка излучает и тепловую и световую энергию. Вы ведь не забыли, что световые лучи передают энергию? В быту, например, мы используем солнечные панели, чтобы из лучиков получить электрический ток.

Но теперь вопрос такой. Если лампочка излучает световую и тепловую энергию, то откуда она ее получает? Разумеется, от источника питания. Фраза “источник питания” уже говорит сама за себя. Берет энергию наша лампочка прямо от источника питания через проводкИ. Энергия, которая течет через проводочки, называется электроэнергией.

А откуда берет электроэнергию источник питания? Здесь уже есть разные способы добычи электроэнергии. Это может быть падающий поток воды, который крутит мощные лопасти вертушки, которая работает как генератор. Это могут быть химические реакции в батарейках и акумах. Это может быть даже солнечная панелька или вообще какой-нибудь элемент, типа Пельтье, который может вырабатывать электрический ток под действием разности температур. Способов много, а эффект один. Сделать так, чтобы появилась ЭДС.

[quads id=1]

Электрический ток и нагрузка

В дело идет Закон Ома. Как я уже писал, это самый значимый закон во всей электронике. Что такое по сути лампочка? Это вольфрамовый проводок в стеклянной колбе с вакуумом. Вольфрам – это металл, следовательно, он может через себя проводить электрический ток. Но весь прикол в том, что при определенном напряжении он  раскаляется и начинает светиться. То есть отдавать энергию в пространство в виде тепла и излучения.

В холодном состоянии вольфрамовая нить обладает меньшим сопротивлением, чем в раскаленном, более чем в десять раз. Следовательно, лампочка – это просто как сопротивление для электрической цепи. В этой статье я взял лампочку, чтобы визуально показать нагрузку. Нагрузка – от слова “нагружать”. Источнику питания не нравится, когда ему приходится отдавать электроэнергию. Он любит работать без нагрузки 😉

Теперь давайте представим все это с точки зрения гидравлики и механики.

Имеем трубу, по которой бурным поток течет вода. К трубе приделана вертушка, типа водяного колеса. Лопасти вертушки крутят вал.

Рисунок я чертил по всем догмам черчения: главный вид, и справа его разрез.

Если к валу ничего не цепляется, то поток воды бурно бежит по трубе и крутит колесо, а оно в свою очередь крутит вал. Такой режим можно назвать холостым режимом работы водяного колеса, то есть режимом без нагрузки.

Но что будет, если мы начнем использовать вращение вала себе во благо? Например, соединим с помощью муфты вал водяного колеса с валом мини-мельницы?

Думаю, многие из моих читателей сразу догадаются, что водяное колесо начнет притормаживать, так как мы его заставили работать. Крутиться со скоростью холостого хода у нашего вала уже не получится. Скорость будет меньше. То есть в нашем случае у нас на валу есть нагрузка. Что же будет происходить с потоком воды в трубе? Он будет тормозиться, так как лопасти вала не дадут водичке спокойно бежать по трубе. Поэтому, общий поток воды в трубе будет меньше, чем ДО холостого хода вала.

А если нагрузить вал, чтобы тот поднимал  грузовой лифт?

Думаю, вся конструкция тут же встанет колом. То есть большая нагрузка станет непосильна для вала. А если бы мы сделали лопасти вертушки такие, чтобы они полностью перекрывали диаметр трубы, то поток жидкости вообще бы остановился.

Давайте разберем еще один пример для понимания. Все тот же самый рисунок:

Предположим, что мы прицепили к валу наждак, а электродвигатель убрали с этой конструкции. И вот мы решили что-нибудь шлифануть.

Итак, что у нас в результате получается? Если мы будем слабо давить на шлифовальный круг, то у нас круг начнет притормаживаться и уже  будет крутиться с другой скоростью. Если мы сильнее будем давить на круг, то скорость вала еще больше упадет. Если же мощность нашего вала слабовата, мы можем добиться того, что при сильном давлении на круг вообще остановить вал. Тогда и точиться ничего не будет…

Давайте снова вернемся к мини-мельнице

Что будет если поток воды в трубе увеличить в несколько  раз? Мельница будет крутиться так, что ее порвет нахрен! А  если поток воды в трубе будет очень слабый? Разумеется, мельница будет молоть одно-два зернышка в час. Хотя, опять же, с большим потоком воды мы вполне можем поднять лифт.

Понимаете к чему я веду? Все завязано друг с другом! Давление в трубе, скорость потока жидкости и нагрузка… Все они связаны воедино.

[quads id=1]

Мощность электрического тока

Для того, чтобы это показать что к чему, мы возьмем две лампы на 12 Вольт, но разной мощности. На блоке питания выставляю также 12 Вольт и собираю все это дело по схеме, которая мелькала в начале статьи

Мой блок питания может выдать в нагрузку 150 Ватт, не парясь. Беру лампочку от мопеда и цепляю ее к блоку питания

Смотрим потребление тока. 0,71 Ампер

Высчитываем сопротивление раскаленной нити лампочки из закона Ома I=U/R, отсюда R=U/I=12/0,71=16,9 Ом.

Беру галогенную лампу от фары авто и также цепляю ее к блоку питания

Смотрим потребление. 4,42 Ампера

Аналогично высчитываем сопротивление нити лампы. R=U/I=12/4,42=2,7 Ом.

А теперь давайте посчитаем, какая лампочка больше всех Ватт “отбирает”  у источника питания. Вспоминаем школьную формулу P=UI. Итак, для маленькой лампочки мощность составит P=12×0,71=8,52 Ватта. А для большой лампочки мощность  будет Р=12х4,42=53 Ватта. Ого! У нас получилось, что лампочка, которая обладала меньшим сопротивлением, на самом деле очень даже прожорливая.

Итак, если кто не помнит, что такое мощность, могу напомнить. Мощность – это отношение какой-то полезной работы к времени, в течение которого эта работа совершалась. Например, надо вскопать яму определенных размеров. Вы с лопатой, а ваш друг – на экскаваторе:

Кто быстрее справится  с задачей за  одинаковый промежуток времени? Разумеется экскаватор. В этом случае, можно сказать, что его мощность намного больше, чем мощность человека с лопатой.

А теперь представьте, что нам надо полностью под ноль сточить эту железяку:

Подумайте вот над таким вопросом… У нас есть в запасе 5 мин и нам надо сточить железяку по-максимому. В каком случае железяка сточится быстрее всего: если прижимать ее к абразивному кругу со всей дури, прижимать слегка, либо прижимать в полсилы? Не забывайте, что у нас абразивный круг подцеплен к валу, который крутит поток воды в трубе. И да, труба у нас небольшого диаметра.

Кто ответил, что если прижимать в полсилы, то оказался прав. Железяка в этом случае сточится быстрее.  Если прижимать ее со всей дури, то можно вообще остановить круг. Еще раз, что у нас такое мощность? Полезная работа, совершаемая за какой-то промежуток времени. А в нашем опыте полезная работа это и есть стачивание железяки по максималке. Также не забывайте и  тот момент, что если мы будем слегка прижимать железяку, то мы будем ее стачивать пол дня. Поэтому, золотая середина  – это давить железяку в полсилы.

Ну вот мы и снова переходим к электронике 😉

Поток воды – сила тока, давление в трубе – напряжение, давление железяки на круг – сопротивление.  И что в результате мы получили? А то, что лампочка с меньшим сопротивлением обладает большей мощностью, чем лампочка с большим сопротивлением. Не трудно догадаться, если просто посмотреть на фото, но вживую эффект лучше

Но обязательно ли то, что чем меньше сопротивление, тем больше мощности выделяется на нагрузке? Конечно же нет. Во всем нужен расчет, как  и в прошлом опыте, где мы стачивали железяку за определенное время.

И еще один фактор, конечно, тоже надо учитывать. Это давление в трубе. Прикиньте, точим-точим мы железяку, и вдруг давление в трубе стало повышаться. Может быть переполнилась башня, или кто-то открыл краник на полную катушку. Что станет с наждаком? Его обороты ускорятся,  так как сила потока воды в трубе увеличится,  а следовательно, мы еще быстрее сточим нашу железку.

Формула мощности для постоянного электрического тока

Поэтому формулы мощности в электронике имеют вот такой вид:

Отсюда  A=IUt

где,

А – это полезная работа, Джоули

t  – время,  секунды

U – напряжение, Вольты

I – сила тока, Амперы

P – собственно сама мощность, Ватты

R – сопротивление, Омы

Как вы можете заметить, формула P=I² R говорит нам о том, что не всегда на маленьком сопротивлении вырабатывается большая мощность и то, что мощность очень сильно зависит от силы тока. А как поднять силу тока? Добавить напряжения ;-). Закон Ома работает всегда и везде.

А из формулы P=U²/R, можно увидеть, что чем меньше сопротивление и больше напряжение в цепи, тем больше мощность будет выделяться на нагрузке. А что такое выделение мощности на нагрузке? Это может быть тепло, свет, какая-либо механическая работа и тд. Короче говоря, выработка какой-либо полезной энергии для наших нужд.

Работа и мощность тока | Физика

Какую работу совершает электрический ток, проходя по тому или иному участку цепи? Чтобы определить это, вспомним, что такое напряжение. Согласно формуле (11.1) U = A/q. Отсюда следует, что

A = qU,     (18.1)

где A — работа тока; q — электрический заряд, прошедший за данное время через рассматриваемый участок цепи. Подставляя в последнее равенство выражение q = It, получаем

A = IUt.     (18.2)

Итак, чтобы найти работу тока на участке цепи, надо напряжение на концах этого участка U умножить на силу тока I и на время t, в течение которого совершалась работа.

Действие тока характеризуют не только работой A, но и мощностью P. Мощность тока показывает, какую работу совершает ток за единицу времени. Если за время t была совершена работа A, то мощность тока P = A/t. Подставляя в это равенство выражение (18.2), получаем

P = IU.      (18.3)

Итак, чтобы найти мощность электрического тока P, надо силу тока I умножить на напряжение U.

В Международной системе единиц (СИ) работу выражают в джоулях (Дж), мощность — в ваттах (Вт), а время — в секундах (с). При этом

1 Вт = 1 Дж/с, 1 Дж = 1 Вт · с.

Мощности некоторых электроустройств, выраженные в киловаттах (1 кВт = 1000 Вт), приведены в таблице 5.

Рассчитаем наибольшую допустимую мощность потребителей электроэнергии, которые могут одновременно работать в квартире. Так как в жилых зданиях сила тока в проводке не должна превышать I = 10 А, то при напряжении U = 220 В соответствующая электрическая мощность оказывается равной:

P = 10 A · 220 В = 2200 Вт = 2,2 кВт.

Одновременное включение в сеть приборов с большей суммарной мощностью приведет к увеличению силы тока и потому недопустимо.

В быту работу тока (или израсходованную на совершение этой работы электроэнергию) измеряют с помощью специального прибора, называемого электрическим счетчиком (счетчиком электроэнергии). При прохождении тока через этот счетчик внутри его начинает вращаться легкий алюминиевый диск. Скорость его вращения оказывается пропорциональной силе тока и напряжению. Поэтому по числу оборотов, сделанных им за данное время, можно судить о работе, совершенной током за это время. Работа тока при этом выражается обычно в киловатт-часах (кВт·ч).

1 кВт·ч — это работа, совершаемая электрическим током мощностью 1 кВт в течение 1 ч. Так как 1 кВт = 1000 Вт, а 1 ч = 3600 с, то

1 кВт·ч = 1000 Вт · 3600 с = 3 600 000 Дж.

??? 1. Как находится работа электрического тока? 2. По какой формуле находится мощность тока? 3. С помощью какого прибора измеряют работу тока? Какая единица работы при этом используется? 4. Сложите мощности всех имеющихся у вас дома электрических устройств. Допустимо ли их одновременное включение в сеть? Почему?

Экспериментальное задание. Рассмотрите у себя дома счетчик электроэнергии. Выясните, как снимаются с него показания. Измерьте с его помощью электроэнергию, израсходованную задень. В течение следующего дня старайтесь экономить энергию — не оставляйте включенным свет, если это не нужно; выключайте электроприборы, которыми в данный момент не пользуетесь; не смотрите все подряд по телевизору. После этого определите с помощью счетчика, сколько электроэнергии вам удалось сэкономить. Вычислите стоимость этой энергии. Сколько денег вам удастся сберечь при подобной экономии энергии за месяц?

Как найти мощность тока — формула и правила расчета

Электричество осваивалось по мере развития науки. Для него были придуманы формулы и законы, позволяющие сделать количественную и качественную оценки. Ученые и естествоиспытатели во всем мире приложили немало сил к изучению электричества. Многие формулы и законы названы по их фамилиям. Дж. Уатт, английский ученый-физик — из их числа. В честь него названа единица эл. мощности — 1 ватт (сокращенно — Вт).

Современная жизнь и электрическая энергия стали неразрывно связанными. Скорее всего, большинство наших читателей помнят из школьного образования или последующего обучения информацию относительно эл. мощности. Эта статья освежит их знания и поможет лучше ориентироваться в характеристиках электрических приборов, поскольку и дома, и на работе часто приходится:

• рассчитать мощность;
• найти мощность;
• найти силу тока;
• рассчитать силу тока;
• найти ток;
• определить силу тока.

Существуют и такие распространенные задачи:

• как вычислить перегрузочную способность электропроводки;
• как определить минимальное сечение проводов;
• как рассчитать мощность сопротивления;
• как посчитать параметры предохранителей.

Чтобы лучше понять, как найти мощность в электрических цепях, коими является все, что присоединено к источникам электроэнергии, надо обратиться к самой сути ее единицы измерения. Итак,

Что такое 1 ватт

По определению единицы эл. мощности, обозначаемой обычно как Р, очевидна ее связь с законом Ома. Если этот закон действует для электрической цепи, а при этом известны напряжение и сопротивление, определяется сила тока, и затем вычисляется эл. мощность в этой электрической цепи по формуле:

p = u x i

Или, говоря словами, сила тока, умноженная на величину напряжения, позволяет получить величину эл. мощности.

Эта формула дает возможность определить мощность через ток. Чтобы найти силу тока, надо либо воспользоваться амперметром, либо вычислить данный параметр по формуле закона Ома для участка электрической цепи. Приведенная выше формула также позволяет определять ток через мощность и напряжение. Каждый электрический прибор имеет определенную электрическую мощность. При подключении его к электрической сети 220 В можно узнать потребляемый электроток. Чтобы рассчитать его величину, паспортное значение эл. мощности делится на 220.

• Такие расчеты всегда необходимы для правильной эксплуатации домашней электросети. Вычисления эл. мощностей бытовых электроприборов, одновременно подключенных к электросети, позволяет своевременно выявить перегрузку по току электропроводки в квартире, частном доме или на даче.

По мощности каждого электроприбора и величине напряжения (220 или 380 вольт) рассчитывается электроток, потребляемый из розетки. Зная схему соединения розеток, находится пара проводов, питающая всю нагрузку. Электротоки всех присоединенных электроприборов в этой паре будут суммироваться. По мере нарастания тока усиливается зависимость эффективности проводника от его конструкции. Начинает проявляться поверхностный эффект (альтернативное название — скин-эффект).

Скин-эффект

Величина сопротивления провода, определенная измерительным прибором, и его сопротивление, которое можно узнать, основываясь на показаниях амперметра и вольтметра, все больше отличаются при этом. Поэтому, если мы нашли расчетным путем величины токовых значений для нагрузок, без измерения силы суммарного электротока мы не найдем реальную величину эл. мощности в этом проводе. Чтобы избежать трудоемких измерений, по специальным таблицам находят данные, соответствующие параметрам электрической цепи. Такие нахождения делают возможным определить мощность быстро и просто.

Таблица
Таблица 2

Параметры электрической цепи, такие как сопротивление, мощность и напряжение всегда взаимосвязаны. Мощность от силы тока находится всегда в прямо пропорциональном увеличении или уменьшении. Однако в зависимости от его природы различают эл. мощность:

• полную;
• активную;
• реактивную.

Фактически всегда имеет место мощность тока. Она проявляется в виде электромагнитных явлений. В резисторе это электромагнитные излучения с длинами волн в инфракрасном спектре — тепловое излучение. В трансформаторах, дросселях и катушках индуктивности это электромагнитные поля. В конденсаторах это электростатические поля. Если превышать величину эл. мощности, рассчитанную для каждого электрического прибора, сокращается в той или иной мере срок его службы.

Активная эл. мощность характерна для электронных приборов и проводников, работающих на постоянном электротоке. Найти ее проще всего по формуле произведения напряжения и тока. Однако на переменном электротоке все значительно сложнее. Активное сопротивление, которое характерно для всего, что проводит электрический ток, дополняется реактивным сопротивлением. А последнее зависит от частоты электротока и напряжения. Поэтому используется полная эл. мощность, которая включает все особенности элемента электрической цепи.

Ее расчет без современных методов вычисления для обычных пользователей — задача сложная. Для упрощения служат специальные онлайн-калькуляторы. Каждый пользователь интернета теперь может высказаться в манере Архимеда о рычаге: «Дайте мне онлайн-калькулятор, и я вычислю любую эл. мощность».

Полезная информация

Таблица 3

Похожие статьи:

Расчета тока по мощности: формула, онлайн расчет

Чтобы уберечь себя от проблем с электропроводкой в процессе эксплуатации необходимо изначально правильно рассчитать и выбрать сечение кабеля ибо от этого будет зависеть и пожаробезопасность здания. Неправильно выбранное сечение кабеля может привести к короткому замыканию и возгоранию электропроводки, а с ней и всего помещения и здания. Выбор сечения зависит от многих параметров, но, пожалуй, самым главным является сила тока.

Формула расчета мощности электрического тока

Если в уже действующей цепи силу тока можно измерить специальными приборами (амперметром), то как быть при проектировании? Ведь мы не можем измерить силу тока в цепи, которой еще нет. В этом случае пользуются расчетным методом.
При известных параметрах мощности, напряжения в сети и характера нагрузки силу тока можно посчитать используя формулу:

Формула для однофазной сети I=P/(U×cosφ)

Формула для трехфазной сети I=P/(1,73×U×cosφ)

• P — электрическая мощность нагрузки, Вт;
• U — фактическое напряжение в сети, В;
• cosφ — коэффициент мощности.

Мощность определяется, исходя из суммарной мощности всех приборов, планируемых в эксплуатации, подключенных к данной сети, это, как правило, паспортные данные приборов или приблизительные значения для аналогичных приборов. Рассчитывается мощность на этапе планирования электропроводки в квартире.

Коэффициент мощности зависит от характера загрузки, например, для нагревательных приборов, ламп освещения он приближен к 1, но во всякой активной нагрузке есть реактивная составляющая, благодаря чему коэффициент мощности принимают равным 0,95. Это всегда нужно учитывать в разных видах электропроводки.

В мощных приборах и оборудовании (электродвигатели, сварочные аппараты и прочее) доля реактивной нагрузки выше, поэтому для подобных приборов коэффициент мощности принимают 0,8.

Напряжение в сети принимают 220 вольт для однофазного тока и 380 вольт для трехфазного, но для большей точности, если есть такая возможность, рекомендуется использовать для расчета фактические значения напряжения, измеренные приборами.

Форма для расчета мощности тока

Напряженность электрического поля — обзор

Излучаемая мощность и напряженность поля от UH

Аннотация: Радиостанции ближнего действия, которые работают на промышленных, научных и медицинских (ISM) частотах от 260 МГц до 470 МГц, широко используются для удаленного доступа без ключа (RKE), домашней безопасности и дистанционного управления.Критическим показателем эффективности радиопередатчика является мощность, излучаемая антенной. Эта мощность должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить надежную связь между передатчиком и приемником, но не должна быть настолько высокой, чтобы превышать пределы излучения, установленные в Части 15.231 Правил FCC. В этом примечании к применению обсуждается взаимосвязь между требованиями FCC к напряженности поля в диапазоне частот от 260 до 470 МГц и излучаемой мощностью и типичными величинами, измеренными на тестовом приемнике.Таблицы проиллюстрируют значения, которые проектировщик может рассчитывать получить в ходе полевых испытаний.

Введение

Очень часто антенны в передатчиках для приложений в диапазоне частот от 260 до 470 МГц в промышленности, науке и медицине (ISM) настолько малы, что излучают лишь небольшую часть мощности, доступной от усилителя мощности передатчика. Это делает измерение излучаемой мощности очень важной задачей. Это измерение усложняется тем, что пределы излучения указаны в Части 15.231 Правил FCC выражаются как напряженность поля (вольт / метр) на расстоянии 3 метра от передатчика. Кроме того, приемная антенна, ее размещение и единицы измерения на измерительном приемнике — все это влияет на измерение излучаемой мощности.

В этом примечании к применению поясняется взаимосвязь между излучаемой мощностью и напряженностью поля и единицами измерения, используемыми в измерительном приемнике. Таблицы проиллюстрируют взаимосвязь между требованиями FCC к напряженности поля в диапазоне частот от 260 до 470 МГц и излучаемой мощностью.Будут показаны типичные величины, измеренные на тестовом приемнике. Понимая эту взаимосвязь и зная некоторые коэффициенты преобразования, пользователь может определить, указывают ли измерения, сделанные на тестовом приемнике, на то, что передатчик близок к своей целевой излучаемой мощности.

Взаимосвязь между напряженностью поля и излучаемой мощностью

Мощность, передаваемая антенной, распространяется по сфере. Если антенна направленная, изменение ее мощности в зависимости от направления определяется ее усилением G (, Φ).В любой точке поверхности сферы с радиусом R мощность , плотность (PD) в ваттах / квадратный метр определяется уравнением 1.

Это выражение представляет собой просто мощность, излучаемую передатчиком, деленную на площадь поверхности сферы с радиусом R. Обозначение усиления G _T не имеет углового изменения. Это связано с тем, что большинство антенн, используемых в диапазоне частот ISM от 260 до 470 МГц, очень малы по сравнению с рабочей длиной волны и, следовательно, имеют диаграммы, которые не меняются резко в зависимости от направления.Усиление часто довольно мало, потому что антенны — очень неэффективные излучатели. По этой причине P _T и G _T хранятся вместе и означают эффективную изотропную излучаемую мощность (EIRP) комбинации передатчика и антенны. Следовательно, EIRP — это мощность, которая будет излучаться от идеальной всенаправленной, то есть изотропной антенны.

Плотность мощности на расстоянии R от передатчика также может быть выражена как квадрат напряженности поля E излучаемого сигнала в точке R, деленный на полное сопротивление свободного пространства, обозначенное в уравнении 2 как η ₀ .Значение η ₀ составляет 120 пОм, или около 377 Ом.

Объединение этих двух уравнений приводит к простому преобразованию EIRP, которое составляет P _T G _T , в напряженность поля E в вольт / метр.

В качестве альтернативы, уравнение 3 можно изменить, чтобы выразить EIRP в терминах напряженности поля.

При трехметровом расстоянии согласно требованиям Федеральной комиссии по связи связь еще проще.

В качестве примера, ограничение FCC на среднюю напряженность поля на частоте 315 МГц составляет около 6 мВ / метр.Используя уравнение 5, предел средней излучаемой мощности составляет 10,8 мкВт или -19,7 дБм.

Преобразование напряженности поля в EIRP еще более усложняется, поскольку в некоторых документах напряженность поля выражается в логарифмическом, или дБ, формате. В приведенном выше примере напряженность поля 6 мВ / метр также может быть выражена как 15,6 дБмВ / метр или 75,6 дБмкВ / метр.

Наконец, ограничения FCC на излучение меняются с частотой в диапазоне от 260 до 470 МГц. Это изменение означает, что на каждой частоте необходимо рассчитать напряженность поля по формуле требований FCC, а затем преобразовать одну единицу измерения в другую.В Части 15.231 FCC устанавливает предел напряженности поля на уровне 3750 мкВ / метр на частоте 260 МГц и допускает линейное увеличение до 12500 мкВ / метр на частоте 470 МГц.

Таблица 1 объединяет уравнения с 1 по 5 с формулой FCC для средних пределов напряженности поля. Таким образом, данные в таблице 1 обеспечивают быстрое преобразование в частотных интервалах 5 МГц для различных способов определения мощности излучения. Предполагается, что усиление передающей антенны равно 0 дБ.

Взаимосвязь между измеренной мощностью приемника и излучаемой мощностью

Если ограничить единицы измерения принимаемой мощностью и излучаемой мощностью, то соотношение между принятой и передаваемой мощностью хорошо известно. Это основа для расчета потерь пространства в системах связи.

Начиная с плотности мощности на расстоянии R (уравнение 1), мощность, принимаемая антенной на этом расстоянии, представляет собой просто плотность мощности, умноженную на эффективной площади приемной антенны.Эффективная площадь антенны определяется уравнением 6.

Величина λ представляет собой длину волны передачи. Умножение плотности в уравнении 1 на эффективную площадь приемной антенны приводит к известному уравнению потерь в свободном пространстве.

Уравнение 7 говорит, что если усиление приемной антенны близко к единице (что имеет место для небольшой антенны, такой как четвертьволновой шлейф), потеря мощности на расстоянии 3 метра для передачи на частоте около 300 МГц (соответствует 1 длина волны метра) составляет примерно (1 / 12π) ², или 31.5 дБ для приемной антенны с единичным усилением. Хотя это значение, вероятно, будет варьироваться от 25 дБ до 35 дБ, в зависимости от усиления приемной антенны, это хорошая первая проверка передатчика, антенн и испытательной установки. Если, например, кто-то ожидает, что печатная плата передатчика RKE будет излучать мощность -20 дБм, то на анализаторе спектра, подключенном к приемной антенне с приблизительно единичным усилением, расположенной на расстоянии 3 метра, следует увидеть мощность несколько меньше -50 дБм.

Связь между измеренным напряжением приемника и излучаемой мощностью

Во многих измерениях, предназначенных для демонстрации соответствия нормам FCC, приемник измеряет РЧ-напряжение на измерительной антенне, а не мощность.Это происходит потому, что FCC требует измерений напряженности поля, а не EIRP. Поскольку единицы измерения напряженности поля — вольт / метр (или мВ / метр, или мкВ / метр), преобразование измерения напряжения в вольт / метр с помощью калибровочной константы интуитивно проще.

Приемные антенны, изготовленные в основном для измерения электромагнитной совместимости, имеют калибровочную постоянную в единицах 1 / (метров). (Мы обсудим значение и вывод этой калибровочной постоянной ниже.) Таким образом, важно показать, как измерение напряжения связано с EIRP.Когда приемник получает питание от антенны, мощность становится напряжением на нагрузочном резисторе Z ₀ , которое обычно составляет 50 Ом. Связав принимаемое напряжение с принимаемой мощностью по уравнению 8,

и подставив это в уравнение 7, получаем выражение (уравнение 9) для принимаемого напряжения в терминах EIRP.

Взаимосвязь между измеренным напряжением приемника и напряженностью поля

Связь полученной мощности и, в конечном итоге, полученного напряжения с напряженностью поля может быть выполнена с использованием подхода, показанного в уравнениях 6 и 7.Плотность мощности умножается на эффективную площадь приемной антенны. Единственное различие в уравнении 10 состоит в том, что плотность мощности теперь выражается через напряженность поля E, как в уравнении 2.

Помня о том, что P _R связано с принимаемым напряжением уравнением 8, приводит к уравнению 11 , который связывает V _R с E.

Извлечение квадратного корня из обеих частей показывает, что полученное напряжение является просто коэффициентом, умноженным на напряженность поля.Учитывая, что большинство приемников имеют Z ₀ = 50 Ом и что η0 = 120πΩ, уравнение сводится к простому результату в уравнении 12.

Коэффициент, связывающий напряженность поля E с напряжением приема, V _R , обычно дается как отношение E к V _R . Это связано с тем, что V _R — это измеряемая величина, а E — величина, которая сравнивается с требованиями FCC. Производители антенн, используемых для измерения напряженности поля, указывают этот коэффициент, называемый антенным фактором (AF), в своих технических паспортах как функцию частоты.

В терминах переменных в уравнении 12 ниже приведен коэффициент антенны.

Единицы в уравнении 13 выражаются либо в (метрах) ^-1 , либо в соотношении в дБ, определяемом как 20 log ₁₀ [вольт / метр) / вольт]. Коэффициент усиления антенны выражается через коэффициент усиления по мощности, поэтому коэффициент усиления антенны 6 дБ равен 4, а коэффициент усиления антенны 10 дБ равен 10 и т. Д. Если длина волны составляет 1 метр (частота 300 МГц) и коэффициент усиления антенны составляет 6 дБ, тогда AF в уравнении 13 равен 4.87 (метры) ^-1 , что составит 13,6 дБ (метры) ^-1 .

Одной из наиболее часто используемых приемных антенн для измерения напряженности поля является логопериодическая антенна (LPA) с коэффициентом усиления, не зависящим от частоты в предполагаемом диапазоне измерения. Это означает, что его AF линейно увеличивается с частотой. Типичный LPA, TDK RF Solutions Model PLP-3003, имеет AF 14,2 дБ на частоте 300 МГц, или 5,1 метра ^-1 . Зависимость его АЧ от частоты показана на рис. , рис. 1 .Согласно уравнению 13, усиление этой антенны составляет 5,6 дБ на частоте 300 МГц.

Рис. 1. Коэффициент антенны (AF) в зависимости от частоты типичной измерительной антенны.

Если мы применим информацию из уравнения 13 и рисунка 1 к среднему пределу напряженности поля FCC _{5417 мкВ / метр} на частоте 300 МГц, мы ожидаем увидеть 1056 мкВ, измеренное на входном приемнике 50 Ом. Выражая это в дБ, напряженность поля 74,7 дБмкВ / м в пределах FCC будет отображаться в приемнике как 60,5 дБмкВ, что соответствует -46.Мощность 5 дБм при нагрузке 50 Ом. Этот результат согласуется с ранее сделанной оценкой потерь мощности. (См. Выше, где мы определяем, что сигнал EIRP -20 дБм в источнике будет приниматься на уровне примерно -50 дБм в приемнике.)

Напряжение и мощность на измерительном приемнике

В таблице 2 показано напряжение, которое может быть измерено с помощью антенны и приемника 50 Ом в соответствии с ограничениями напряженности поля FCC. AF, использованный в таблице 2, взят из технических характеристик логопериодической антенны на рисунке 1. Таблица 3 показывает мощность, которую можно было бы измерить с помощью того же оборудования. В таблице 3 используется эффективная излучаемая мощность от передатчика и антенны, которая соответствует пределам напряженности поля, затем применяются пространственные потери и усиление приемной антенны для определения мощности на нагрузке 50 Ом. Результаты в обеих таблицах взаимно согласованы. Следовательно, эти таблицы предоставляют разработчикам и пользователям УВЧ передатчиков ближнего действия набор ссылочных номеров, чтобы помочь определить, соответствуют ли они требованиям FCC и излучают ли они необходимую мощность.

Рекомендации по практическим измерениям

В таблицах в этом документе приведены приблизительные значения измеренной мощности и напряжения в зависимости от технических характеристик, таких как напряженность поля и EIRP. Эти значения будут отличаться при использовании разных измерительных антенн. Также существует несколько поправочных коэффициентов, которые необходимо внести в ходе измерения. Необходимо учитывать потери в кабеле и потери рассогласования, они зависят от частоты. Среда измерения, особенно отражение от земли или пола, может иметь существенное значение (до 6 дБ) в измеряемом напряжении приемника.Отражение от земли необходимо откалибровать с помощью другой эталонной антенны, обычно диполя. Поляризация излучающей антенны должна как можно лучше соответствовать поляризации измерительной антенны. Необходимо учитывать диаграмму направленности излучающего устройства, даже если излучающая антенна электрически мала (менее 1/6 длины волны), потому что корпус, испытательная установка и заземляющие экраны коаксиального кабеля могут вносить изменения в направлении.

Числа напряженности поля в этих таблицах относятся к пределам средней мощности , разрешенным FCC.Излучение пикового уровня мощности до 20 дБ выше пределов средней мощности разрешено при условии, что продолжительность передач и рабочий цикл подчиняются некоторым ограничениям. Следовательно, необходимо учитывать уровни мощности, которые значительно выше, чем указанные в этих таблицах. Поскольку измеренные значения соответствуют пределам напряженности поля дБ на дБ, регулировка ожидаемого уровня измерения для обеспечения правильной работы устройства не представляет труда. Если, например, продукт имеет профиль рабочего цикла, который допускает пиковую напряженность поля на частоте 315 МГц, которая на 10 дБ выше средней напряженности поля FCC, то теперь пиковая напряженность поля может составлять 19.1 мкВ / метр или 85,6 дБмкВ / метр. Взгляд на Таблицу 2 и Таблицу 3 показывает, что ожидаемые измеренные напряжение и мощность должны находиться в диапазоне от 71 дБмкВ до -36 дБм.

После того, как все эти эффекты будут измерены и учтены, можно использовать представленные здесь таблицы, чтобы определить, работает ли передатчик должным образом.

Статья была опубликована в ноябрьском номере журнала High Frequency Magazine за ноябрь 2006 г.

Определение термина «сила в силе и кондиционировании» — Human Kinetics

Это отрывок из книги «Развивающаяся сила», подготовленной NSCA — Национальной ассоциацией силы и физической подготовки и Майком МакГиганом.

Разговорное использование термина « power » как общего признака обычно неправильно понимается и интерпретируется. Власть — это, по определению, скорость выполнения работы.Единицей измерения работы является джоуль, а единицей измерения мощности — ватт (Вт), определяемый как джоуль в секунду. Тренеры часто указывают на то, что спортсмены сильны, описывая их движения как происходящие с высокой скоростью относительно силы, которую они должны создать или нагрузку, которую они должны преодолеть во время движения. перемещенный (например, другой человек во время захвата или приседания с отягощенным прыжком) все еще может быть описан как мощный, потому что скорость высока по сравнению с требуемой силой или массой, которая ускоряется.Разговорное использование термина мощный , вероятно, было вольной интерпретацией математических определений мощности. Следующие ниже математические уравнения, связанные с мощностью и работой, могут быть составлены несколькими способами для получения различных уравнений для мощности.

Поскольку работа является продуктом силы и смещения, подстановка приводит к следующему уравнению:

Еще более упрощенно (поскольку скорость = смещение и разделение; время), мы можем еще раз изменить уравнение на то, что обычно используется или выражается специалистами по силовой и кондиционной подготовке как уравнение для мощности:

Мощность (Вт) = сила (Н) & раз; скорость (м / с)

Кроме того, мощность может быть выражена как среднее значение за время движения, называемое средней мощностью системы (P _{, среднее значение} ), или как наивысшая пиковая мгновенная мощность системы (P _{, пиковая} ).Таким образом, среднее значение P _{всегда будет меньшим значением и представляет мощность во всем движении, тогда как пиковое значение} P _{— это мощность в наивысший дискретный момент времени (рисунок 2.1). Например, для P среднее значение во время встречного движения было указано как 765 Вт, в то время как P пиковое значение было указано как 5014 Вт.}

Рис. 2.1 Типичный прыжок с противодвижением с графическим изображением, который совпадает со стоянием, опусканием во время противодействия и затем разгибанием перед взлетом. (a) Смещение, скорость, сила и мощность в зависимости от времени с пиковой мощностью во время эксцентрической и концентрической фаз прыжка. Обратите внимание, что время пика мощности не совпадает с временем пика скорости и пика силы. (b) Мощность в зависимости от времени с указанием того, что включает в себя эксцентрическую и концентрическую фазы. Начало и конец каждого этапа описаны полностью в тексте.

Текущая тенденция в силовых и кондиционных тренировках по измерению и отчету P _{среднего} или P _пика привела к развитию баллистических оценок (например.ж., бросок и прыжок в жиме лежа). Во время баллистических оценок часто рассчитывается мощность, чтобы понять профиль силы и скорости спортсмена. Однако следует понимать, что баллистические оценки не следует рассматривать как измерение мощности. Вместо этого можно измерить P _{среднее значение} или P _пик во время этих баллистических действий. Фактически, мощность системы технически может быть измерена во время любой активности, кроме тех, которые являются изометрическими, где скорость равна нулю и, следовательно, мощность равна нулю.Кроме того, при измерении мощности очень важно полностью описать методы измерения (обсуждаемые в следующем разделе), чтобы результаты можно было интерпретировать в правильном контексте. Другие переменные, такие как сила и скорость, также должны быть представлены, потому что мощность — это механическая конструкция силы и скорости. Следовательно, чтобы правильно интерпретировать мощность как измеряемую переменную, необходимо понимать комбинацию изменений силы и скорости, которые вызывают измеренную выходную мощность (см. Главу 1 и последующий раздел о преимуществах и недостатках оценки мощности).

Сохранить

Сохранить

Сохранить

Save

Узнайте больше о Developing Power.

Исследование сгибания и разгибания тазобедренных и коленных суставов

В этом исследовании была предпринята попытка разработать формулу для прогнозирования максимального значения мышечной силы для молодых, средних и пожилых людей с использованием теоретического значения силы мышц 3-го уровня (момент справедливо:) — статический мышечный момент для поддержки сегмента конечности против силы тяжести — из мануального мышечного теста Daniels et al.В общей сложности 130 здоровых японцев, разделенных по возрастным группам, выполняли изометрические сокращения мышц с максимальным усилием для различных движений сгибания и разгибания в тазобедренном суставе, сгибания и разгибания коленного сустава, а также измеряли сопутствующую силу сопротивления и максимальное значение силы мышц (макс. ) был рассчитан. Вес тела и длина сегмента конечности (длина бедра и голени) были измерены и рассчитаны с использованием антропометрических измерений и теоретических расчетов. Наблюдалась линейная корреляция между каждым из четырех типов движений во всех группах, за исключением сгибания колен у пожилых людей.Однако формула для прогнозирования максимальной мышечной силы не была достаточно совместимой у людей среднего и пожилого возраста, что позволяет предположить, что формула, полученная в этом исследовании, применима только к молодым людям.

1. Введение

Оценка силы мышц является важным элементом обследования пациентов с нарушениями опорно-двигательного аппарата или нервной системы [1–3]. Он незаменим при клинической оценке, разработке и реализации подходящих терапевтических программ и прогнозировании функциональной способности [4, 5], поэтому при выполнении такой оценки необходимы высокая точность и надежность [6].

Методы оценки силы мышц включают ручное мышечное тестирование (MMT), методы с использованием изокинетического динамометра и методы измерения максимальной изометрической силы мышц с использованием ручного динамометра (HHD) [1–4]. MMT не требует испытательного оборудования, и оценка выполняется посредством ручного сопротивления, прикладываемого экзаменатором [5, 6], и поэтому может выполняться быстро и легко; по этой причине он часто используется в клинических условиях. MMT включает в себя результаты системы тестирования мышечной силы, которая учитывает эффект гравитации, созданную Райтом и Ловеттом и с различными поправками, внесенными Лоуменом, Кендаллом и Дэниелсом и др.[7]. В Японии метод MMT Daniels et al. [7] используется в основном. Однако этот MMT не является количественным, так как интервалы между градациями в порядковой шкале обозначены степенями от 0 до 5 (степень 0: абсолютно отсутствие видимой или ощутимой активности; степень 1: видимая или ощутимая активность сокращения мышц; степень 2: способность к перемещаться по всему диапазону движения в положении, сводящем к минимуму влияние силы тяжести; Уровень 3: движение по всему диапазону движения только против силы тяжести; Уровень 4: способен перемещаться во всем диапазоне движения против силы тяжести, но не может поддерживать тестовое положение против максимального сопротивления и оценка 5: терапевт не может нарушить позицию, сохраняемую пациентом, даже при приложении максимального сопротивления) не равны [7, 8].Таким образом, это субъективный тест, и достоверность обнаруженных изменений и различий в силе мышц невысока [2–4, 6].

И наоборот, методы оценки силы мышц с использованием изокинетического динамометра обладают высокой достоверностью и надежностью и считаются объективным стандартом для оценки силы мышц [4, 9]. Однако эти устройства неудобны для использования в клинических условиях по нескольким причинам, таким как стоимость, их большой размер и, как следствие, необходимость в просторном месте для установки, а также их сложность в эксплуатации [1–3, 6].

По этим причинам в последние годы привлекают внимание методы оценки силы мышц, которые измеряют максимальную изометрическую силу мышц с помощью HHD, которые позволяют легко проводить объективные и количественные измерения [1, 3, 5, 9, 10]. Эти методы имеют ограничение, заключающееся в необходимости фиксировать угол сустава, но имеют преимущество в использовании аппаратов, которые дешевле, меньше по размеру и более удобны в эксплуатации по сравнению с методами оценки силы мышц, в которых используются изокинетические динамометры [1, 2, 4, 9 ].Сообщается также, что они обладают хорошей надежностью и, следовательно, подтверждают их полезность [11–15].

Люди выполняют физические упражнения под действием силы тяжести, и на их уровень активности влияет старение, поэтому максимальная мышечная сила, которой может обладать человек, зависит от их индивидуальных характеристик. Таким образом, при клинической оценке силы мышц, целью которой является разработка и оценка эффективности терапевтических программ, подходящих для отдельных пациентов, необходимо принимать во внимание характеристики каждого пациента.

Следовательно, при клинической реализации метода оценки мышечной силы с использованием HHD необходимо установить прогнозируемое значение максимальной мышечной силы, зависящее от характеристик субъекта, в качестве индикатора максимальной мышечной силы, которую предмет должен обладать. Путем сравнения максимального значения мышечной силы, полученного посредством измерения, с прогнозируемым значением, метод оценки мышечной силы с использованием HHD может объективно и количественно оценить мышечную силу, принимая во внимание индивидуальные характеристики каждого субъекта и, таким образом, повышая мотивацию участников к выполнению упражнений.Он также дает терапевтам точную информацию о силе мышц и позволяет им создавать соответствующие программы и оценивать их эффективность.

Хотя были отмечены проблемы с объективностью оценки MMT Дэниелса и др., Оценка 3 является исключением, поскольку это объективный базовый показатель того, возможно ли полностью пройти весь диапазон движения против силы тяжести [7 ]. Мышечную силу 3 степени можно рассматривать как статический мышечный момент, необходимый для поддержки сегмента конечности против силы тяжести, что эквивалентно максимальному гравитационному моменту.Таким образом, теоретическое значение мышечной силы 3-й степени рассчитывается на основе критериев, оцениваемых извне, путем измерения веса тела и длины сегментов конечностей, а затем выполнения теоретических расчетов с использованием антропометрических показателей (весовые коэффициенты сегментов конечностей и соотношение расстояний до центра тяжести). Следовательно, если бы было известно относительное выражение, сравнивающее теоретическое значение силы мышц для 3-й степени и максимальное значение мышечной силы, можно было бы вычислить прогнозируемое значение для максимальной силы мышц, подставив в выражение вычисленное теоретическое значение силы 3-й степени.Поскольку вес тела и длина сегмента конечности используются при расчете теоретического значения силы мышц для 3-й степени, они зависят от индивидуального телосложения субъекта; таким образом, теоретическое значение силы мышц 3 степени может служить индикатором максимальной мышечной силы, которой должен обладать каждый субъект при относительной оценке значений мышечной силы, полученных путем измерения с использованием HHD.

В предыдущих исследованиях с целью разработки метода, использующего теоретическое значение силы мышц 3-го класса из MMT Daniels et al.При прогнозировании максимального значения силы мышц и выяснении взаимосвязи между максимальными и теоретическими значениями силы мышц 3-го класса мы проанализировали четыре типа движений рук (сгибание плеча, подъем и отведение лопатки, сгибание в локтевом суставе) и четыре типа движений. движения ног (сгибание / разгибание тазобедренного сустава и сгибание / разгибание в коленном суставе) всего восемь типов движений [16, 17]. После расчета теоретических значений силы мышц 3-го уровня на основе веса тела и длины сегмента конечности для каждой экспериментальной задачи, измерения фактической изометрической максимальной мышечной силы с помощью HHD и выполнения теста на некорреляционный и регрессионный анализ мы обнаружили линейную зависимость между максимальной мышечной массой. значение силы и теоретическое значение силы мышц для 3-й степени для каждого из восьми экспериментальных заданий.Было также высказано предположение, что возможна высокая степень точности при прогнозировании максимального значения мышечной силы, полученного на основе полученной формулы регрессии. Однако эти анализы были сосредоточены исключительно на молодых людях, и, учитывая влияние старения на мышечную силу [18–25], оставалось неясным, можно ли обобщить эти результаты для молодых людей на людей разных возрастных категорий.

Таким образом, с целью получения формулы, аналогичной нашим предыдущим исследованиям [16, 17], для прогнозирования максимального значения мышечной силы для сгибания / разгибания тазобедренного сустава и коленного сустава на основе теоретического значения мышечной силы 3-го уровня. согласно классификации MMT, как описано Daniels et al., это исследование выявило взаимосвязь между теоретическим значением силы мышц для 3-го класса и максимальным значением силы мышц по возрастным группам, а затем исследовали различия между возрастными группами.

2. Материалы и методы

2.1. Субъекты

Субъектами были 130 здоровых японцев. Субъекты были разделены по возрасту (таблица 1) на группу A (40 человек в возрасте от 20 до 30 лет), группу B (46 человек в возрасте от 40 до 50 лет) и группу C (44 человека в возрасте от 60 до 70 лет).Это исследование было одобрено Комитетом по безопасности и этике исследований Токийского столичного университета, кампус Аракава (номер одобрения 11038). Перед экспериментами все испытуемые были тщательно проинформированы о плане исследования, методах и том факте, что они не окажутся в невыгодном положении в зависимости от того, участвовали ли они в исследовании. Все испытуемые дали письменное согласие перед участием.

2.2. Методика исследования

Экспериментальными задачами были изометрические сокращения мышц для сгибания и разгибания тазобедренного сустава, а также для сгибания и разгибания коленного сустава в доминирующей ноге. Положение во время измерения сгибания тазобедренного сустава, а также сгибания и разгибания коленного сустава было таким, чтобы тазобедренный и коленный суставы были согнуты под углом 90 ° в сидячем положении, таз был ориентирован нейтрально, а подошвы обеих стоп полностью касались земли.Обе руки были скрещены перед туловищем. Положение во время измерения для задачи разгибания бедра (тест на разгибание бедра для выделения большой ягодичной мышцы) было положением на животе с коленными суставами, согнутыми под углом 90 °, и обеими руками расслабленными по бокам тела (Рисунок 1) [7].

Ручной динамометр µ Tas MT-1 (ANIMA, Tokyo) датчик давления был размещен в дистальной 1/3 позиции бедра во время задач сгибания / разгибания тазобедренного сустава и в дистальной 1/3 позиции нижней части бедра. нога во время выполнения заданий на сгибание / разгибание коленного сустава и прикреплена к кровати с помощью неэластичного ремня и деревянного приспособления, созданного авторами.Перед установкой положения измерения измеряли длину бедра (расстояние между большим вертелом и пространством коленного сустава) и длину голени (расстояние между пространством коленного сустава и боковой лодыжкой), необходимые для расчета места позиционирования датчика давления. Из этого состояния HHD был обнулен, и была измерена максимальная мышечная сила (Сила) при выполнении изометрического сокращения мышц с максимальным усилием для каждого движения. Кроме того, перед измерением были отработаны различные движения и подтверждена способность выполнять их правильно, а также был сделан достаточный отдых, чтобы минимизировать эффект утомления.измеряли дважды для каждой из четырех экспериментальных задач, и средние значения считались репрезентативными. Также измерялась масса тела, необходимая для расчета теоретических значений мышечной силы 3-й степени. После выполнения измерения теоретическое значение мышечной силы 3-го уровня (момент справедливое, или) и максимальное значение мышечной силы (момент макс, или) в MMT Дэниела и др. Были рассчитаны в соответствии с приведенными ниже расчетными формулами.

2.3. Расчет и

В экспериментальных задачах (Н · м) рассчитывалась по следующей формуле, полученной из сбалансированной зависимости момента (рис. 2) в положении конечности, в котором гравитационный момент, действующий на сегмент конечности, является наибольшим [ 16, 17, 26, 27].Для задач на тазобедренный сустав. Для задач на коленный сустав, где — масса тела (кг) — это ускорение свободного падения (м / с ² ) = 9,8, — длина бедра (м), — весовой коэффициент бедра (мужчины: 0,1; женщины: 0,1115), отношение расстояний до центра тяжести бедра = 0,42, комбинированный весовой коэффициент голени и стопы (мужчины: 0,0725; женщины: 0,0685), соотношение расстояний между центрами тяжести голени и стопы = 0,51 и меньше длина ноги (м).

(Н · м) в каждой экспериментальной задаче было рассчитано с использованием следующей формулы, полученной из сбалансированного отношения момента (рис. 3), действующего на рассматриваемый сегмент конечности в позиции измерения для.Для задач на тазобедренный сустав, для задач на коленный сустав, где — максимальное сопротивление (N) во время изометрического сокращения мышцы при максимальном усилии, — это расстояние (м) между большим вертелом и местом измерения и расстояние (м) между пространством коленного сустава. и место измерения.

2.4. Статистический анализ

Статистическая программа IBM SPSS Statistics Ver. 20 использовалось для всей статистической обработки. Чтобы исследовать взаимосвязь между четырьмя экспериментальными задачами и для них по возрастным группам, для каждой задачи и группы были выполнены некоррелированный тест и регрессионный анализ.Чтобы исследовать различия между возрастными скобками в полученных линиях регрессии для каждого из четырех типов экспериментальных задач, был проведен ковариационный анализ для каждой экспериментальной задачи с использованием в качестве коварианта.

3. Результаты

В задаче на сгибание бедра средняя доля to составила 40,7% в группе A, 44,0% в группе B и 47,8% в группе C; в задаче разгибания бедра — 43,8%, 50,9% и 53,4%; в задании на сгибание колена — 25,3%, 22,1% и 40,5%; и в задании на разгибание колена, 13.9%, 17,4% и 18,4% соответственно. В таблице 2 указаны средние значения и, а также доля от трех групп в каждой экспериментальной задаче. Для каждой экспериментальной задачи в группе A коэффициент корреляции составлял 0,672–0,758, что указывает на положительную корреляцию от умеренной до сильной для каждой задачи. Аналогичным образом для каждой экспериментальной задачи в группе B коэффициент корреляции составлял 0,486–0,657, что указывает на умеренную положительную корреляцию для каждой задачи. Для сгибания / разгибания тазобедренного сустава и разгибания коленного сустава в группе C коэффициент корреляции составил 0.376–0,699, что указывает на умеренную положительную корреляцию, но не было обнаружено такой корреляции для задания на сгибание колена.