Как сопротивление влияет на падение напряжения?

Любой человек, кто хоть как-нибудь связан с электричеством или электротехникой знаком с законом Ома для участка цепи – основным законом этой области человеческих знаний. Открытый в первой половине позапрошлого века закон обозначает тесную зависимость основополагающих понятий электричества:

• величины напряжения, приложенного к участку цепи – U, иначе именуемого разностью потенциалов;
• силы тока, протекающего через электрическую цепь – I;
• сопротивления электрическому току участка цепи – R.

В математическом виде он представлен выражением:

U=I*R

В физическом понимании это означает, что падение напряжения на участке цепи в 1 вольт соответствует произведению силы тока в 1 ампер, протекающего через участок сопротивлением в 1 Ом.

В качестве участка цепи для источника электрического потенциала (питающего напряжения) можно рассматривать нагрузку, например лампу накаливания, рассчитанную на питание 220 вольт. Однако в случае с реальной электрической сетью, еще одним участком цепи будут провода, по которым питание в нагрузку подается, обладающие конечным сопротивлением и характеризующиеся падениями напряжения на них.

Суть падения напряжения

Итак, в реальных электрических сетях приходится учитывать сопротивление проводников, используемых для подключения нагрузки, эти сопротивления зависят от удельного сопротивления металла, сечения проводов и общей длины кабеля. По сути, полную электрическую схему подключения нагрузки можно представить в виде двух, включенных последовательно сопротивлений:

• R1 (сопротивление нагрузки);
• R2 (сопротивление проводов).

Поскольку при последовательном включении через них течет один и тот же ток, то падение напряжения на каждом из сопротивлений будет составлять U1 и U2 соответственно, а их сумма будет равна величине входного напряжения, приложенного в точке подключения. Такое свойство обычно используется в простых делителях напряжения на резисторах. Разумеется, напряжение на самой нагрузке U1 оказывается меньше, нежели выходное напряжение источника питания на величину падения напряжения U2, прямо пропорциональную сопротивлению проводов.

Рассчитать падение напряжения при выборе сечения проводников достаточно просто по приведенной выше формуле, правда, для начала необходимо рассчитать сопротивление проводника. Оно определяется с учетом удельного сопротивления металла, используемого при изготовлении токопроводящих жил кабеля – ρ, длины проводника – l и сечения кабеля – S:

R = (ρ*l)/S.

Чтобы рассчитать сечения жил по диаметру (если оно неизвестно), следует воспользоваться формулой площади круга. Для меди удельное сопротивление составляет 0.0175 Ом*м/мм², следовательно, медный проводник длиной 50 м и сечением кабеля 1.5 мм² будет иметь сопротивление 0.583 Ом, а учитывая, что питающий кабель имеет как минимум 2 жилы (фаза и ноль), это сопротивление следует увеличить вдвое, и оно составит 1.167 Ом.

Много это или мало? Предположим такой отрезок кабеля понадобится для питания нагрузки током в 10 А, соответственно падение напряжения на кабеле составит почти 12 В. Для сети 220 В такая разница мало критична и в худшем случае может грозить незначительная потеря мощности, но для низковольтного питания, например 36 В такая величина явно выходит за пределы допустимых падений. Именно поэтому снижение входных напряжений, требует увеличения сечения питающих проводников.

Таким образом, правильным расчетом падения напряжения в зависимости от длины проводников мы не только оптимизируем режимы работы электрооборудования, фактически мы производим расчеты потерь, которые могут иметь место в процессе эксплуатации.