Электроника:Постоянный ток/Физика проводников и диэлектриков/Размеры проводов: различия между версиями
Myagkij (обсуждение | вклад) (→Итог:) |
Нет описания правки |
||
(не показано 11 промежуточных версий 1 участника) | |||
Строка 3: | Строка 3: | ||
{{Myagkij-редактор}} | {{Myagkij-редактор}} | ||
=Размеры проводов<ref>[https://www.allaboutcircuits.com/textbook/direct-current/chpt-12/ | =Размеры проводов<ref>[https://www.allaboutcircuits.com/textbook/direct-current/chpt-12/conductor-size/ www.allaboutcircuits.com - Conductor Size]</ref>= | ||
Здравый смысл и жизненная логика подсказывают, что по трубам большого | Здравый смысл и жизненная логика подсказывают, что по трубам большого [[диаметр]]а [[жидкость]] течёт легче, чем по трубам малого [[диаметр]]а (если хотите убедиться в этом лично, попробуйте попить [[жидкость]] через соломинки разной толщины). Тот же общий принцип и для потока [[электрон]]ов, протекающего по [[проводник]]у: чем шире [[площадь поперечного сечения]] (толщина) [[проводник]]а, тем больше места для манёвра и, следовательно, тем меньше препятствий для электронного потока (т.е. наблюдается меньшее [[сопротивление]]). | ||
==Два основных вида электрического провода: одножильный и многожильный== | ==Два основных вида электрического провода: одножильный и многожильный== | ||
Строка 11: | Строка 11: | ||
Электрический провод обычно имеет круглое поперечное сечение (хотя и далеко не всегда) и относится к одному из двух основных разновидностей: одножильному и многожильному. Сплошная медная проволока – это выглядит именно так, как и звучит: одна сплошная медная жила по всей длине провода. Многожильный провод состоит из более мелких жил сплошного медного провода, скрученных вместе, образуя один общий провод большего размера. | Электрический провод обычно имеет круглое поперечное сечение (хотя и далеко не всегда) и относится к одному из двух основных разновидностей: одножильному и многожильному. Сплошная медная проволока – это выглядит именно так, как и звучит: одна сплошная медная жила по всей длине провода. Многожильный провод состоит из более мелких жил сплошного медного провода, скрученных вместе, образуя один общий провод большего размера. | ||
Главным преимуществом многожильного провода является его механическая гибкость, способность выдерживать многократные изгибы и скручивания намного лучше, чем в случае с одножильным проводом (для меди вообще характерна так называемая | Главным преимуществом многожильного провода является его механическая гибкость, способность выдерживать многократные изгибы и скручивания намного лучше, чем в случае с одножильным проводом (для меди вообще характерна так называемая «усталость металла», в результате чего медный провод ломается после многократных деформаций). | ||
Под размером провода можно подразумевать разные понятия. Мы могли бы говорить о | Под размером провода можно подразумевать разные понятия. Мы могли бы говорить о [[диаметр]]е проволоки, но так как в контексте движения потока [[электрон]]ов нам прежде всего интересна вся область поперечного сечения, размер провода будем обозначать с точки зрения площади. | ||
[[File:Определение размера провода – площади поперечного сечения, вычисляемой на основе диаметра_1_08032021_1914.png|frame|center|Рис. 1. Определение размера провода – площади поперечного сечения, вычисляемой на основе диаметра.]] | [[File:Определение размера провода – площади поперечного сечения, вычисляемой на основе диаметра_1_08032021_1914.png|frame|center|'''Рис. 1.''' Определение размера провода – площади поперечного сечения, вычисляемой на основе диаметра.|alt=Рис. 1. Определение размера провода – площади поперечного сечения, вычисляемой на основе диаметра.]] | ||
Сечение провода, на рисунке выше, разумеется, показано не в масштабе | Сечение провода, на рисунке выше, разумеется, показано не в масштабе «один к одному». Диаметр обозначен как равный 0,1019 дюйма. Вычисляем площадь поперечного сечения по формуле Площадь = πr<sup>2</sup>, получаем в итоге 0,008155 квадратных дюймов: | ||
[[File:Формула для нахождения площади поперечного сечения_2_08032021_1914.png|frame|center|Рис. 2. Формула для нахождения площади поперечного сечения.]] | [[File:Формула для нахождения площади поперечного сечения_2_08032021_1914.png|frame|center|'''Рис. 2.''' Формула для нахождения площади поперечного сечения.|alt=Рис. 2. Формула для нахождения площади поперечного сечения.]] | ||
{{Примечание1 | |||
|1=В данной главе автор обозначает площадь буквой A, от слова Area. Обычно в технической/учебной/научной литературе, особенно в русскоязычной, площадь в формулах принято обозначать буквой S, от слова Square. Но перевод самого слова «square» – это больше про вычисление площадей прямоугольников и квадратов, а здесь специально подчёркивается, что поперечное сечение провода как раз обычно имеет не квадратную форму). | |||
}} | |||
С получаемыми небольшими числами работать не совсем удобно, поэтому размеры проводов часто переводят в тысячные доли дюйма (называемые также милы). Для проиллюстрированного примера мы бы сказали, что диаметр проволоки составляет | С получаемыми небольшими числами работать не совсем удобно, поэтому размеры проводов часто переводят в тысячные доли дюйма (называемые также милы). Для проиллюстрированного примера мы бы сказали, что [[диаметр]] проволоки составляет 101,9 мил (0,1019 дюйма умножаем на 1000, чтобы перейти к тысячным долям дюйма). Мы также могли бы, если бы захотели, выразить площадь провода в квадратных милах, вычислив это значение по той же формуле круга и площади, Площадь = πr<sup>2</sup>: | ||
[[File:При нахождении площади поперечного сечения (представляющего собой круг) проволоки, переведём дюймы в милы_3_08032021_1915.png|frame|center|Рис. 3. При нахождении площади поперечного сечения (представляющего собой круг) проволоки, переведём дюймы в милы.]] | [[File:При нахождении площади поперечного сечения (представляющего собой круг) проволоки, переведём дюймы в милы_3_08032021_1915.png|frame|center|'''Рис. 3.''' При нахождении площади поперечного сечения (представляющего собой круг) проволоки, переведём дюймы в милы.|alt=Рис. 3. При нахождении площади поперечного сечения (представляющего собой круг) проволоки, переведём дюймы в милы.]] | ||
[[File:Используем формулу для поперечного сечения провода (представляющего собой круг), расчёты выполнены_4_08032021_1915.png|frame|center|Рис. 4. Используем формулу для поперечного сечения провода (представляющего собой круг), расчёты выполнены в милах, а не в дюймах.]] | [[File:Используем формулу для поперечного сечения провода (представляющего собой круг), расчёты выполнены_4_08032021_1915.png|frame|center|'''Рис. 4.''' Используем формулу для поперечного сечения провода (представляющего собой круг), расчёты выполнены в милах, а не в дюймах.|alt=Рис. 4. Используем формулу для поперечного сечения провода (представляющего собой круг), расчёты выполнены в милах, а не в дюймах.]] | ||
== Расчёт круглого поперечного сечения провода в милах == | == Расчёт круглого поперечного сечения провода в милах == | ||
Однако | Однако [[электрик]]и и вообще те, кто работает с размерами проводов, используют другую единицу измерения площади, специально разработанную для круглого сечения провода. Эта специальная единица называется круговым милом (в англоязычной технической литературе используется сокращение cmil от circular mil). Эта специальная единица измерения нужна только для того, чтобы избавиться от необходимости использовать коэффициент π (3,1415927...) в формуле для вычисления площади, а также при этом не нужно вычислять радиус провода, если уже задан [[диаметр]]. Формула для расчёта площади в милах для провода с круглым сечением очень проста: | ||
[[File:Формула для нахождения площади провода в круговых милах_5_08032021_1915.png|frame|center|Рис. 5. Формула для нахождения площади провода в круговых милах.]] | [[File:Формула для нахождения площади провода в круговых милах_5_08032021_1915.png|frame|center|'''Рис. 5.''' Формула для нахождения площади провода в круговых милах.|alt=Рис. 5. Формула для нахождения площади провода в круговых милах.]] | ||
Поскольку, хоть мы и избавились от числа | Поскольку, хоть мы и избавились от числа «пи», это единица измерения площади, степень 2 никуда не делась (удвоение ширины круга всегда увеличивает его [[площадь]] в четыре раза, независимо от того, какие единицы используются, или если ширина круга определяется хоть через [[радиус]] хоть через [[диаметр]]). Чтобы проиллюстрировать разницу между измерениями в квадратных милах и круговых милах, сравним круг с квадратом, показывая площадь каждой формы в обеих единицах измерения: | ||
[[File:Разница между измерениями в квадратных и круговых милах_6_08032021_1915.png|frame|center|Рис. 6. Разница между измерениями в квадратных и круговых милах.]] | [[File:Разница между измерениями в квадратных и круговых милах_6_08032021_1915.png|frame|center|'''Рис. 6.''' Разница между измерениями в квадратных и круговых милах.|alt=Рис. 6. Разница между измерениями в квадратных и круговых милах.]] | ||
Удвоим размер проволоки: | Удвоим размер проволоки: | ||
[[File:Разница между измерениями в квадратных и круговых милах_7_08032021_1916.png|frame|center|Рис. 7. Разница между измерениями в квадратных и круговых милах.]] | [[File:Разница между измерениями в квадратных и круговых милах_7_08032021_1916.png|frame|center|'''Рис. 7.''' Разница между измерениями в квадратных и круговых милах.|alt=Рис. 7. Разница между измерениями в квадратных и круговых милах.]] | ||
Очевидно, круг заданного | Очевидно, круг заданного [[диаметр]]а имеет меньшую площадь поперечного сечения, чем квадрат ширины и высоты, равный диаметру круга: обе единицы измерения площади (квадратные милы и круговые милы) отражают это. | ||
Однако, надеюсь, понятно, что единица измерения | Однако, надеюсь, понятно, что единица измерения «квадратный мил» действительно предназначена для удобного определения площади квадрата, в то время как единица измерения «круговой мил» предназначена для удобного определения площади именно круга: в зависимости от того, какую форму имеет сечение провода и выбираем соответствующую формулу. Следует также понимать, что обе единицы применимы для измерения площади любой формы, какой бы она ни была. Переводить круговые милы в квадратные и обратно легко, если помнить простое соотношение: на каждые 4 круговых мила приходится π (3,1415927...) квадратных мила. | ||
== Измерение площади поперечного сечения провода с помощью калибра == | == Измерение площади поперечного сечения провода с помощью калибра == | ||
Другой мерой площади поперечного сечения провода является калибр. Шкала | Другой мерой площади поперечного сечения провода является [[калибр]]. Шкала [[калибр]]ов основана на целых числах, а не на дробных или десятичных дюймах. Чем больше номер [[калибр]]а, тем тоньше провод; чем меньше номер [[калибр]]а, тем провод толще. Для тех, кто имел дело с огнестрельным оружием, эта обратно пропорциональная шкала измерения должна показаться знакомой. | ||
В таблице ниже показано, как | В таблице ниже показано, как [[калибр]]ы сплошной проволоки соотносятся с диаметром в дюймах и площадью поперечного сечения (имеющего форму круга), выраженной в круговых или квадратных милах. Провода большего [[диаметр]]а, достигших конца общей шкалы [[калибр]]ов (которая при увеличении размера провода естественным образом упирается в крайнее целочисленное значение 1) и представлены сериями нулей: 0, 00, 000, 0000. Впрочем, вместо нулей принято обозначать вот так: «3/0» (вместо 000), при этом в данном случае произносится как «тройной нуль». Опять же, тем, кто имеет дело с [[огнестрел]]ом, следует принять эту терминологию, даже если она им кажется противоестественной. Что ещё больше запутывает ситуацию, так это то, что в мире существует и другие калибровочные стандарты. В рамках именно этого учебного курса мы будем ориентироваться на американскую систему калибров проводов (называемую [[AWG]], от [[American Wire Gauge]]), также этот стандарт известен как калибр Брауна и Шарпа (B&S). В [[Канаде]] и [[Великобритании]] распространён британский стандарт ([[SWG]], от [[British Standard Wire Gauge]], где в аббревиатуру почему-то не попала первая буква B) – это в этих странах юридически закреплённая система измерения электрических проводов. Есть в мире и другие системы проводной калибровки, например, [[Steel Music Wire Gauge]] (обозначается как [[MWG]], тоже куда-то сгинула первая буква из аббревиатуры), но эти измерительные системы применяются для неэлектрической проволоки (в случае с [[MWG]] классифицируется толщина струн для музыкальных инструментов). | ||
Когда разрабатывали американскую систему | Когда разрабатывали американскую систему [[AWG]], несмотря на все её странности, создатели преследовали вполне определённую цель: на каждые три шага по калибровочной шкале площадь провода (и вес на единицу длины) примерно удваивается. Это весьма удобно при приблизительной оценке размера проволоки! | ||
Для очень больших размеров проволоки (толще | Для очень больших размеров проволоки (толще 4/0, что выходит за пределы таблицы) от системы калибра проволоки обычно отказываются и измеряют площадь поперечного сечения в тысячах круговых мил (обозначается латинскими буквами [[MCM]], где римская цифра «M» обозначает числа, кратные тысяче, а «CM» – это круговые милы). В следующей таблице для классификации проводов не указаны размеры, превышающие калибр 4/0, потому что сплошной медный провод с такими размерами совершенно непрактичен в использовании. Если нужны толстые мощные провода, то лучше использовать многожильные варианты. | ||
{{ads2}} | |||
Размер | {| class="wikitable" style="margin: 0 auto" | ||
Диаметр | |+ Калибровочная таблица для сплошных круглых медных проводов: | ||
Площадь поперечного сечения | |- | ||
Вес на единицу длины | |'''Размер''' | ||
система AWG | |'''Диаметр''' | ||
дюймы | | colspan="2"| '''Площадь поперечного сечения''' | ||
круговые милы | |'''Вес на единицу длины''' | ||
квадратные дюймы | |- | ||
фунт / 1000 футов | |'''система AWG''' | ||
4/0 (0000) | |'''дюймы''' | ||
0,4600 | |'''круговые милы''' | ||
211 600 | |'''квадратные дюймы''' | ||
0,1662 | |'''фунт / 1000 футов''' | ||
640,5 | |- | ||
3/0 (000) | || 4/0 (0000) | ||
0,4096 | || 0,4600 | ||
167 800 | || 211 600 | ||
0,1318 | || 0,1662 | ||
507,9 | || 640,5 | ||
2/0 (00) | |- | ||
0,3648 | || 3/0 (000) | ||
133 100 | || 0,4096 | ||
0,1045 | || 167 800 | ||
402,8 | || 0,1318 | ||
1/0 (0) | || 507,9 | ||
0,3249 | |- | ||
105 500 | || 2/0 (00) | ||
0,08289 | || 0,3648 | ||
319,5 | || 133 100 | ||
1 | || 0,1045 | ||
0,2893 | || 402,8 | ||
83 690 | |- | ||
0,06573 | || 1/0 (0) | ||
253,5 | || 0,3249 | ||
2 | || 105 500 | ||
0,2576 | || 0,08289 | ||
|| 319,5 | |||
0,05213 | |- | ||
200,9 | || 1 | ||
3 | || 0,2893 | ||
0,2294 | || 83 690 | ||
|| 0,06573 | |||
0,04134 | || 253,5 | ||
159,3 | |- | ||
4 | || 2 | ||
0,2043 | || 0,2576 | ||
|| 66 370 | |||
0,03278 | || 0,05213 | ||
126,4 | || 200,9 | ||
5 | |- | ||
0,1819 | || 3 | ||
|| 0,2294 | |||
0,02600 | || 52 630 | ||
100,2 | || 0,04134 | ||
6 | || 159,3 | ||
0,1620 | |- | ||
|| 4 | |||
0,02062 | || 0,2043 | ||
79,46 | || 41 740 | ||
7 | || 0,03278 | ||
0,1443 | || 126,4 | ||
|- | |||
0,01635 | || 5 | ||
63,02 | || 0,1819 | ||
8 | || 33 100 | ||
0,1285 | || 0,02600 | ||
|| 100,2 | |||
0,01297 | |- | ||
49,97 | || 6 | ||
9 | || 0,1620 | ||
0,1144 | || 26 250 | ||
|| 0,02062 | |||
0,01028 | || 79,46 | ||
39,63 | |- | ||
10 | || 7 | ||
0,1019 | || 0,1443 | ||
|| 20 820 | |||
0,008155 | || 0,01635 | ||
31,43 | || 63,02 | ||
11 | |- | ||
0,09074 | || 8 | ||
|| 0,1285 | |||
0,006467 | || 16 510 | ||
24,92 | || 0,01297 | ||
12 | || 49,97 | ||
0,08081 | |- | ||
|| 9 | |||
0,005129 | || 0,1144 | ||
19,77 | || 13 090 | ||
13 | || 0,01028 | ||
0,07196 | || 39,63 | ||
|- | |||
0,004067 | || 10 | ||
15,68 | || 0,1019 | ||
14 | || 10 380 | ||
0,06408 | || 0,008155 | ||
|| 31,43 | |||
0,003225 | |- | ||
12,43 | || 11 | ||
15 | || 0,09074 | ||
0,05707 | || 8 234 | ||
|| 0,006467 | |||
0,002558 | || 24,92 | ||
9,858 | |- | ||
16 | || 12 | ||
0,05082 | || 0,08081 | ||
2,583 | || 6 530 | ||
0,002028 | || 0,005129 | ||
7,818 | || 19,77 | ||
17 | |- | ||
0,04526 | || 13 | ||
|| 0,07196 | |||
0,001609 | || 5 178 | ||
6,200 | || 0,004067 | ||
18 | || 15,68 | ||
0,04030 | |- | ||
|| 14 | |||
0,001276 | || 0,06408 | ||
4,917 | || 4 107 | ||
19 | || 0,003225 | ||
0,03589 | || 12,43 | ||
1 288 | |- | ||
0,001012 | || 15 | ||
3,899 | || 0,05707 | ||
20 | || 3 257 | ||
0,03196 | || 0,002558 | ||
|| 9,858 | |||
0,0008023 | |- | ||
3,092 | || 16 | ||
21 | || 0,05082 | ||
0,02846 | || 2,583 | ||
810,1 | || 0,002028 | ||
0,0006363 | || 7,818 | ||
2,452 | |- | ||
22 | || 17 | ||
0,02535 | || 0,04526 | ||
642,5 | || 2 048 | ||
0,0005046 | || 0,001609 | ||
1,945 | || 6,200 | ||
23 | |- | ||
0,02257 | || 18 | ||
509,5 | || 0,04030 | ||
0,0004001 | || 1 624 | ||
1,542 | || 0,001276 | ||
24 | || 4,917 | ||
0,02010 | |- | ||
404,0 | || 19 | ||
0,0003173 | || 0,03589 | ||
1,233 | || 1 288 | ||
25 | || 0,001012 | ||
0,01790 | || 3,899 | ||
320,4 | |- | ||
0,0002517 | || 20 | ||
0,9699 | || 0,03196 | ||
26 | || 1 022 | ||
0,01594 | || 0,0008023 | ||
254,1 | || 3,092 | ||
0,0001996 | |- | ||
0,7692 | || 21 | ||
27 | || 0,02846 | ||
0,01420 | || 810,1 | ||
201,5 | || 0,0006363 | ||
0,0001583 | || 2,452 | ||
0,6100 | |- | ||
28 | || 22 | ||
0,01264 | || 0,02535 | ||
159,8 | || 642,5 | ||
0,0001255 | || 0,0005046 | ||
0,4837 | || 1,945 | ||
29 | |- | ||
0,01126 | || 23 | ||
126,7 | || 0,02257 | ||
0,00009954 | || 509,5 | ||
0,3836 | || 0,0004001 | ||
30 | || 1,542 | ||
0,01003 | |- | ||
100,5 | || 24 | ||
0,00007894 | || 0,02010 | ||
0,3042 | || 404,0 | ||
31 | || 0,0003173 | ||
0,008928 | || 1,233 | ||
79,70 | |- | ||
0,00006260 | || 25 | ||
0,2413 | || 0,01790 | ||
32 | || 320,4 | ||
0,007950 | || 0,0002517 | ||
63,21 | || 0,9699 | ||
0,00004964 | |- | ||
0,1913 | || 26 | ||
33 | || 0,01594 | ||
0,007080 | || 254,1 | ||
50,13 | || 0,0001996 | ||
0,00003937 | || 0,7692 | ||
0,1517 | |- | ||
34 | || 27 | ||
0,006305 | || 0,01420 | ||
39,75 | || 201,5 | ||
0,00003122 | || 0,0001583 | ||
0,1203 | || 0,6100 | ||
35 | |- | ||
0,005615 | || 28 | ||
31,52 | || 0,01264 | ||
0,00002476 | || 159,8 | ||
0,09542 | || 0,0001255 | ||
36 | || 0,4837 | ||
0,005000 | |- | ||
25,00 | || 29 | ||
0,00001963 | || 0,01126 | ||
0,07567 | || 126,7 | ||
37 | || 0,00009954 | ||
0,004453 | || 0,3836 | ||
19,83 | |- | ||
0,00001557 | || 30 | ||
0,06001 | || 0,01003 | ||
38 | || 100,5 | ||
0,003965 | || 0,00007894 | ||
15,72 | || 0,3042 | ||
0,00001235 | |- | ||
0,04759 | || 31 | ||
39 | || 0,008928 | ||
0,003531 | || 79,70 | ||
12,47 | || 0,00006260 | ||
0,000009793 | || 0,2413 | ||
0,03774 | |- | ||
40 | || 32 | ||
0,003145 | || 0,007950 | ||
9,888 | || 63,21 | ||
0,000007766 | || 0,00004964 | ||
0,02993 | || 0,1913 | ||
41 | |- | ||
0,002800 | || 33 | ||
7,842 | || 0,007080 | ||
0,000006159 | || 50,13 | ||
0,02374 | || 0,00003937 | ||
42 | || 0,1517 | ||
0,002494 | |- | ||
6,219 | || 34 | ||
0,000004884 | || 0,006305 | ||
0,01882 | || 39,75 | ||
43 | || 0,00003122 | ||
0,002221 | || 0,1203 | ||
4,932 | |- | ||
0,000003873 | || 35 | ||
0,01493 | || 0,005615 | ||
|| 31,52 | |||
|| 0,00002476 | |||
|| 0,09542 | |||
|- | |||
|| 36 | |||
|| 0,005000 | |||
|| 25,00 | |||
|| 0,00001963 | |||
|| 0,07567 | |||
|- | |||
|| 37 | |||
|| 0,004453 | |||
|| 19,83 | |||
|| 0,00001557 | |||
|| 0,06001 | |||
|- | |||
|| 38 | |||
|| 0,003965 | |||
|| 15,72 | |||
|| 0,00001235 | |||
|| 0,04759 | |||
|- | |||
|| 39 | |||
|| 0,003531 | |||
|| 12,47 | |||
|| 0,000009793 | |||
|| 0,03774 | |||
|- | |||
|| 40 | |||
|| 0,003145 | |||
|| 9,888 | |||
|| 0,000007766 | |||
|| 0,02993 | |||
|- | |||
|| 41 | |||
|| 0,002800 | |||
|| 7,842 | |||
|| 0,000006159 | |||
|| 0,02374 | |||
|- | |||
|| 42 | |||
|| 0,002494 | |||
|| 6,219 | |||
|| 0,000004884 | |||
|| 0,01882 | |||
|- | |||
|| 43 | |||
|| 0,002221 | |||
|| 4,932 | |||
|| 0,000003873 | |||
|| 0,01493 | |||
|- | |||
|} | |||
Иногда (в случаях со сверхвысокими токами) требуются провода с сечением, превышающим практический предел | Иногда (в случаях со сверхвысокими токами) требуются провода с сечением, превышающим практический предел [[диаметр]]а круглого провода. В этих случаях в качестве проводов используются толстые шины из твёрдого металла, называемые сборными шинами. Шины обычно изготавливаются из [[меди]] или [[алюминия]] и чаще всего не изолированы. Они физически расположены на расстоянии от [[каркас]]а или конструкции, удерживающей их, с помощью изоляционных опор. Хотя зачастую поперечное сечение является квадратным или прямоугольным, широко распространены и другие формы шины. [[Площадь поперечного сечения]] шин обычно измеряется в круговых милах (даже если форма квадратная или прямоугольная!). Скорее всего это из-за того, чтобы было удобно напрямую соотнести размер шины с круглым проводом. | ||
== Итог== | == Итог== | ||
* Ток течёт по проводам большего | * Ток течёт по проводам большего [[диаметр]]а легче, чем по проводам меньшего [[диаметр]]а, так как ввиду большей площади поперечного сечения [[электрон]]ам проще двигаться по проводнику. | ||
* Вместо того, чтобы измерять небольшие размеры проволоки в дюймах, часто используется единица измерения | * Вместо того, чтобы измерять небольшие размеры проволоки в дюймах, часто используется единица измерения «мил» (1/1000 дюйма). | ||
* Площадь поперечного сечения провода может быть выражена в квадратных единицах (квадратные дюймы или квадратные милы), в круговых милах или же посредством калибровочной шкалы. | * [[Площадь поперечного сечения]] провода может быть выражена в квадратных единицах (квадратные дюймы или квадратные милы), в круговых милах или же посредством калибровочной шкалы. | ||
* Расчёт площади в квадратных единицах для круглого провода выполняется с помощью обычной формулы для нахождения площади круга: | * Расчёт площади в квадратных единицах для круглого провода выполняется с помощью обычной формулы для нахождения площади круга: A = πr<sup>2</sup> (квадратные единицы измерения). | ||
* Расчёт площади проволоки с сечением в виду круга в милах намного проще из-за того, что единица измерения | * Расчёт площади проволоки с сечением в виду круга в милах намного проще из-за того, что единица измерения «круговой мил» специально придумана именно для этой цели: чтобы из классической формулы для нахождения площади исключить иррациональное число «пи», а также для того, чтобы не вычислять радиус как половину известного диаметра. A = d<sup>2</sup> (круговые единицы измерения) | ||
* На каждые | * На каждые 4 круговых мила приходится π (3,1416…) квадратных мила. | ||
* Система калибровки проводов основана на целых числах, при этом бо́льшие числа представляют провода меньшей площади сечения, и наоборот – меньшие числа представляют провода большей площади сечения. Провода толщиной более | * Система калибровки проводов основана на целых числах, при этом бо́льшие числа представляют провода меньшей площади сечения, и наоборот – меньшие числа представляют провода большей площади сечения. Провода толщиной более 1 калибра обозначаются нулями: 0, 00, 000 и 0000 (произносятся «одинарный ноль», «двойной ноль», «тройной ноль» и «четверной ноль». | ||
* Очень большие сечения проводов измеряются в тысячах круговых милов ( | * Очень большие сечения проводов измеряются в тысячах круговых милов (MCM, где приставка M это римская «тысяча», а вовсе не «мега», обозначающая той же буквой «миллион» в системе приставок Си), что распространено при использовании сборных шин и проводов с сечением выше, чем 4/0. | ||
* Шины – это сплошные шины из меди или алюминия, используемые в конструкциях сильноточных цепей. Соединения, выполняемые с шинами, обычно являются сварными или болтовыми, а сами шины часто голые (т.е. не изолированные), поддерживаемые поодаль от металлических каркасов с помощью изоляционных стоек. | * Шины – это сплошные шины из [[меди]] или [[алюминия]], используемые в конструкциях сильноточных цепей. Соединения, выполняемые с шинами, обычно являются сварными или болтовыми, а сами шины часто голые (т.е. не изолированные), поддерживаемые поодаль от металлических каркасов с помощью изоляционных стоек. | ||
=См.также= | =См.также= | ||
=Внешние ссылки= | =Внешние ссылки= | ||
Строка 326: | Строка 381: | ||
<references /> | <references /> | ||
{{Навигационная таблица/Электроника}} | {{Навигационная таблица/Портал/Электроника}} | ||
[[Категория:Постоянный ток]] | |||
[[Категория:Размеры проводов]] | |||
[[Категория:Физика проводников и диэлектриков]] | |||
[[Категория:Теория]] | |||
[[Категория:Теория по электронике]] |
Текущая версия от 21:49, 22 мая 2023
Размеры проводов[1]
Здравый смысл и жизненная логика подсказывают, что по трубам большого диаметра жидкость течёт легче, чем по трубам малого диаметра (если хотите убедиться в этом лично, попробуйте попить жидкость через соломинки разной толщины). Тот же общий принцип и для потока электронов, протекающего по проводнику: чем шире площадь поперечного сечения (толщина) проводника, тем больше места для манёвра и, следовательно, тем меньше препятствий для электронного потока (т.е. наблюдается меньшее сопротивление).
Два основных вида электрического провода: одножильный и многожильный
Электрический провод обычно имеет круглое поперечное сечение (хотя и далеко не всегда) и относится к одному из двух основных разновидностей: одножильному и многожильному. Сплошная медная проволока – это выглядит именно так, как и звучит: одна сплошная медная жила по всей длине провода. Многожильный провод состоит из более мелких жил сплошного медного провода, скрученных вместе, образуя один общий провод большего размера.
Главным преимуществом многожильного провода является его механическая гибкость, способность выдерживать многократные изгибы и скручивания намного лучше, чем в случае с одножильным проводом (для меди вообще характерна так называемая «усталость металла», в результате чего медный провод ломается после многократных деформаций).
Под размером провода можно подразумевать разные понятия. Мы могли бы говорить о диаметре проволоки, но так как в контексте движения потока электронов нам прежде всего интересна вся область поперечного сечения, размер провода будем обозначать с точки зрения площади.
Сечение провода, на рисунке выше, разумеется, показано не в масштабе «один к одному». Диаметр обозначен как равный 0,1019 дюйма. Вычисляем площадь поперечного сечения по формуле Площадь = πr2, получаем в итоге 0,008155 квадратных дюймов:
С получаемыми небольшими числами работать не совсем удобно, поэтому размеры проводов часто переводят в тысячные доли дюйма (называемые также милы). Для проиллюстрированного примера мы бы сказали, что диаметр проволоки составляет 101,9 мил (0,1019 дюйма умножаем на 1000, чтобы перейти к тысячным долям дюйма). Мы также могли бы, если бы захотели, выразить площадь провода в квадратных милах, вычислив это значение по той же формуле круга и площади, Площадь = πr2:
Расчёт круглого поперечного сечения провода в милах
Однако электрики и вообще те, кто работает с размерами проводов, используют другую единицу измерения площади, специально разработанную для круглого сечения провода. Эта специальная единица называется круговым милом (в англоязычной технической литературе используется сокращение cmil от circular mil). Эта специальная единица измерения нужна только для того, чтобы избавиться от необходимости использовать коэффициент π (3,1415927...) в формуле для вычисления площади, а также при этом не нужно вычислять радиус провода, если уже задан диаметр. Формула для расчёта площади в милах для провода с круглым сечением очень проста:
Поскольку, хоть мы и избавились от числа «пи», это единица измерения площади, степень 2 никуда не делась (удвоение ширины круга всегда увеличивает его площадь в четыре раза, независимо от того, какие единицы используются, или если ширина круга определяется хоть через радиус хоть через диаметр). Чтобы проиллюстрировать разницу между измерениями в квадратных милах и круговых милах, сравним круг с квадратом, показывая площадь каждой формы в обеих единицах измерения:
Удвоим размер проволоки:
Очевидно, круг заданного диаметра имеет меньшую площадь поперечного сечения, чем квадрат ширины и высоты, равный диаметру круга: обе единицы измерения площади (квадратные милы и круговые милы) отражают это.
Однако, надеюсь, понятно, что единица измерения «квадратный мил» действительно предназначена для удобного определения площади квадрата, в то время как единица измерения «круговой мил» предназначена для удобного определения площади именно круга: в зависимости от того, какую форму имеет сечение провода и выбираем соответствующую формулу. Следует также понимать, что обе единицы применимы для измерения площади любой формы, какой бы она ни была. Переводить круговые милы в квадратные и обратно легко, если помнить простое соотношение: на каждые 4 круговых мила приходится π (3,1415927...) квадратных мила.
Измерение площади поперечного сечения провода с помощью калибра
Другой мерой площади поперечного сечения провода является калибр. Шкала калибров основана на целых числах, а не на дробных или десятичных дюймах. Чем больше номер калибра, тем тоньше провод; чем меньше номер калибра, тем провод толще. Для тех, кто имел дело с огнестрельным оружием, эта обратно пропорциональная шкала измерения должна показаться знакомой.
В таблице ниже показано, как калибры сплошной проволоки соотносятся с диаметром в дюймах и площадью поперечного сечения (имеющего форму круга), выраженной в круговых или квадратных милах. Провода большего диаметра, достигших конца общей шкалы калибров (которая при увеличении размера провода естественным образом упирается в крайнее целочисленное значение 1) и представлены сериями нулей: 0, 00, 000, 0000. Впрочем, вместо нулей принято обозначать вот так: «3/0» (вместо 000), при этом в данном случае произносится как «тройной нуль». Опять же, тем, кто имеет дело с огнестрелом, следует принять эту терминологию, даже если она им кажется противоестественной. Что ещё больше запутывает ситуацию, так это то, что в мире существует и другие калибровочные стандарты. В рамках именно этого учебного курса мы будем ориентироваться на американскую систему калибров проводов (называемую AWG, от American Wire Gauge), также этот стандарт известен как калибр Брауна и Шарпа (B&S). В Канаде и Великобритании распространён британский стандарт (SWG, от British Standard Wire Gauge, где в аббревиатуру почему-то не попала первая буква B) – это в этих странах юридически закреплённая система измерения электрических проводов. Есть в мире и другие системы проводной калибровки, например, Steel Music Wire Gauge (обозначается как MWG, тоже куда-то сгинула первая буква из аббревиатуры), но эти измерительные системы применяются для неэлектрической проволоки (в случае с MWG классифицируется толщина струн для музыкальных инструментов).
Когда разрабатывали американскую систему AWG, несмотря на все её странности, создатели преследовали вполне определённую цель: на каждые три шага по калибровочной шкале площадь провода (и вес на единицу длины) примерно удваивается. Это весьма удобно при приблизительной оценке размера проволоки!
Для очень больших размеров проволоки (толще 4/0, что выходит за пределы таблицы) от системы калибра проволоки обычно отказываются и измеряют площадь поперечного сечения в тысячах круговых мил (обозначается латинскими буквами MCM, где римская цифра «M» обозначает числа, кратные тысяче, а «CM» – это круговые милы). В следующей таблице для классификации проводов не указаны размеры, превышающие калибр 4/0, потому что сплошной медный провод с такими размерами совершенно непрактичен в использовании. Если нужны толстые мощные провода, то лучше использовать многожильные варианты.
Размер | Диаметр | Площадь поперечного сечения | Вес на единицу длины | |
система AWG | дюймы | круговые милы | квадратные дюймы | фунт / 1000 футов |
4/0 (0000) | 0,4600 | 211 600 | 0,1662 | 640,5 |
3/0 (000) | 0,4096 | 167 800 | 0,1318 | 507,9 |
2/0 (00) | 0,3648 | 133 100 | 0,1045 | 402,8 |
1/0 (0) | 0,3249 | 105 500 | 0,08289 | 319,5 |
1 | 0,2893 | 83 690 | 0,06573 | 253,5 |
2 | 0,2576 | 66 370 | 0,05213 | 200,9 |
3 | 0,2294 | 52 630 | 0,04134 | 159,3 |
4 | 0,2043 | 41 740 | 0,03278 | 126,4 |
5 | 0,1819 | 33 100 | 0,02600 | 100,2 |
6 | 0,1620 | 26 250 | 0,02062 | 79,46 |
7 | 0,1443 | 20 820 | 0,01635 | 63,02 |
8 | 0,1285 | 16 510 | 0,01297 | 49,97 |
9 | 0,1144 | 13 090 | 0,01028 | 39,63 |
10 | 0,1019 | 10 380 | 0,008155 | 31,43 |
11 | 0,09074 | 8 234 | 0,006467 | 24,92 |
12 | 0,08081 | 6 530 | 0,005129 | 19,77 |
13 | 0,07196 | 5 178 | 0,004067 | 15,68 |
14 | 0,06408 | 4 107 | 0,003225 | 12,43 |
15 | 0,05707 | 3 257 | 0,002558 | 9,858 |
16 | 0,05082 | 2,583 | 0,002028 | 7,818 |
17 | 0,04526 | 2 048 | 0,001609 | 6,200 |
18 | 0,04030 | 1 624 | 0,001276 | 4,917 |
19 | 0,03589 | 1 288 | 0,001012 | 3,899 |
20 | 0,03196 | 1 022 | 0,0008023 | 3,092 |
21 | 0,02846 | 810,1 | 0,0006363 | 2,452 |
22 | 0,02535 | 642,5 | 0,0005046 | 1,945 |
23 | 0,02257 | 509,5 | 0,0004001 | 1,542 |
24 | 0,02010 | 404,0 | 0,0003173 | 1,233 |
25 | 0,01790 | 320,4 | 0,0002517 | 0,9699 |
26 | 0,01594 | 254,1 | 0,0001996 | 0,7692 |
27 | 0,01420 | 201,5 | 0,0001583 | 0,6100 |
28 | 0,01264 | 159,8 | 0,0001255 | 0,4837 |
29 | 0,01126 | 126,7 | 0,00009954 | 0,3836 |
30 | 0,01003 | 100,5 | 0,00007894 | 0,3042 |
31 | 0,008928 | 79,70 | 0,00006260 | 0,2413 |
32 | 0,007950 | 63,21 | 0,00004964 | 0,1913 |
33 | 0,007080 | 50,13 | 0,00003937 | 0,1517 |
34 | 0,006305 | 39,75 | 0,00003122 | 0,1203 |
35 | 0,005615 | 31,52 | 0,00002476 | 0,09542 |
36 | 0,005000 | 25,00 | 0,00001963 | 0,07567 |
37 | 0,004453 | 19,83 | 0,00001557 | 0,06001 |
38 | 0,003965 | 15,72 | 0,00001235 | 0,04759 |
39 | 0,003531 | 12,47 | 0,000009793 | 0,03774 |
40 | 0,003145 | 9,888 | 0,000007766 | 0,02993 |
41 | 0,002800 | 7,842 | 0,000006159 | 0,02374 |
42 | 0,002494 | 6,219 | 0,000004884 | 0,01882 |
43 | 0,002221 | 4,932 | 0,000003873 | 0,01493 |
Иногда (в случаях со сверхвысокими токами) требуются провода с сечением, превышающим практический предел диаметра круглого провода. В этих случаях в качестве проводов используются толстые шины из твёрдого металла, называемые сборными шинами. Шины обычно изготавливаются из меди или алюминия и чаще всего не изолированы. Они физически расположены на расстоянии от каркаса или конструкции, удерживающей их, с помощью изоляционных опор. Хотя зачастую поперечное сечение является квадратным или прямоугольным, широко распространены и другие формы шины. Площадь поперечного сечения шин обычно измеряется в круговых милах (даже если форма квадратная или прямоугольная!). Скорее всего это из-за того, чтобы было удобно напрямую соотнести размер шины с круглым проводом.
Итог
- Ток течёт по проводам большего диаметра легче, чем по проводам меньшего диаметра, так как ввиду большей площади поперечного сечения электронам проще двигаться по проводнику.
- Вместо того, чтобы измерять небольшие размеры проволоки в дюймах, часто используется единица измерения «мил» (1/1000 дюйма).
- Площадь поперечного сечения провода может быть выражена в квадратных единицах (квадратные дюймы или квадратные милы), в круговых милах или же посредством калибровочной шкалы.
- Расчёт площади в квадратных единицах для круглого провода выполняется с помощью обычной формулы для нахождения площади круга: A = πr2 (квадратные единицы измерения).
- Расчёт площади проволоки с сечением в виду круга в милах намного проще из-за того, что единица измерения «круговой мил» специально придумана именно для этой цели: чтобы из классической формулы для нахождения площади исключить иррациональное число «пи», а также для того, чтобы не вычислять радиус как половину известного диаметра. A = d2 (круговые единицы измерения)
- На каждые 4 круговых мила приходится π (3,1416…) квадратных мила.
- Система калибровки проводов основана на целых числах, при этом бо́льшие числа представляют провода меньшей площади сечения, и наоборот – меньшие числа представляют провода большей площади сечения. Провода толщиной более 1 калибра обозначаются нулями: 0, 00, 000 и 0000 (произносятся «одинарный ноль», «двойной ноль», «тройной ноль» и «четверной ноль».
- Очень большие сечения проводов измеряются в тысячах круговых милов (MCM, где приставка M это римская «тысяча», а вовсе не «мега», обозначающая той же буквой «миллион» в системе приставок Си), что распространено при использовании сборных шин и проводов с сечением выше, чем 4/0.
- Шины – это сплошные шины из меди или алюминия, используемые в конструкциях сильноточных цепей. Соединения, выполняемые с шинами, обычно являются сварными или болтовыми, а сами шины часто голые (т.е. не изолированные), поддерживаемые поодаль от металлических каркасов с помощью изоляционных стоек.
См.также
Внешние ссылки