Czym są napięcie, prąd i rezystancja: jak są wykorzystywane w praktyce

W elektrotechnice terminy „prąd”, „napięcie” i „rezystancja” są używane do opisania procesów zachodzących w obwodach elektrycznych. Każdy z nich ma swój własny cel o określonych cechach.

Elektryczność

Słowo to jest używane do scharakteryzowania ruchu naładowanych cząstek (elektronów, dziur, kationów i anionów) przez określony ośrodek substancji. Kierunek i liczba nośników ładunku określa rodzaj i siłę prądu.

Główne cechy prądu wpływają na jego praktyczne zastosowanie

Warunkiem przepływu ładunków jest obecność obwodu lub, innymi słowy, zamkniętej pętli, która stwarza warunki do ich ruchu. Jeśli wewnątrz poruszających się cząstek tworzy się pustka, ich ruch kierunkowy natychmiast się zatrzymuje.

Wszystkie przełączniki i zabezpieczenia stosowane w elektryce działają na tej zasadzie.Tworzą separację między ruchomymi stykami części przewodzących i poprzez to działanie przerywają przepływ prądu elektrycznego, wyłączając urządzenie.

W energetyce najpowszechniejszą metodą jest wytwarzanie prądu elektrycznego w wyniku ruchu elektronów wewnątrz metali wykonanych w postaci drutów, opon lub innych części przewodzących.

Oprócz tej metody stosuje się również tworzenie prądu wewnątrz:

1. gazy i ciecze elektrolityczne w wyniku ruchu elektronów lub kationów i anionów — jonów o znakach ładunku dodatniego i ujemnego;

2. środowisko próżni, powietrza i gazów poddane ruchowi elektronów wywołanemu zjawiskiem promieniowania termionowego;

3. materiały półprzewodnikowe ze względu na ruch elektronów i dziur.

Porażenie prądem może wystąpić, gdy:

• zastosowanie zewnętrznej różnicy potencjałów elektrycznych do naładowanych cząstek;

• druty grzejne, które obecnie nie są nadprzewodnikami;

• przebieg reakcji chemicznych związanych z uwalnianiem nowych substancji;

• wpływ pola magnetycznego przyłożonego do drutu.

Przebieg prądu elektrycznego może być:

1. stała w postaci linii prostej na osi czasu;

2. zmienna harmoniczna sinusoidalna dobrze opisana podstawowymi zależnościami trygonometrycznymi;

3. meander, z grubsza przypominający sinusoidę, ale z ostrymi, wyraźnymi kątami, które w niektórych przypadkach można dobrze wygładzić;

4. pulsujący, gdy kierunek pozostaje ten sam bez zmian, a amplituda okresowo zmienia się od zera do wartości maksymalnej zgodnie z dobrze zdefiniowanym prawem.

Prąd elektryczny może być przydatny dla osoby, gdy:

• przekształcane w promieniowanie świetlne;

• tworzy ogrzewanie elementów termicznych;

• wykonuje pracę mechaniczną polegającą na przyciąganiu lub odpychaniu ruchomych tworników lub obracaniu się wirników z napędami zamocowanymi w łożyskach;

• generuje promieniowanie elektromagnetyczne w niektórych innych przypadkach.

Gdy prąd elektryczny przepływa przez przewody, uszkodzenia mogą być spowodowane przez:

• nadmierne nagrzewanie obwodów przewodzących prąd i styków;

• Edukacja prądy wirowe w obwodach magnetycznych maszyn elektrycznych;

• promieniowanie elektryczne fale elektromagnetyczne w środowisku i niektóre podobne zjawiska.

Projektanci urządzeń elektrycznych i twórcy różnych obwodów uwzględniają wymienione możliwości prądu elektrycznego w swoich urządzeniach. Na przykład szkodliwe skutki prądów wirowych w transformatorach, silnikach i generatorach są łagodzone przez mieszanie rdzeni używanych do przenoszenia strumieni magnetycznych. Jednocześnie prąd wirowy jest z powodzeniem wykorzystywany do podgrzewania medium w piekarnikach elektrycznych i mikrofalowych działających na zasadzie indukcji.

Zmienny prąd elektryczny o przebiegu sinusoidalnym może mieć różną częstotliwość oscylacji w jednostce czasu — na sekundę. Częstotliwość przemysłowa instalacji elektrycznych w różnych krajach jest znormalizowana za pomocą liczb 50 lub 60 herców. Do innych celów elektrotechniki i biznesu radiowego wykorzystywane są sygnały:

• niska częstotliwość, o niższych wartościach;

• wysokiej częstotliwości, znacznie przekraczającej zasięg urządzeń przemysłowych.

Ogólnie przyjmuje się, że prąd elektryczny powstaje w wyniku ruchu naładowanych cząstek w pewnym ośrodku makroskopowym i jest nazywany prądem przewodzenia... Jednak inny rodzaj prądu zwany konwekcją może wystąpić, gdy poruszają się makroskopowo naładowane ciała, na przykład krople deszczu .

Jak powstaje prąd elektryczny w metalach

Ruch elektronów pod wpływem przyłożonej do nich stałej siły można porównać do opadania spadochroniarza z otwartą czaszą. W obu przypadkach uzyskuje się ruch jednostajnie przyspieszony.

Spadochroniarz porusza się pod wpływem grawitacji w kierunku ziemi, czemu przeciwdziała siła oporu powietrza. Na elektrony oddziałuje przyłożona do nich siła pole elektryczne, a jego ruch jest utrudniony przez ciągłe zderzenia z innymi cząstkami - jonami sieci krystalicznych, dzięki czemu część efektu przyłożonej siły zostaje wygaszona.

W obu przypadkach średnia prędkość spadochroniarza i ruch elektronu osiągają stałą wartość.

Stwarza to dość wyjątkową sytuację, w której prędkość:

• ruch właściwy elektronu jest określony przez wartość rzędu 0,1 milimetra na sekundę;

• przepływ prądu elektrycznego odpowiada znacznie większej wartości — prędkości rozchodzenia się fal świetlnych: około 300 tysięcy kilometrów na sekundę.

Zatem, przepływ prądu elektrycznego powstaje w miejscu przyłożenia napięcia do elektronów, w wyniku czego zaczynają one poruszać się z prędkością światła wewnątrz ośrodka przewodzącego.

Kiedy elektrony poruszają się w sieci krystalicznej metalu, pojawia się kolejna interesująca prawidłowość: zderzają się one mniej więcej z co dziesiątym przeciwjonem.Oznacza to, że z powodzeniem unika około 90% kolizji jonów.

Zjawisko to można wytłumaczyć nie tylko prawami fundamentalnej fizyki klasycznej, tak jak jest to powszechnie rozumiane przez większość ludzi, ale także dodatkowymi prawami operacyjnymi opisanymi przez teorię mechaniki kwantowej.

Jeśli pokrótce określimy ich działanie, możemy sobie wyobrazić, że ruch elektronów wewnątrz metali jest utrudniony przez ciężkie „kołyszące się” duże jony, które zapewniają dodatkowy opór.

Efekt ten jest szczególnie zauważalny podczas podgrzewania metali, gdy „huśtawka” ciężkich jonów zwiększa się i zmniejsza przewodnictwo elektryczne sieci krystalicznych drutów.

Dlatego, gdy metale są ogrzewane, ich opór elektryczny zawsze wzrasta, a po schłodzeniu wzrasta ich przewodnictwo. Kiedy temperatura metalu spada do wartości krytycznych bliskich wartości zera bezwzględnego, w wielu z nich występuje zjawisko nadprzewodnictwa.

Prąd elektryczny, w zależności od swojej wartości, może robić różne rzeczy. Do ilościowej oceny jego możliwości przyjmuje się wartość zwaną amperażem. Jego wielkość w międzynarodowym systemie miar wynosi 1 A. Aby wskazać natężenie prądu w literaturze technicznej, przyjęto indeks „I”.

Napięcie

Termin ten jest używany jako charakterystyka wielkości fizycznej, która wyraża pracę włożoną w przeniesienie ładunku elektrycznego jednostki testowej z jednego punktu do drugiego bez zmiany charakteru rozmieszczenia pozostałych ładunków na aktywnych źródłach pola.

Ponieważ punkty początkowe i końcowe mają różne potencjały energii, praca wykonana w celu przesunięcia ładunku lub napięcia jest równa stosunkowi różnicy między tymi potencjałami.

Do obliczania napięcia stosuje się różne terminy i metody w zależności od przepływających prądów. Nie może być:

1. stały — w obwodach elektrostatycznych i stałoprądowych;

2. przemienny — w obwodach z prądem przemiennym i sinusoidalnym.

W drugim przypadku stosuje się takie dodatkowe cechy i rodzaje naprężeń, jak:

• amplituda — największe odchylenie od położenia zerowego osi odciętych;

• wartość chwilowa, która jest wyrażona w określonym momencie;

• efektywna, efektywna lub inaczej zwana pierwiastek średniokwadratowy, określona na podstawie pracy czynnej wykonanej przez pół okresu;

• skorygowana wartość średnia obliczona modulo wyprostowanej wartości jednego okresu harmonicznego.

Do ilościowej oceny napięcia wprowadzono międzynarodową jednostkę 1 wolt, a jej oznaczeniem stał się symbol „U”.

Podczas przesyłu energii elektrycznej liniami napowietrznymi konstrukcja podpór i ich wymiary zależą od wartości zastosowanego napięcia. Nazywa się jego wartość między przewodami faz liniowy i względny dla każdego przewodu i fazy uziemienia.

Ta zasada dotyczy wszystkich rodzajów linii lotniczych.

W domowych sieciach elektrycznych naszego kraju standardem jest napięcie trójfazowe 380/220 woltów.

Opór elektryczny

Termin ten jest używany do scharakteryzowania właściwości substancji w celu osłabienia przepływu przez nią prądu elektrycznego.W takim przypadku można wybrać różne środowiska, zmienić temperaturę substancji lub jej wymiary.

W obwodach prądu stałego rezystancja wykonuje czynną pracę, dlatego nazywa się ją aktywną. Dla każdej sekcji jest wprost proporcjonalny do przyłożonego napięcia i odwrotnie proporcjonalny do przepływającego prądu.

Następujące koncepcje są wprowadzane w schematach prądu przemiennego:

• impedancja;

• odporność na fale.

Impedancja elektryczna jest również nazywana impedancją złożoną lub składową:

• aktywny;

• reaktywny.

Reaktywność z kolei może być:

• pojemnościowy;

• indukcyjny.

Opisano połączenia między składowymi impedancji trójkąta rezystancyjnego.

W obliczeniach elektrodynamicznych impedancja falowa linii elektroenergetycznej jest określana przez stosunek napięcia fali padającej do wartości prądu płynącego wzdłuż linii fali.

Wartość rezystancji przyjmuje się jako międzynarodową jednostkę miary 1 Ohm.

Zależność prądu, napięcia, rezystancji

Klasycznym przykładem wyrażenia zależności między tymi charakterystykami jest porównanie z obwodem hydraulicznym, gdzie siła ruchu przepływu życia (analogowo – wielkość prądu) zależy od wartości siły przyłożonej do tłoka (wytworzonej napięcie) i charakter linii przepływu, utworzonych z przewężeń (opór).

Prawa matematyczne opisujące związek oporu elektrycznego, prądu i napięcia zostały po raz pierwszy opublikowane i opatentowane przez Georga Ohma. Wyprowadził prawa dla całego obwodu obwodu elektrycznego i jego przekroju. Zobacz tutaj, aby uzyskać więcej informacji: Zastosowanie prawa Ohma w praktyce

Amperomierze, woltomierze i omomierze służą do pomiaru podstawowych wielkości elektrycznych energii elektrycznej.

Amperomierz mierzy prąd przepływający przez obwód.Ponieważ nie zmienia się on w całym zamkniętym obszarze, amperomierz umieszcza się w dowolnym miejscu między źródłem napięcia a użytkownikiem, tworząc przejście ładunków przez głowicę pomiarową urządzenia.

Woltomierz służy do pomiaru napięcia na zaciskach użytkownika podłączonych do źródła prądu.

Pomiary rezystancji omomierzem można wykonywać tylko przy wyłączonym użytkowniku. Dzieje się tak, ponieważ omomierz wyprowadza skalibrowane napięcie i mierzy prąd przepływający przez głowicę testową, który jest konwertowany na omy poprzez podzielenie napięcia przez wartość prądu.

Jakiekolwiek podłączenie zewnętrznego niskiego napięcia podczas pomiaru spowoduje powstanie dodatkowych prądów i zniekształcenie wyniku. Biorąc pod uwagę, że wewnętrzne obwody omomierza mają małą moc, to w przypadku błędnych pomiarów rezystancji przy przyłożeniu napięcia zewnętrznego urządzenie dość często ulega awarii z powodu przepalenia jego obwodu wewnętrznego.

Znajomość podstawowych charakterystyk prądu, napięcia, rezystancji oraz zależności między nimi pozwala elektrykom z powodzeniem wykonywać swoją pracę i niezawodnie obsługiwać instalacje elektryczne, a popełniane błędy bardzo często kończą się wypadkami i urazami.