Prąd, napięcie, moc: podstawowe właściwości elektryczności

Energia elektryczna od dawna służy człowiekowi do zaspokajania jego potrzeb, ale jest niewidzialna, nieodczuwalna zmysłami, dlatego trudno ją zrozumieć. Aby uprościć wyjaśnienie procesów elektrycznych, często porównuje się je z właściwościami hydraulicznymi poruszającego się płynu.

Na przykład przychodzi do naszego mieszkania za pomocą drutu Energia elektryczna ze zdalnych generatorów i wody wodociągowej z pompy ciśnieniowej. Jednak wyłącznik wyłącza światła, a zamknięty kran zapobiega wypływaniu wody z kranu. Aby wykonać zadanie, musisz włączyć przełącznik i otworzyć kran.

Ukierunkowany przepływ swobodnych elektronów przez przewody dotrze do żarnika żarówki (przepłynie prąd elektryczny), który wyemituje światło. Woda wypływająca z kranu spłynie do zlewu.

Ta analogia umożliwia również zrozumienie charakterystyk ilościowych, powiązanie siły prądu z prędkością ruchu cieczy oraz oszacowanie innych parametrów.

Napięcie sieciowe porównuje się z potencjałem energetycznym źródła cieczy. Na przykład wzrost ciśnienia hydraulicznego z pompy w rurze spowoduje dużą prędkość ruchu płynu i wzrost napięcia (lub różnicy potencjałów fazy - przewód wejściowy i zero robocze - wyjście) zwiększy żarzenie żarówki, siłę jej promieniowania.

Opór obwodu elektrycznego jest porównywany z siłą hamowania przepływu hydraulicznego. Na szybkość przepływu wpływają:

• lepkość cieczy;

• zatykanie i zmiana przekroju kanałów. (W przypadku kranu, położenie zaworu regulacyjnego.)

Na wartość oporu elektrycznego wpływa kilka czynników:

• struktura substancji, która determinuje obecność wolnych elektronów w przewodniku i wpływa opór; 

• pole przekroju poprzecznego i długość przewodu prądowego;

• temperatura.

Moc elektryczna jest również porównywana z potencjałem energetycznym przepływu w hydraulice i jest szacowana na podstawie pracy wykonanej w jednostce czasu. Moc urządzenia elektrycznego wyrażana jest przez pobierany prąd i przyłożone napięcie (dla obwodów AC i DC).

Wszystkie te cechy elektryczności badali znani naukowcy, którzy podali definicje prądu, napięcia, mocy, rezystancji i opisali metodami matematycznymi wzajemne relacje między nimi.

Poniższa tabela przedstawia ogólne zależności dla obwodów prądu przemiennego i stałego, które można wykorzystać do analizy wydajności określonych obwodów.

Spójrzmy na kilka przykładów ich użycia.

Przykład 1. Jak obliczyć opór i moc

Załóżmy, że chcesz wybrać ogranicznik prądu do zasilania obwodu oświetlenia. Znamy napięcie zasilania sieci pokładowej „U” równe 24 woltom i pobór prądu „I” wynoszący 0,5 ampera, którego nie wolno przekraczać. Zgodnie z wyrażeniem (9) z prawa Ohma obliczamy opór „R”. R = 24 / 0,5 = 48 omów.

Na pierwszy rzut oka określa się wartość rezystora. To jednak nie wystarczy. Dla niezawodnej pracy semy konieczne jest obliczenie mocy zgodnie z poborem prądu.

Zgodnie z działaniem prawa Joule'a-Lenza, moc czynna „P” jest wprost proporcjonalna do prądu „I” przepływającego przez przewód i przyłożonego napięcia „U”. Zależność tę opisuje wzór (11) w tabeli poniżej.

Obliczamy: P = 24×0,5 = 12 W.

Otrzymamy tę samą wartość, jeśli użyjemy wzorów (10) lub (12).

Obliczenie mocy rezystora na podstawie jego poboru prądu pokazuje, że w wybranym obwodzie konieczne jest zastosowanie rezystancji 48 Ohm i 12 W. Rezystor o mniejszej mocy nie wytrzyma przyłożonych obciążeń, będzie się nagrzewał i przepalał z prądem czasu.

Ten przykład pokazuje zależność, w jaki sposób prąd obciążenia i napięcie sieciowe wpływają na moc użytkownika.

Przykład nr 2. Jak obliczyć prąd

Dla grupy gniazd przeznaczonych do zasilania domowych urządzeń elektrycznych w kuchni należy dobrać wyłącznik ochronny. Moc urządzeń zgodnie z danymi paszportowymi wynosi 2,0, 1,5 i 0,6 kW.

Odpowiedź. Mieszkanie korzysta z jednofazowej sieci AC o napięciu 220 V. Łączna moc wszystkich urządzeń podłączonych do pracy w tym samym czasie wyniesie 2,0 + 1,5 + 0,6 = 4,1 kW = 4100 W.

Korzystając ze wzoru (2), określamy całkowity prąd grupy odbiorców: 4100/220 = 18,64 A.

Najbliższy znamionowy wyłącznik automatyczny ma szybkość wyzwalania 20 amperów. Wybieramy to. Maszyna o wartości niższej niż 16 A wyłączy się na stałe z powodu przeciążenia.

Różnice parametrów obwodów elektrycznych prądu przemiennego

Sieci jednofazowe

Analizując parametry urządzeń elektrycznych, należy wziąć pod uwagę specyfikę ich działania w obwodach prądu przemiennego, gdy pod wpływem częstotliwości przemysłowej w kondensatorach pojawiają się obciążenia pojemnościowe (przesuwają wektor prądu o 90 stopni przed wektorem napięcia), aw uzwojeniach cewki — indukcyjny (prąd jest 90 stopni za napięciem). W elektrotechnice nazywane są obciążeniami biernymi... Razem tworzą straty mocy biernej «Q», które nie wykonują użytecznej pracy.

Przy obciążeniach aktywnych nie ma przesunięcia fazowego między prądem a napięciem.

W ten sposób składnik bierny jest dodawany do wartości czynnej mocy urządzenia elektrycznego w obwodach prądu przemiennego, dzięki czemu wzrasta całkowita moc, która jest zwykle nazywana pełną i jest oznaczona indeksem „S”.

Przemienny prąd sinusoidalny w sieci jednofazowej

Prąd elektryczny i napięcie o częstotliwości zmieniają się w czasie w sposób sinusoidalny. W związku z tym następuje zmiana władzy. Określanie ich parametrów w różnych momentach czasu nie ma większego sensu. Dlatego wartości całkowite (integrujące) są wybierane na określony okres czasu, z reguły okres oscylacji T.

Znajomość różnic między parametrami obwodów prądu przemiennego i stałego pozwala poprawnie obliczyć moc przez prąd i napięcie w każdym konkretnym przypadku.

Sieci trójfazowe

Zasadniczo składają się z trzech identycznych obwodów jednofazowych, przesuniętych względem siebie na płaszczyźnie zespolonej o 120 stopni. Różnią się nieznacznie obciążeniami w poszczególnych fazach, przesuwając prąd od napięcia o kąt phi. Z powodu tej nierówności w przewodzie neutralnym powstaje prąd I0.

Przemienny prąd sinusoidalny w sieci trójfazowej

Napięcie w tym systemie składa się z napięć fazowych (220 V) i napięć liniowych (380 V).

Moc trójfazowego urządzenia prądowego podłączonego do obwodu jest sumą składowych w każdej fazie. Mierzy się go za pomocą specjalnych urządzeń: watomierzy (składowa czynna) i varomierzy (reaktywna). Całkowity pobór mocy urządzenia trójfazowego można obliczyć na podstawie pomiarów watomierza i warometru za pomocą wzoru trójkąta.

Istnieje również pośrednia metoda pomiaru oparta na wykorzystaniu woltomierza i amperomierza z późniejszymi obliczeniami uzyskanych wartości.

Możesz także obliczyć całkowity pobór prądu, znając wielkość mocy pozornej S. Aby to zrobić, wystarczy podzielić ją przez wartość napięcia sieciowego.