Áram, feszültség, teljesítmény: az elektromosság alapvető jellemzői

Az elektromosságot az ember régóta használja szükségleteinek kielégítésére, de az láthatatlan, érzékszervekkel nem érzékelhető, ezért nehezen érthető. Az elektromos folyamatok magyarázatának egyszerűsítése érdekében gyakran hasonlítják össze őket egy mozgó folyadék hidraulikus jellemzőivel.

Például vezetéken érkezik a lakásunkba Elektromos energia távoli generátorokból és csapvízből nyomásszivattyúból. A kapcsoló azonban lekapcsolja a villanyt, és a zárt vízcsap megakadályozza, hogy a víz kifolyjon a csapból. A munka elvégzéséhez kapcsolja be a kapcsolót és nyissa ki a csapot.

A szabad elektronok irányított áramlása a vezetékeken keresztül az izzószálhoz rohan (elektromos áram fog folyni), amely fényt bocsát ki. A csapból kifolyó víz a mosogatóba fog lefolyni.

Ez az analógia lehetővé teszi a mennyiségi jellemzők megértését, az áramerősség és a folyadék mozgási sebességének összefüggését és egyéb paraméterek becslését is.

A hálózati feszültséget összehasonlítják a folyadékforrás energiapotenciáljával. Például egy csőben lévő szivattyú hidraulikus nyomásának növekedése nagy sebességű folyadékmozgást és feszültségnövekedést (vagy a fázis - a bemeneti vezeték és a működő nulla - kimenet közötti különbséget) eredményez. növeli az izzó izzását, sugárzásának erősségét.

Az elektromos áramkör ellenállását összehasonlítják a hidraulikus áramlás fékező erejével. Az áramlási sebességet a következők befolyásolják:

• folyadék viszkozitása;

• eltömődés és a csatornák keresztmetszetének megváltozása. (Vízcsap esetén a szabályozószelep helyzete.)

Az elektromos ellenállás értékét számos tényező befolyásolja:

• az anyag szerkezete, amely meghatározza a szabad elektronok jelenlétét egy vezetőben és befolyásolja ellenállás; 

• az áramvezető keresztmetszete és hossza;

• hőfok.

Az elektromos teljesítményt a hidraulika áramlásának energiapotenciáljával is összehasonlítják, és az egységnyi idő alatt végzett munkából becsülik meg. Egy elektromos készülék teljesítményét a felvett áram és a rákapcsolt feszültség fejezi ki (AC és DC áramkörök esetén).

Az elektromosság összes jellemzőjét neves tudósok tanulmányozták, akik meghatározták az áramerősséget, a feszültséget, a teljesítményt, az ellenállást, és matematikai módszerekkel írták le a köztük lévő kölcsönös kapcsolatokat.

Az alábbi táblázat az AC és DC áramkörök általános összefüggéseit mutatja be, amelyek felhasználhatók bizonyos áramkörök teljesítményének elemzésére.

Nézzünk néhány példát a használatukra.

1. példa. Az ellenállás és a teljesítmény kiszámítása

Tegyük fel, hogy áramkorlátozót szeretne kiválasztani a világítási áramkör táplálására. Ismerjük az „U” fedélzeti hálózat tápfeszültségét, amely 24 volt, és az „I” áramfelvétel 0,5 amper, amelyet nem szabad túllépni. Az Ohm-törvény (9) kifejezése szerint kiszámítjuk az «R» ellenállást. R = 24 / 0,5 = 48 ohm.

Első pillantásra az ellenállás értékét határozzák meg. Ez azonban nem elég. A sema megbízható működéséhez ki kell számítani a teljesítményt az áramfelvétel alapján.

A Joule-Lenz törvény működése szerint a «P» aktív teljesítmény egyenesen arányos a vezetéken áthaladó «I» árammal és az alkalmazott «U» feszültséggel. Ezt az összefüggést a (11) képlet írja le a táblázatban. lent.

Kiszámítjuk: P = 24×0,5 = 12 W.

Ugyanezt az értéket kapjuk, ha (10) vagy (12) képletet használunk.

Az ellenállás teljesítményének áramfelvétel alapján történő kiszámítása azt mutatja, hogy a kiválasztott áramkörben 48 Ohm és 12 W ellenállást kell használni. A kisebb teljesítményű ellenállás nem bírja az alkalmazott terheléseket, felmelegszik és kiég az idő áramával.

Ez a példa azt mutatja be, hogy a terhelési áram és a hálózati feszültség hogyan befolyásolja a felhasználó teljesítményét.

2. példa. Hogyan kell kiszámítani az áramerősséget

A konyhában háztartási elektromos készülékek táplálására szolgáló aljzatok csoportjához védőmegszakítót kell választani. A készülékek teljesítménye az útlevéladatok szerint 2,0, 1,5 és 0,6 kW.

Válasz. A lakás 220 voltos egyfázisú váltakozó áramú hálózatot használ. Az egyidejűleg működő összes eszköz összteljesítménye 2,0 + 1,5 + 0,6 = 4,1 kW = 4100 W lesz.

A (2) képlet segítségével meghatározzuk a fogyasztói csoport összáramát: 4100/220 = 18,64 A.

A legközelebbi névleges megszakító kioldási rátája 20 amper. Azt választjuk. A 16 A-nél alacsonyabb értékű gép túlterhelés miatt végleg leáll.

Az elektromos áramkörök paramétereinek különbségei váltakozó áramban

Egyfázisú hálózatok

Az elektromos készülékek paramétereinek elemzésekor figyelembe kell venni a váltakozó áramú áramkörökben való működésük sajátosságait, amikor az ipari frekvencia hatására kapacitív terhelések jelennek meg a kondenzátorokban (90-kal eltolják az áramvektort fokkal a feszültségvektor előtt), és a tekercs tekercseiben - induktív (az áram 90 fokkal a feszültség mögött van). Az elektrotechnikában meddő terhelésnek hívják... Együtt «Q» meddőteljesítmény-veszteségeket hoznak létre, amelyek nem végeznek hasznos munkát.

Aktív terheléseknél nincs fáziseltolódás az áram és a feszültség között.

Ily módon egy reaktív komponens hozzáadódik az elektromos készülék teljesítményének aktív értékéhez a váltakozó áramú áramkörökben, aminek következtében a teljes teljesítmény növekszik, amelyet általában teljesnek neveznek, és az "S" index jelzi.

Váltakozó szinuszos áram egyfázisú hálózatban

Az elektromos áram és a frekvencia feszültsége idővel szinuszos módon változik. Ennek megfelelően hatalomváltás történik. Paramétereik különböző időpontokban történő meghatározásának nincs sok értelme. Ezért a teljes (integráló) értékeket egy bizonyos időtartamra választják ki, általában a T rezgési periódusra.

A váltakozó és egyenáramú áramkörök paraméterei közötti különbségek ismerete lehetővé teszi az áramerősség és a feszültség pontos kiszámítását minden egyes esetben.

Háromfázisú hálózatok

Alapvetően három azonos egyfázisú áramkörből állnak, amelyek a komplex síkon egymáshoz képest 120 fokkal vannak eltolva. Kissé különböznek az egyes fázisok terhelésében, és az áramot phi szöggel eltolják a feszültségtől. Ennek az egyenetlenségnek köszönhetően a nullavezetőben I0 áram keletkezik.

Váltakozó szinuszos áram háromfázisú hálózatban

Ebben a rendszerben a feszültség fázisfeszültségekből (220 V) és hálózati feszültségekből (380 V) áll.

Az áramkörre csatlakoztatott háromfázisú áramforrás teljesítménye az egyes fázisok összetevőinek összege. A mérés speciális eszközökkel történik: wattmérők (aktív komponens) és varméterek (reaktív). A háromfázisú árammérő készülék teljes áramfelvételét a wattmérő és a varméter mérése alapján a háromszög képlet segítségével lehet kiszámítani.

Van egy voltmérő és ampermérő használatán alapuló közvetett mérési módszer is, a kapott értékek későbbi számításaival.

A teljes áramfelvételt is kiszámolhatja az S látszólagos teljesítmény nagyságának ismeretében. Ehhez elég elosztani a hálózati feszültség értékével.