Mi a feszültség, áram és ellenállás: hogyan használják őket a gyakorlatban

Az elektrotechnikában az "áram", "feszültség" és "ellenállás" kifejezéseket használják az elektromos áramkörökben előforduló folyamatok leírására. Mindegyiknek megvan a maga célja, sajátos jellemzőkkel.

Elektromosság

Ezt a szót a töltött részecskék (elektronok, lyukak, kationok és anionok) mozgásának jellemzésére használják egy anyag bizonyos közegében. A töltéshordozók iránya és száma meghatározza az áram típusát és erősségét.

Az áram fő jellemzői befolyásolják gyakorlati alkalmazását

A töltések áramlásának előfeltétele egy áramkör vagy más szóval egy zárt hurok jelenléte, amely feltételeket teremt a mozgásukhoz. Ha a mozgó részecskék belsejében üreg keletkezik, iránymozgásuk azonnal leáll.

Az elektromosságban használt összes kapcsoló és védelem ezen az elven működik.Elválasztják a vezető részek mozgó érintkezőit, és ezzel megszakítják az elektromos áram áramlását, leállítva a készüléket.

Az energetikában a legelterjedtebb módszer az elektromos áram létrehozása az elektronok mozgása következtében a fémek belsejében, amelyek huzalok, gumiabroncsok vagy más vezetőképes alkatrészek formájában készültek.

Ezen a módszeren kívül a belső áram létrehozását is használják:

1. az elektronok vagy kationok és anionok mozgásából adódó gázok és elektrolitikus folyadékok – pozitív és negatív töltésjelű ionok;

2. vákuumból, levegőből és gázokból álló környezet, amely a termionos sugárzás jelensége által okozott elektronmozgásnak van kitéve;

3. félvezető anyagok az elektronok és lyukak mozgása miatt.

Áramütés akkor fordulhat elő, ha:

• külső elektromos potenciálkülönbség alkalmazása töltött részecskékre;

• fűtőhuzalok, amelyek jelenleg nem szupravezetők;

• az új anyagok kibocsátásával kapcsolatos kémiai reakciók lefolyása;

• a vezetékre alkalmazott mágneses tér hatása.

Az elektromos áram hullámformája a következő lehet:

1. egy konstans egyenes alakban az idővonalon;

2. az alapvető trigonometrikus összefüggésekkel jól leírható változó szinuszos harmonikus;

3. kanyarulat, nagyjából szinuszhullámra emlékeztető, de éles, markáns szögekkel, amelyek bizonyos esetekben jól simíthatók;

4. pulzáló, amikor az irány változatlan marad, és az amplitúdó egy jól meghatározott törvény szerint periodikusan nullától a maximális értékig ingadozik.

Az elektromos áram hasznos lehet egy személy számára, ha:

• fénysugárzássá alakul át;

• hőelemek melegítését hozza létre;

• mozgatható armatúrák vonzása vagy taszítása, vagy csapágyakban rögzített hajtású forgórészek forgása miatt mechanikai munkát végez;

• néhány más esetben elektromágneses sugárzást generál.

Amikor az elektromos áram áthalad a vezetékeken, károkat okozhatnak:

• az áramvezető áramkörök és érintkezők túlzott felmelegedése;

• oktatás légörvény elektromos gépek mágneses áramköreiben;

• az elektromosság sugárzása elektromágneses hullámok a környezetben és néhány hasonló jelenségben.

Az elektromos készülékek tervezői és a különféle áramkörök fejlesztői figyelembe veszik az elektromos áram felsorolt ​​lehetőségeit készülékeikben. Például az örvényáramok káros hatásait a transzformátorokban, motorokban és generátorokban mérsékli a mágneses fluxusok továbbítására használt magok keverése. Ugyanakkor az örvényáramot sikeresen alkalmazzák a közeg melegítésére az indukciós elven működő elektromos sütőkben és mikrohullámú sütőkben.

A szinuszos hullámformájú váltakozó elektromos áram egységnyi idő alatt - egy másodperc alatt - eltérő rezgési frekvenciával rendelkezhet. Az elektromos berendezések ipari frekvenciája a különböző országokban 50 vagy 60 hertzes számokkal van szabványosítva. Egyéb elektrotechnikai és rádióüzleti célokra jeleket használnak:

• alacsony frekvenciájú, alacsonyabb értékekkel;

• nagyfrekvenciás, jelentősen meghaladja az ipari eszközök körét.

Általánosan elfogadott, hogy az elektromos áram egy bizonyos makroszkopikus közegben töltött részecskék mozgása által jön létre, és ezt vezetési áramnak nevezik... Azonban egy másik típusú áram, az úgynevezett konvekció is létrejöhet, amikor makroszkopikusan töltött testek mozognak, például esőcseppek. .

Hogyan keletkezik az elektromos áram a fémekben

Az elektronok mozgása a rájuk ható állandó erő hatására egy nyitott ernyős ejtőernyős leereszkedéséhez hasonlítható. Mindkét esetben egyenletesen gyorsított mozgást kapunk.

Az ejtőernyős a gravitáció hatására a talaj felé mozog, aminek a légellenállás ereje áll ellen. Az elektronokra hatással van a rájuk ható erő elektromos mező, és mozgását akadályozzák a folyamatos ütközések más részecskékkel - kristályrácsok ionjaival, amelyek következtében az alkalmazott erő hatásának egy része kialszik.

Az ejtőernyős átlagsebessége és az elektronmozgás mindkét esetben állandó értéket ér el.

Ez egy meglehetősen egyedi helyzetet teremt, ahol a sebesség:

• az elektron megfelelő mozgását másodpercenként 0,1 milliméter nagyságrendű érték határozza meg;

• az elektromos áram áramlása sokkal nagyobb értéknek felel meg - a fényhullámok terjedési sebessége: körülbelül 300 ezer kilométer másodpercenként.

És így, elektromos áram áramlása ott jön létre, ahol feszültséget kapcsolnak az elektronokra, és ennek eredményeként fénysebességgel kezdenek mozogni a vezető közegben.

Amikor egy fém kristályrácsában elektronok mozognak, egy másik érdekes szabályszerűség is felmerül: körülbelül minden tizedik ellenionnal ütközik.Vagyis az ionütközések mintegy 90%-át sikeresen elkerüli.

Ez a jelenség nemcsak a klasszikus fizika alaptörvényeivel magyarázható, amint azt a legtöbb ember általában megérti, hanem a kvantummechanika elmélete által leírt további működési törvényekkel is.

Ha röviden kifejezzük a hatásukat, akkor elképzelhetjük, hogy a fémek belsejében az elektronok mozgását nehéz, „lengő” nagy ionok akadályozzák, amelyek további ellenállást biztosítanak.

Ez a hatás különösen fémek hevítésénél észrevehető, amikor a nehéz ionok "lengése" megnöveli és csökkenti a vezetékek kristályrácsainak elektromos vezetőképességét.

Ezért a fémek hevítésekor elektromos ellenállásuk mindig növekszik, hűtéskor pedig vezetőképességük nő. Amikor a fém hőmérséklete az abszolút nulla értékéhez közeli kritikus értékekre csökken, sok esetben a szupravezetés jelensége lép fel.

Az elektromos áram értékétől függően különböző dolgokat képes végrehajtani. A képességek mennyiségi értékeléséhez ampernek nevezett értéket veszünk. Mérete a nemzetközi mérési rendszerben 1 amper.Az áramerősség jelzésére a szakirodalomban az «I» indexet alkalmazzák.

Feszültség

Ezt a kifejezést olyan fizikai mennyiség jellemzőjeként használják, amely azt a munkát fejezi ki, amely egy vizsgáló egység elektromos töltésének egyik pontból a másikba való átviteléhez szükséges anélkül, hogy megváltoztatná a fennmaradó töltések aktív térforrásokon való elhelyezésének jellegét.

Mivel a kezdő- és a végpont eltérő energiapotenciállal rendelkezik, a töltés vagy feszültség mozgatása érdekében végzett munka megegyezik e potenciálok közötti különbség arányával.

A feszültség kiszámítására az átfolyó áramoktól függően különböző kifejezéseket és módszereket alkalmaznak. Nem lehet:

1. állandó — elektrosztatikus és állandó áramkörben;

2. váltakozó — váltakozó és szinuszos áramú áramkörökben.

A második esetben olyan további jellemzőket és feszültségtípusokat használnak, mint:

• amplitúdó - az abszcissza tengelyének nulla helyzetétől való legnagyobb eltérés;

• pillanatnyi érték, amelyet egy adott időpontban fejeznek ki;

• effektív, effektív vagy más néven négyzetgyökérték, amelyet az egy félidőszakra végzett aktív munka határozza meg;

• egy felharmonikus periódus egyenirányított értéke modulo számított egyenirányított átlagérték.

A feszültség mennyiségi értékelésére bevezették az 1 voltos nemzetközi mértékegységet, és az „U” szimbólum lett a jelölése.

Az elektromos energia felsővezetékeken történő szállításakor a tartók kialakítása és méretei a használt feszültség értékétől függenek. A fázisok vezetői közötti értékét lineárisnak nevezzük, és minden vezetőhöz és földfázishoz viszonyítva.

Ez a szabály minden légitársaságra vonatkozik.

Hazánk hazai elektromos hálózataiban a szabvány a 380/220 voltos háromfázisú feszültség.

Elektromos ellenállás

A kifejezést egy anyag azon tulajdonságainak jellemzésére használják, amelyek gyengítik az elektromos áram áthaladását.Ebben az esetben különböző környezetek választhatók, az anyag hőmérséklete vagy méretei változtathatók.

Az egyenáramú áramkörökben az ellenállás aktív munkát végez, ezért nevezik aktívnak. Minden szakasz esetében egyenesen arányos az alkalmazott feszültséggel és fordítottan arányos az átmenő árammal.

A következő fogalmak kerülnek bevezetésre a váltakozó áramú sémákba:

• impedancia;

• hullám ellenállás.

Az elektromos impedanciát komplex vagy komponens impedanciának is nevezik:

• aktív;

• reaktív.

A reaktivitás pedig lehet:

• kapacitív;

• induktív.

Leírjuk az ellenállásháromszög impedancia összetevői közötti kapcsolatokat.

Az elektrodinamikai számítás során a tápvezeték hullámimpedanciáját a beeső hullám feszültségének és a hullámvonalon áthaladó áram értékének aránya határozza meg.

Az ellenállás értékét 1 Ohm nemzetközi mértékegységnek tekintjük.

Áram, feszültség, ellenállás kapcsolata

A jellemzők közötti kapcsolat kifejezésének klasszikus példája egy hidraulikus körrel való összehasonlítás, ahol az életáramlás mozgási ereje (analóg - az áram nagysága) a dugattyúra kifejtett erő értékétől függ (létrehozva). feszültség) és az áramlási vonalak jellege, szűkületekből (ellenállás).

Az elektromos ellenállás, áram és feszültség kapcsolatát leíró matematikai törvényeket először Georg Ohm tette közzé és szabadalmaztatta. Levezette a törvényeket az elektromos áramkör teljes áramkörére és szakaszára. További részletekért lásd itt: Ohm törvényének alkalmazása a gyakorlatban

A villamos energia alapvető mennyiségeinek mérésére ampermérőket, voltmérőket és ohmmérőket használnak.

Egy ampermérő méri az áramkörön átfolyó áramot, amely a zárt területen nem változik, ezért az ampermérőt a feszültségforrás és a felhasználó között bárhol elhelyezik, így a töltések áthaladnak a készülék mérőfején.

Voltmérőt használnak a feszültség mérésére az áramforráshoz csatlakoztatott felhasználói terminálokon.

Ohmmérővel történő ellenállásmérés csak kikapcsolt felhasználó mellett végezhető. Ennek az az oka, hogy az ohmmérő kalibrált feszültséget ad ki, és méri a tesztfejen átfolyó áramot, amelyet a feszültség és az áramérték elosztásával ohmmá alakítanak át.

Bármilyen külső kis teljesítményű feszültség csatlakoztatása a mérés során további áramokat hoz létre és torzítja az eredményt. Tekintettel arra, hogy az ohmmérő belső áramkörei kis teljesítményűek, akkor külső feszültség alkalmazásakor hibás ellenállásmérés esetén a készülék gyakran meghibásodik, mivel a belső áramköre kiég.

Az áram, a feszültség, az ellenállás alapvető jellemzőinek és a köztük fennálló kapcsolatok ismerete lehetővé teszi a villanyszerelők munkájának sikeres elvégzését, az elektromos rendszerek megbízható üzemeltetését, az elkövetett hibák pedig nagyon gyakran balesettel, sérüléssel végződnek.