Ström, spänning, effekt: grundläggande egenskaper hos elektricitet

Elektricitet har länge använts av människan för att tillfredsställa sina behov, men den är osynlig, uppfattas inte av sinnena, därför är den svår att förstå. För att förenkla förklaringen av elektriska processer jämförs de ofta med de hydrauliska egenskaperna hos en rörlig vätska.

Hon kommer till exempel via tråd till vår lägenhet Elektrisk energi från fjärrgeneratorer och kranvatten från en tryckpump. Strömbrytaren släcker dock belysningen och den stängda vattenkranen förhindrar att vatten rinner ut ur kranen. För att göra jobbet måste du slå på strömbrytaren och öppna kranen.

Ett riktat flöde av fria elektroner genom ledningarna kommer att rusa till glödlampans glödtråd (en elektrisk ström kommer att flyta) som kommer att avge ljus. Vattnet som kommer ut ur kranen kommer att rinna ut i diskhon.

Denna analogi gör det också möjligt att förstå de kvantitativa egenskaperna, att relatera strömstyrkan till vätskans rörelsehastighet och att uppskatta andra parametrar.

Nätspänningen jämförs med vätskekällans energipotential. Till exempel kommer en ökning av hydraultrycket från en pump i ett rör att skapa en hög vätskerörelsehastighet och en ökning av spänningen (eller skillnaden mellan fasens potentialer - ingångstråden och den arbetande nollan - utgången) kommer att öka glödlampan, styrkan på dess strålning .

Motståndet i den elektriska kretsen jämförs med bromskraften hos det hydrauliska flödet. Flödeshastigheten påverkas av:

• flytande viskositet;

• igensättning och förändring i kanalernas tvärsnitt. (I fallet med en vattenkran, läget för reglerventilen.)

Värdet på elektriskt motstånd påverkas av flera faktorer:

• ämnets struktur som bestämmer förekomsten av fria elektroner i en ledare och påverkar motstånd; 

• strömledarens tvärsnittsarea och längd;

• temperatur.

Elkraft jämförs också med energipotentialen för flödet i hydraulik och uppskattas utifrån det utförda arbetet per tidsenhet. Effekten hos en elektrisk apparat uttrycks av den dragna strömmen och den applicerade spänningen (för AC- och DC-kretsar).

Alla dessa egenskaper hos elektricitet studerades av kända forskare som gav definitioner av ström, spänning, effekt, resistans och beskrev med matematiska metoder de ömsesidiga relationerna mellan dem.

Följande tabell visar allmänna samband för AC- och DC-kretsar som kan användas för att analysera prestanda hos specifika kretsar.

Låt oss titta på några exempel på deras användning.

Exempel #1. Hur man beräknar motstånd och kraft

Anta att du vill välja en strömbegränsare för att driva belysningskretsen. Vi känner till matningsspänningen för det inbyggda nätverket «U», lika med 24 volt och strömförbrukningen «I» på 0,5 ampere, som inte får överskridas. Enligt uttrycket (9) av Ohms lag beräknar vi resistansen «R». R = 24 / 0,5 = 48 ohm.

Vid första anblicken bestäms värdet på motståndet. Detta räcker dock inte. För pålitlig drift av sema är det nödvändigt att beräkna effekten enligt strömförbrukningen.

Enligt funktionen av Joule-Lenz-lagen är den aktiva effekten «P» direkt proportionell mot strömmen «I» som passerar genom tråden och den pålagda spänningen «U». Detta förhållande beskrivs med formel (11) i tabellen Nedan.

Vi beräknar: P = 24×0,5 = 12 W.

Vi får samma värde om vi använder formlerna (10) eller (12).

Att beräkna motståndets effekt genom dess strömförbrukning visar att i den valda kretsen är det nödvändigt att använda ett motstånd på 48 Ohm och 12 W. Ett motstånd med lägre effekt kommer inte att motstå de applicerade belastningarna, det kommer att värmas upp och brinna ut med tidens ström.

Detta exempel visar beroendet av hur lastström och nätverksspänning påverkar användarens effekt.

Exempel #2. Hur man beräknar strömmen

För en grupp uttag avsedda för att driva elektriska hushållsapparater i köket är det nödvändigt att välja en skyddsströmbrytare. Effekten på enheterna enligt passdata är 2,0, 1,5 och 0,6 kW.

Svar. Lägenheten använder ett 220-volts enfas AC-nätverk. Den totala effekten för alla enheter som är anslutna för att arbeta samtidigt kommer att vara 2,0 + 1,5 + 0,6 = 4,1 kW = 4100 W.

Med hjälp av formeln (2) bestämmer vi den totala strömmen för gruppen av konsumenter: 4100/220 = 18,64 A.

Den närmaste strömbrytaren har en utlösningshastighet på 20 ampere. Vi väljer det. En maskin med ett lägre värde än 16 A kommer att stängas av permanent från överbelastning.

Skillnader i parametrarna för elektriska kretsar i växelström

Enfasnät

När man analyserar parametrarna för elektriska apparater är det nödvändigt att ta hänsyn till särdragen i deras funktion i växelströmskretsar, när, på grund av inverkan av den industriella frekvensen, kapacitiva belastningar uppträder i kondensatorerna (de flyttar strömvektorn med 90 grader före spänningsvektorn), och i spolens lindningar — induktiv (strömmen är 90 grader bakom spänningen). Inom elektroteknik kallas de reaktiva belastningar... Tillsammans skapar de reaktiva effektförluster «Q» som inte gör något användbart arbete.

Med aktiva laster sker ingen fasförskjutning mellan ström och spänning.

På detta sätt läggs en reaktiv komponent till det aktiva värdet av effekten hos en elektrisk apparat i växelströmskretsar, på grund av vilket den totala effekten ökar, vilket vanligtvis kallas full och indikeras av indexet «S».

Sinusformad växelström i ett enfasnät

Elektrisk ström och frekvensspänning varierar med tiden på ett sinusformigt sätt. Följaktligen sker en maktförändring. Att bestämma deras parametrar vid olika tidpunkter är inte mycket meningsfullt. Därför väljs de totala (integrerande) värdena för en viss tidsperiod, som regel oscillationsperioden T.

Genom att känna till skillnaderna mellan parametrarna för växelströms- och likströmskretsar kan du korrekt beräkna effekten genom ström och spänning i varje specifikt fall.

Trefasnät

I grund och botten består de av tre identiska enfaskretsar, förskjutna i förhållande till varandra på det komplexa planet med 120 grader. De skiljer sig något i belastningarna i varje fas, och skiftar strömmen från spänningen med en vinkel phi. På grund av denna ojämnhet skapas en ström I0 i nollledaren.

Sinusformad växelström i trefasnät

Spänningen i detta system består av fasspänningar (220 V) och linjespänningar (380 V).

Effekten av en trefas strömenhet ansluten till kretsen är summan av komponenterna i varje fas. Det mäts med hjälp av speciella enheter: wattmätare (aktiv komponent) och varmare (reaktiv). Det är möjligt att beräkna den totala strömförbrukningen för en trefasströmenhet baserat på wattmätaren och varmetermätningarna med hjälp av triangelformeln.

Det finns också en indirekt mätmetod baserad på användning av voltmeter och amperemeter med efterföljande beräkningar av de erhållna värdena.

Du kan också beräkna den totala strömförbrukningen, känna till storleken på den skenbara effekten S. För att göra detta räcker det att dividera den med värdet på linjespänningen.