Čo sú napätie, prúd a odpor: ako sa používajú v praxi

V elektrotechnike sa pojmy "prúd", "napätie" a "odpor" používajú na opis procesov vyskytujúcich sa v elektrických obvodoch. Každý z nich má svoj vlastný účel so špecifickými vlastnosťami.

Elektrina

Toto slovo sa používa na charakterizáciu pohybu nabitých častíc (elektrónov, dier, katiónov a aniónov) cez určité médium látky. Smer a počet nosičov náboja určuje typ a silu prúdu.

Hlavné charakteristiky prúdu ovplyvňujú jeho praktickú aplikáciu

Predpokladom toku nábojov je prítomnosť okruhu alebo inak povedané uzavretej slučky, ktorá vytvára podmienky na ich pohyb. Ak sa vo vnútri pohybujúcich sa častíc vytvorí medzera, ich smerový pohyb sa okamžite zastaví.

Na tomto princípe fungujú všetky spínače a ochrany používané v elektrine.Vytvárajú oddelenie medzi pohyblivými kontaktmi vodivých častí a týmto pôsobením prerušujú tok elektrického prúdu, čím sa zariadenie vypne.

V energetike je najbežnejšou metódou vytvorenie elektrického prúdu v dôsledku pohybu elektrónov vo vnútri kovov vyrobených vo forme drôtov, pneumatík alebo iných vodivých častí.

Okrem tejto metódy sa používa aj vytváranie prúdu vo vnútri:

1. plyny a elektrolytické kvapaliny v dôsledku pohybu elektrónov alebo katiónov a aniónov – ióny s kladnými a zápornými znakmi náboja;

2. prostredie vákua, vzduchu a plynov vystavených pohybu elektrónov spôsobených javom termionického žiarenia;

3. polovodičové materiály v dôsledku pohybu elektrónov a dier.

K úrazu elektrickým prúdom môže dôjsť, keď:

• aplikácia rozdielu vonkajšieho elektrického potenciálu na nabité častice;

• vykurovacie drôty, ktoré v súčasnosti nie sú supravodičmi;

• priebeh chemických reakcií súvisiacich s uvoľňovaním nových látok;

• účinok magnetického poľa aplikovaného na drôt.

Tvar vlny elektrického prúdu môže byť:

1. konštanta vo forme priamky na časovej osi;

2. premenlivá sínusová harmonická dobre opísaná základnými goniometrickými vzťahmi;

3. meander, zhruba pripomínajúci sínusoidu, ale s ostrými, výraznými uhlami, ktoré sa v niektorých prípadoch dajú dobre vyhladiť;

4. pulzujúca, keď smer zostáva rovnaký bez zmeny a amplitúda periodicky kolíše od nuly po maximálnu hodnotu podľa presne definovaného zákona.

Elektrický prúd môže byť pre človeka užitočný, keď:

• premenené na svetelné žiarenie;

• vytvára zahrievanie tepelných prvkov;

• vykonáva mechanickú prácu v dôsledku priťahovania alebo odpudzovania pohyblivých kotiev alebo otáčania rotorov s pohonmi upevnenými v ložiskách;

• v niektorých iných prípadoch vytvára elektromagnetické žiarenie.

Keď elektrický prúd prechádza vodičmi, poškodenie môže byť spôsobené:

• nadmerné zahrievanie prúdových obvodov a kontaktov;

• vzdelanie vírivé prúdy v magnetických obvodoch elektrických strojov;

• žiarenie elektriny elektromagnetické vlny v prostredí a niektoré podobné javy.

Projektanti elektrických zariadení a vývojári rôznych obvodov berú do úvahy uvedené možnosti elektrického prúdu vo svojich zariadeniach. Napríklad škodlivé účinky vírivých prúdov v transformátoroch, motoroch a generátoroch sa zmierňujú zmiešaním jadier používaných na prenos magnetických tokov. Vírivý prúd sa zároveň úspešne využíva na ohrev média v elektrických rúrach a mikrovlnných rúrach pracujúcich na indukčnom princípe.

Striedavý elektrický prúd so sínusovým priebehom môže mať inú frekvenciu oscilácií za jednotku času - sekundu. Priemyselná frekvencia elektrických inštalácií v rôznych krajinách je štandardizovaná s číslami 50 alebo 60 hertzov. Na iné účely elektrotechniky a rádiového podnikania sa používajú signály:

• nízkofrekvenčné, s nižšími hodnotami;

• vysoká frekvencia, výrazne presahujúca rozsah priemyselných zariadení.

Všeobecne sa uznáva, že elektrický prúd vzniká pohybom nabitých častíc v určitom makroskopickom prostredí a nazýva sa vodivý prúd... Iný typ prúdu nazývaný konvekcia však môže nastať, keď sa makroskopicky nabité telesá pohybujú, napríklad kvapky dažďa. .

Ako vzniká elektrický prúd v kovoch

Pohyb elektrónov pod vplyvom konštantnej sily, ktorá na ne pôsobí, možno prirovnať k zostupu parašutistu s otvoreným vrchlíkom. V oboch prípadoch sa dosiahne rovnomerne zrýchlený pohyb.

Parašutista sa pohybuje v dôsledku gravitácie smerom k zemi, ktorej odporuje sila odporu vzduchu. Elektróny sú ovplyvnené silou, ktorá na ne pôsobí elektrické polea jeho pohybu bránia nepretržité zrážky s inými časticami - iónmi kryštálových mriežok, v dôsledku ktorých časť účinku pôsobiacej sily zhasne.

V oboch prípadoch priemerná rýchlosť parašutistu a pohyb elektrónov dosahuje konštantnú hodnotu.

To vytvára pomerne jedinečnú situáciu, keď rýchlosť:

• vlastný pohyb elektrónu je určený hodnotou rádovo 0,1 milimetra za sekundu;

• tok elektrického prúdu zodpovedá oveľa vyššej hodnote — rýchlosti šírenia svetelných vĺn: asi 300 tisíc kilometrov za sekundu.

teda tok elektrického prúdu vzniká tam, kde je na elektróny privedené napätie a v dôsledku toho sa začnú vo vodivom prostredí pohybovať rýchlosťou svetla.

Keď sa elektróny pohybujú v kryštálovej mriežke kovu, vzniká ďalšia zaujímavá zákonitosť: koliduje s približne každým desiatym protiiónom.To znamená, že sa úspešne vyhýba asi 90 % zrážok iónov.

Tento jav možno vysvetliť nielen zákonmi základnej klasickej fyziky, ako ich bežne chápe väčšina ľudí, ale aj ďalšími prevádzkovými zákonmi opísanými v teórii kvantovej mechaniky.

Ak stručne vyjadríme ich pôsobenie, potom si vieme predstaviť, že pohybu elektrónov vo vnútri kovov bránia ťažké „hojdajúce sa“ veľké ióny, ktoré poskytujú dodatočný odpor.

Tento efekt je badateľný najmä pri zahrievaní kovov, kedy sa zvyšuje „hojdanie“ ťažkých iónov a znižuje sa elektrická vodivosť kryštálových mriežok drôtov.

Preto pri zahrievaní kovov sa ich elektrický odpor vždy zvyšuje a pri ochladzovaní sa zvyšuje ich vodivosť. Keď teplota kovu klesne na kritické hodnoty blízke hodnote absolútnej nuly, v mnohých z nich sa vyskytuje fenomén supravodivosti.

Elektrický prúd, v závislosti od jeho hodnoty, je schopný robiť rôzne veci. Na kvantitatívne posúdenie jeho schopností sa použije hodnota nazývaná prúd. Jeho veľkosť v medzinárodnom meracom systéme je 1 A. Na označenie aktuálnej sily v technickej literatúre sa používa index «I».

Napätie

Tento pojem sa používa ako charakteristika fyzikálnej veličiny, ktorá vyjadruje prácu vynaloženú na prenos elektrického náboja testovacej jednotky z jedného bodu do druhého bez toho, aby sa zmenil charakter umiestnenia zostávajúcich nábojov na zdrojoch aktívneho poľa.

Pretože počiatočný a koncový bod majú rôzne energetické potenciály, práca vykonaná na presun náboja alebo napätia sa rovná pomeru rozdielu medzi týmito potenciálmi.

Na výpočet napätia v závislosti od pretekajúcich prúdov sa používajú rôzne pojmy a metódy. Nemôže byť:

1. konštantný — v elektrostatických obvodoch a obvodoch s konštantným prúdom;

2. striedavý — v obvodoch so striedavým a sínusovým prúdom.

V druhom prípade sa používajú také dodatočné charakteristiky a typy stresu ako:

• amplitúda — najväčšia odchýlka od nulovej polohy osi x;

• okamžitá hodnota, ktorá je vyjadrená v určitom časovom bode;

• efektívna, efektívna alebo, inak nazývaná, odmocnina, určená aktívnou prácou vykonanou za jednu polovicu obdobia;

• rektifikovaná priemerná hodnota vypočítaná modulo rektifikovaná hodnota jednej harmonickej periódy.

Pre kvantitatívne hodnotenie napätia bola zavedená medzinárodná jednotka 1 volt a jej označením sa stal symbol «U».

Pri preprave elektrickej energie nadzemným vedením závisí prevedenie podpier a ich rozmery od hodnoty použitého napätia. Jeho hodnota medzi vodičmi fáz sa nazýva lineárna a relatívna ku každému vodiču a zemnej fáze.

Toto pravidlo platí pre všetky typy leteckých spoločností.

V domácich elektrických sieťach našej krajiny je štandardom trojfázové napätie 380/220 voltov.

Elektrický odpor

Termín sa používa na charakterizáciu vlastností látky na oslabenie prechodu elektrického prúdu cez ňu.V tomto prípade možno zvoliť rôzne prostredia, zmeniť teplotu látky alebo jej rozmery.

V jednosmerných obvodoch odpor vykonáva aktívnu prácu, preto sa nazýva aktívny. Pre každú sekciu je priamo úmerná použitému napätiu a nepriamo úmerná prechádzajúcemu prúdu.

V schémach striedavého prúdu sú zavedené tieto pojmy:

• impedancia;

• vlnový odpor.

Elektrická impedancia sa tiež nazýva komplexná alebo komponentná impedancia:

• aktívny;

• reaktívny.

Reaktivita zase môže byť:

• kapacitné;

• indukčné.

Sú popísané spojenia medzi impedančnými zložkami odporového trojuholníka.

V elektrodynamickom výpočte je vlnová impedancia elektrického vedenia určená pomerom napätia z dopadajúcej vlny k hodnote prúdu prechádzajúceho pozdĺž vlnovej čiary.

Hodnota odporu sa berie ako medzinárodná jednotka merania 1 Ohm.

Vzťah prúdu, napätia, odporu

Klasickým príkladom vyjadrenia vzťahu medzi týmito charakteristikami je porovnanie s hydraulickým obvodom, kde sila pohybu prúdu života (analógová - veľkosť prúdu) závisí od hodnoty sily pôsobiacej na piest (vytvorený napätie) a charakter prúdových línií, vytvorených zo zúžení (odpor).

Matematické zákony popisujúce vzťah elektrického odporu, prúdu a napätia boli prvýkrát publikované a patentované Georgom Ohmom. Odvodil zákony pre celý obvod elektrického obvodu a jeho úsek. Ďalšie podrobnosti nájdete tu: Aplikácia Ohmovho zákona v praxi

Na meranie základných elektrických veličín elektriny sa používajú ampérmetre, voltmetre a ohmmetre.

Ampérmeter meria prúd pretekajúci obvodom.Keďže sa nemení v celom uzavretom priestore, je ampérmeter umiestnený kdekoľvek medzi zdrojom napätia a užívateľom, čím vzniká prechod nábojov cez meraciu hlavicu prístroja.

Voltmeter sa používa na meranie napätia na svorkách užívateľa pripojených k zdroju prúdu.

Meranie odporu ohmmetrom je možné vykonávať len pri vypnutom užívateľovi. Ohmmeter totiž vydáva kalibrované napätie a meria prúd pretekajúci cez testovaciu hlavicu, ktorý sa prevádza na ohmy vydelením napätia hodnotou prúdu.

Akékoľvek pripojenie externého nízkeho napätia počas merania vytvorí dodatočné prúdy a skreslí výsledok. Vzhľadom na to, že vnútorné obvody ohmmetra majú nízky výkon, potom v prípade chybných meraní odporu pri použití externého napätia zariadenie pomerne často zlyhá, pretože jeho vnútorný obvod vyhorí.

Poznanie základných charakteristík prúdu, napätia, odporu a vzťahov medzi nimi umožňuje elektrikárom úspešne vykonávať svoju prácu a spoľahlivo obsluhovať elektrické systémy a urobené chyby sa veľmi často končia nehodami a úrazmi.