Prúd, napätie, výkon: základné charakteristiky elektriny

Elektrina je oddávna využívaná človekom na uspokojenie svojich potrieb, ale je neviditeľná, nevníma sa zmyslami, preto je ťažko pochopiteľná. Pre zjednodušenie vysvetlenia elektrických procesov sa často porovnávajú s hydraulickými charakteristikami pohybujúcej sa tekutiny.

Napríklad k nám do bytu prichádza po drôte Elektrická energia zo vzdialených generátorov a vody z vodovodu z tlakového čerpadla. Vypínač však zhasne svetlá a zatvorený vodovodný kohútik zabráni vytekaniu vody z kohútika. Ak chcete vykonať túto prácu, musíte zapnúť spínač a otvoriť kohútik.

Usmernený tok voľných elektrónov cez drôty sa ponáhľa k vláknu žiarovky (potečie elektrický prúd), ktoré vyžaruje svetlo. Voda vychádzajúca z kohútika bude odtekať do umývadla.

Táto analógia tiež umožňuje pochopiť kvantitatívne charakteristiky, dať do súvisu silu prúdu s rýchlosťou pohybu kvapaliny a odhadnúť ďalšie parametre.

Sieťové napätie sa porovnáva s energetickým potenciálom kvapalného zdroja. Napríklad zvýšenie hydraulického tlaku z čerpadla v potrubí spôsobí vysokú rýchlosť pohybu tekutiny a zvýšenie napätia (alebo rozdielu medzi potenciálmi fázy - vstupný vodič a pracovnou nulou - výstup) zvýši žhavenie žiarovky, silu jej žiarenia .

Odpor elektrického obvodu sa porovnáva s brzdnou silou hydraulického prúdu. Prietok je ovplyvnený:

• viskozita kvapaliny;

• upchatie a zmena prierezu kanálov. (V prípade vodovodného kohútika poloha ovládacieho ventilu.)

Hodnota elektrického odporu je ovplyvnená niekoľkými faktormi:

• štruktúra látky, ktorá určuje prítomnosť voľných elektrónov vo vodiči a ovplyvňuje odpor; 

• plocha prierezu a dĺžka prúdového vodiča;

• teplota.

Elektrická energia sa tiež porovnáva s energetickým potenciálom prietoku v hydraulike a odhaduje sa z práce vykonanej za jednotku času. Výkon elektrického spotrebiča je vyjadrený odoberaným prúdom a priloženým napätím (pre striedavé a jednosmerné obvody).

Všetky tieto charakteristiky elektriny skúmali známi vedci, ktorí definovali prúd, napätie, výkon, odpor a matematickými metódami opísali vzájomné vzťahy medzi nimi.

Nasledujúca tabuľka ukazuje všeobecné vzťahy pre obvody AC a DC, ktoré možno použiť na analýzu výkonu konkrétnych obvodov.

Pozrime sa na niekoľko príkladov ich použitia.

Príklad č. 1. Ako vypočítať odpor a výkon

Predpokladajme, že chcete vybrať obmedzovač prúdu na napájanie svetelného okruhu. Poznáme napájacie napätie palubnej siete «U» rovnajúce sa 24 voltom a spotrebu prúdu «I» 0,5 ampéra, ktorá nesmie byť prekročená. Podľa výrazu (9) Ohmovho zákona vypočítame odpor «R». R = 24 / 0,5 = 48 ohmov.

Na prvý pohľad je určená hodnota odporu. To však nestačí. Pre spoľahlivú prevádzku sema je potrebné počítať výkon podľa aktuálnej spotreby.

Podľa fungovania Joule-Lenzovho zákona je činný výkon «P» priamo úmerný prúdu «I» prechádzajúcemu vodičom a aplikovanému napätiu «U». Tento vzťah je opísaný vzorcom (11) v tabuľke. nižšie.

Vypočítame: P = 24×0,5 = 12 W.

Rovnakú hodnotu dostaneme, ak použijeme vzorce (10) alebo (12).

Výpočet výkonu rezistora jeho prúdovou spotrebou ukazuje, že vo vybranom obvode je potrebné použiť odpor 48 Ohm a 12 W. Rezistor s nižším výkonom nevydrží aplikované zaťaženie, bude sa zahrievať a horieť s prúdom času.

Tento príklad ukazuje závislosť toho, ako prúd záťaže a napätie v sieti ovplyvňujú výkon používateľa.

Príklad č. 2. Ako vypočítať prúd

Pre skupinu zásuviek určených na napájanie domácich elektrospotrebičov v kuchyni je potrebné vybrať ochranný istič. Výkon zariadení podľa pasových údajov je 2,0, 1,5 a 0,6 kW.

Odpoveď. Byt využíva 220V jednofázovú AC sieť. Celkový výkon všetkých zariadení pripojených k práci v rovnakom čase bude 2,0 + 1,5 + 0,6 = 4,1 kW = 4100 W.

Pomocou vzorca (2) určíme celkový prúd skupiny spotrebiteľov: 4100/220 = 18,64 A.

Najbližší menovitý istič má vypínaciu rýchlosť 20 ampérov. Vyberáme to. Stroj s nižšou hodnotou ako 16 A sa natrvalo vypne z dôvodu preťaženia.

Rozdiely v parametroch elektrických obvodov pri striedavom prúde

Jednofázové siete

Pri analýze parametrov elektrických spotrebičov je potrebné vziať do úvahy zvláštnosti ich prevádzky v obvodoch striedavého prúdu, keď sa vplyvom priemyselnej frekvencie v kondenzátoroch objavia kapacitné záťaže (posúvajú prúdový vektor o 90 stupňov pred vektorom napätia) a vo vinutí cievky - induktívne (prúd je 90 stupňov za napätím). V elektrotechnike sa nazývajú reaktívne záťaže... Spolu vytvárajú straty jalového výkonu «Q», ktoré nevykonávajú žiadnu užitočnú prácu.

Pri aktívnych záťažiach nedochádza k fázovému posunu medzi prúdom a napätím.

Týmto spôsobom sa k aktívnej hodnote výkonu elektrického spotrebiča v obvodoch striedavého prúdu pridáva jalový komponent, vďaka čomu sa zvyšuje celkový výkon, ktorý sa zvyčajne nazýva plný a je označený indexom «S».

Striedavý sínusový prúd v jednofázovej sieti

Elektrický prúd a frekvenčné napätie sa menia s časom sínusovým spôsobom. V súlade s tým dochádza k zmene moci. Určovanie ich parametrov v rôznych časových bodoch nemá veľký zmysel. Preto sa celkové (integračné) hodnoty vyberajú za určité časové obdobie, spravidla periódu oscilácie T.

Poznanie rozdielov medzi parametrami obvodov striedavého a jednosmerného prúdu vám umožňuje správne vypočítať výkon cez prúd a napätie v každom konkrétnom prípade.

Trojfázové siete

V podstate pozostávajú z troch identických jednofázových obvodov, vzájomne posunutých v komplexnej rovine o 120 stupňov. Mierne sa líšia v zaťaženiach v každej fáze, pričom posúvajú prúd od napätia o uhol phi. V dôsledku tejto nerovnomernosti sa v nulovom vodiči vytvorí prúd I0.

Striedavý sínusový prúd v trojfázovej sieti

Napätie v tomto systéme pozostáva z fázových napätí (220 V) a sieťových napätí (380 V).

Výkon zariadenia s trojfázovým prúdom pripojeného k obvodu je súčtom komponentov v každej fáze. Meria sa pomocou špeciálnych zariadení: wattmetre (aktívna zložka) a varmetre (reaktívne). Pomocou trojuholníkového vzorca je možné vypočítať celkovú spotrebu energie trojfázového zariadenia na základe meraní wattmetra a varmetra.

Existuje aj nepriama metóda merania založená na použití voltmetra a ampérmetra s následnými výpočtami získaných hodnôt.

Môžete tiež vypočítať celkovú spotrebu prúdu, pričom poznáte veľkosť zdanlivého výkonu S. Na to stačí vydeliť ho hodnotou sieťového napätia.