Strøm, spænding, effekt: grundlæggende egenskaber ved elektricitet

Elektricitet har længe været brugt af mennesket til at tilfredsstille dets behov, men det er usynligt, ikke opfattet af sanserne, derfor er det svært at forstå. For at forenkle forklaringen af ​​elektriske processer sammenlignes de ofte med de hydrauliske egenskaber af en bevægelig væske.

For eksempel kommer hun til vores lejlighed via ledning Elektrisk energi fra fjerngeneratorer og postevand fra en trykpumpe. Kontakten slukker dog lyset, og den lukkede vandhane forhindrer vand i at løbe ud af vandhanen. For at udføre jobbet skal du tænde for kontakten og åbne vandhanen.

En rettet strøm af frie elektroner gennem ledningerne vil skynde sig til pærens glødetråd (en elektrisk strøm vil flyde), som vil udsende lys. Vandet, der kommer ud af vandhanen, løber ned i vasken.

Denne analogi gør det også muligt at forstå de kvantitative egenskaber, at relatere strømmens styrke til væskens bevægelseshastighed og at estimere andre parametre.

Netspændingen sammenlignes med væskekildens energipotentiale. For eksempel vil en stigning i det hydrauliske tryk fra en pumpe i et rør skabe en høj væskebevægelseshastighed og en stigning i spændingen (eller forskellen mellem fasens potentialer - inputtråden og det arbejdende nul - output) vil øge pærens glødelampe, styrken af ​​dens stråling .

Modstanden i det elektriske kredsløb sammenlignes med bremsekraften af ​​det hydrauliske flow. Flowhastigheden påvirkes af:

• flydende viskositet;

• tilstopning og ændring i kanalernes tværsnit. (I tilfælde af en vandhane, reguleringsventilens position.)

Værdien af ​​elektrisk modstand påvirkes af flere faktorer:

• strukturen af ​​stoffet, der bestemmer tilstedeværelsen af ​​frie elektroner i en leder og påvirker modstand; 

• tværsnitsareal og længde af strømlederen;

• temperatur.

Elektrisk effekt sammenlignes også med strømningens energipotentiale i hydraulik og estimeres ud fra det udførte arbejde pr. tidsenhed. Effekten af ​​et elektrisk apparat udtrykkes ved den trukket strøm og den påførte spænding (for AC- og DC-kredsløb).

Alle disse egenskaber ved elektricitet blev studeret af berømte videnskabsmænd, der gav definitioner af strøm, spænding, effekt, modstand og beskrev ved matematiske metoder de gensidige relationer mellem dem.

Følgende tabel viser generelle forhold for AC- og DC-kredsløb, der kan bruges til at analysere ydeevnen af ​​specifikke kredsløb.

Lad os se på nogle eksempler på deres brug.

Eksempel #1. Hvordan man beregner modstand og effekt

Antag, at du vil vælge en strømbegrænser til at forsyne belysningskredsløbet. Vi kender forsyningsspændingen for det indbyggede netværk «U», svarende til 24 volt og strømforbruget «I» på 0,5 ampere, som ikke må overskrides. Ifølge udtrykket (9) af Ohms lov beregner vi modstanden «R». R = 24 / 0,5 = 48 ohm.

Ved første øjekast bestemmes værdien af ​​modstanden. Dette er dog ikke nok. For pålidelig drift af sema er det nødvendigt at beregne effekten i henhold til det aktuelle forbrug.

I henhold til Joule-Lenz-lovens virkemåde er den aktive effekt «P» direkte proportional med strømmen «I», der passerer gennem ledningen, og den påførte spænding «U» Dette forhold er beskrevet af formel (11) i tabellen under.

Vi beregner: P = 24×0,5 = 12 W.

Vi får samme værdi, hvis vi bruger formlerne (10) eller (12).

Beregning af modstandens effekt ved dets strømforbrug viser, at i det valgte kredsløb er det nødvendigt at bruge en modstand på 48 Ohm og 12 W. En modstand med en lavere effekt vil ikke modstå de påførte belastninger, den vil varme op og brænde ud med tidens strøm.

Dette eksempel viser afhængigheden af, hvordan belastningsstrøm og netværksspænding påvirker brugerens effekt.

Eksempel #2. Sådan beregnes strømmen

For en gruppe stikkontakter beregnet til at drive elektriske husholdningsapparater i køkkenet er det nødvendigt at vælge en beskyttende afbryder. Effekten af ​​enhederne ifølge pasdataene er 2,0, 1,5 og 0,6 kW.

Svar. Lejligheden anvender et 220 volt enfaset AC-netværk. Den samlede effekt af alle enheder, der er tilsluttet til at arbejde på samme tid, vil være 2,0 + 1,5 + 0,6 = 4,1 kW = 4100 W.

Ved hjælp af formlen (2) bestemmer vi den samlede strøm for gruppen af ​​forbrugere: 4100/220 = 18,64 A.

Den nærmeste afbryder har en udløsningshastighed på 20 ampere. Vi vælger det. En maskine med en lavere værdi end 16 A vil stoppe permanent på grund af overbelastning.

Forskelle i parametrene for elektriske kredsløb i vekselstrøm

Enkeltfasede netværk

Når man analyserer parametrene for elektriske apparater, er det nødvendigt at tage højde for de særlige forhold ved deres drift i vekselstrømkredsløb, når der på grund af indflydelsen fra den industrielle frekvens opstår kapacitive belastninger i kondensatorerne (de skifter strømvektoren med 90 grader foran spændingsvektoren), og i spolens viklinger - induktiv (strømmen er 90 grader bag spændingen). I elektroteknik kaldes de reaktive belastninger... Sammen skaber de reaktive effekttab «Q», der ikke gør noget nyttigt arbejde.

Ved aktive belastninger er der ingen faseforskydning mellem strøm og spænding.

På denne måde lægges en reaktiv komponent til den aktive værdi af effekten af ​​et elektrisk apparat i vekselstrømkredsløb, på grund af hvilken den samlede effekt stiger, hvilket normalt kaldes fuld og er angivet med indekset «S».

Sinusformet vekselstrøm i et enfaset netværk

Elektrisk strøm og frekvensspænding varierer med tiden på en sinusformet måde. Derfor er der en magtændring. At bestemme deres parametre på forskellige tidspunkter giver ikke meget mening. Derfor vælges de samlede (integrerende) værdier for en vis periode, som regel oscillationsperioden T.

At kende forskellene mellem parametrene for veksel- og jævnstrømskredsløb giver dig mulighed for korrekt at beregne strømmen gennem strøm og spænding i hvert enkelt tilfælde.

Trefasede netværk

Grundlæggende består de af tre identiske enfasede kredsløb, forskudt i forhold til hinanden på det komplekse plan med 120 grader. De adskiller sig lidt i belastningerne i hver fase, og skifter strømmen fra spændingen med en vinkel phi. På grund af denne ujævnhed skabes en strøm I0 i nullederen.

Sinusformet vekselstrøm i et trefaset netværk

Spændingen i dette system består af fasespændinger (220 V) og netspændinger (380 V).

Effekten af ​​en trefaset strømenhed forbundet til kredsløbet er summen af ​​komponenterne i hver fase. Det måles ved hjælp af specielle enheder: wattmålere (aktiv komponent) og varmetere (reaktive). Det er muligt at beregne det samlede strømforbrug for en trefaset strømenhed baseret på wattmeter- og varmetermålingerne ved hjælp af trekantformlen.

Der findes også en indirekte målemetode baseret på brug af et voltmeter og amperemeter med efterfølgende beregninger af de opnåede værdier.

Du kan også beregne det samlede strømforbrug ved at kende størrelsen af ​​den tilsyneladende effekt S. For at gøre dette er det nok at dividere det med værdien af ​​linjespændingen.