Strøm, spenning, kraft: grunnleggende egenskaper ved elektrisitet

Elektrisitet har lenge blitt brukt av mennesket for å tilfredsstille sine behov, men det er usynlig, ikke oppfattet av sansene, derfor er det vanskelig å forstå. For å forenkle forklaringen av elektriske prosesser, sammenlignes de ofte med de hydrauliske egenskapene til en bevegelig væske.

Hun kommer for eksempel til leiligheten vår via ledning Elektrisk energi fra eksterne generatorer og tappevann fra en trykkpumpe. Bryteren slår imidlertid av lysene og den lukkede vannkranen hindrer vann i å renne ut av kranen. For å gjøre jobben må du slå på bryteren og åpne kranen.

En rettet strøm av frie elektroner gjennom ledningene vil skynde seg til glødetråden til pæren (en elektrisk strøm vil flyte) som vil avgi lys. Vannet som kommer ut av kranen vil renne ned i vasken.

Denne analogien gjør det også mulig å forstå de kvantitative egenskapene, å relatere strømmens styrke til væskens bevegelseshastighet og å estimere andre parametere.

Nettspenningen sammenlignes med energipotensialet til væskekilden. For eksempel vil en økning i hydraulisk trykk fra en pumpe i et rør skape en høy hastighet av væskebevegelse, og en økning i spenning (eller forskjellen mellom potensialene til fasen - inngangsledningen og arbeidsnullen - utgangen) vil øke glødelampen, styrken på strålingen.

Motstanden til den elektriske kretsen sammenlignes med bremsekraften til den hydrauliske strømmen. Strømningshastigheten påvirkes av:

• flytende viskositet;

• tilstopping og endring i tverrsnitt av kanalene. (Hvis det gjelder en vannkran, posisjonen til kontrollventilen.)

Verdien av elektrisk motstand påvirkes av flere faktorer:

• strukturen til stoffet som bestemmer tilstedeværelsen av frie elektroner i en leder og påvirker motstand; 

• tverrsnittsareal og lengde på strømlederen;

• temperatur.

Elektrisk kraft sammenlignes også med energipotensialet til strømmen i hydraulikk og estimeres ut fra arbeidet som er utført per tidsenhet. Kraften til et elektrisk apparat uttrykkes av strømmen som trekkes og den påførte spenningen (for AC- og DC-kretser).

Alle disse egenskapene til elektrisitet ble studert av kjente forskere som ga definisjoner av strøm, spenning, kraft, motstand og beskrev ved matematiske metoder de gjensidige relasjonene mellom dem.

Tabellen nedenfor viser generelle forhold for AC- og DC-kretser som kan brukes til å analysere ytelsen til spesifikke kretser.

La oss se på noen eksempler på bruken av dem.

Eksempel #1. Hvordan beregne motstand og kraft

Anta at du vil velge en strømbegrenser for å drive lyskretsen. Vi kjenner forsyningsspenningen til ombordnettet «U», lik 24 volt og strømforbruket «I» på 0,5 ampere, som ikke må overskrides. I følge uttrykket (9) av Ohms lov beregner vi motstanden «R». R = 24 / 0,5 = 48 ohm.

Ved første øyekast bestemmes verdien av motstanden. Dette er imidlertid ikke nok. For pålitelig drift av sema er det nødvendig å beregne kraften i henhold til strømforbruket.

I henhold til virkemåten til Joule-Lenz-loven er den aktive effekten «P» direkte proporsjonal med strømmen «I» som går gjennom ledningen og den påtrykte spenningen «U» Dette forholdet er beskrevet av formel (11) i tabellen under.

Vi beregner: P = 24×0,5 = 12 W.

Vi får samme verdi hvis vi bruker formler (10) eller (12).

Beregning av kraften til motstanden etter strømforbruket viser at i den valgte kretsen er det nødvendig å bruke en motstand på 48 Ohm og 12 W. En motstand med lavere effekt vil ikke tåle de påførte belastningene, den vil varme opp og brenne ut med tidens strøm.

Dette eksemplet viser avhengigheten av hvordan laststrøm og nettverksspenning påvirker brukerens effekt.

Eksempel #2. Hvordan beregne strømmen

For en gruppe stikkontakter beregnet på å drive elektriske husholdningsapparater på kjøkkenet, er det nødvendig å velge en beskyttelsesbryter. Kraften til enhetene i henhold til passdataene er 2,0, 1,5 og 0,6 kW.

Svar. Leiligheten bruker et 220 volt enfaset vekselstrømnett. Den totale effekten til alle enheter som er koblet til arbeid samtidig vil være 2,0 + 1,5 + 0,6 = 4,1 kW = 4100 W.

Ved å bruke formelen (2) bestemmer vi den totale strømmen til gruppen av forbrukere: 4100/220 = 18,64 A.

Den nærmeste strømbryteren har en utløsningshastighet på 20 ampere. Vi velger det. En maskin med lavere verdi enn 16 A vil slå seg permanent av fra overbelastning.

Forskjeller i parametrene til elektriske kretser i vekselstrøm

Enfasenettverk

Når du analyserer parametrene til elektriske apparater, er det nødvendig å ta hensyn til særegenhetene ved deres drift i vekselstrømkretser, når det på grunn av påvirkningen av den industrielle frekvensen oppstår kapasitive belastninger i kondensatorene (de skifter strømvektoren med 90 grader foran spenningsvektoren), og i viklingene til spolen — induktiv (strømmen er 90 grader bak spenningen). I elektroteknikk kalles de reaktive laster... Sammen skaper de reaktive effekttap «Q» som ikke gjør noe nyttig arbeid.

Med aktive laster er det ingen faseforskyvning mellom strøm og spenning.

På denne måten legges en reaktiv komponent til den aktive verdien av effekten til et elektrisk apparat i vekselstrømkretser, på grunn av hvilken den totale effekten øker, som vanligvis kalles full og indikeres med indeksen «S».

Sinusformet vekselstrøm i et enfaset nettverk

Elektrisk strøm og frekvensspenning varierer med tiden på en sinusformet måte. Følgelig er det et maktskifte. Å bestemme parametrene deres på forskjellige tidspunkt gir ikke mye mening. Derfor velges de totale (integrerende) verdiene for en viss tidsperiode, som regel oscillasjonsperioden T.

Å kjenne forskjellene mellom parametrene til veksel- og likestrømkretser lar deg beregne kraften gjennom strøm og spenning riktig i hvert enkelt tilfelle.

Trefasenettverk

I utgangspunktet består de av tre identiske enfasekretser, forskjøvet i forhold til hverandre på det komplekse planet med 120 grader. De er litt forskjellige i belastningene i hver fase, og skifter strømmen fra spenningen med en vinkel phi. På grunn av denne ujevnheten dannes en strøm I0 i nøytrallederen.

Sinusformet vekselstrøm i et trefaset nettverk

Spenningen i dette systemet består av fasespenninger (220 V) og linjespenninger (380 V).

Kraften til en trefaset strømenhet koblet til kretsen er summen av komponentene i hver fase. Det måles ved hjelp av spesielle enheter: wattmålere (aktiv komponent) og varmetere (reaktive). Det er mulig å beregne det totale strømforbruket til en trefaset strømenhet basert på wattmeter- og varmetermålingene ved å bruke trekantformelen.

Det finnes også en indirekte målemetode basert på bruk av voltmeter og amperemeter med påfølgende beregninger av de oppnådde verdiene.

Du kan også beregne det totale strømforbruket ved å vite størrelsen på den tilsynelatende kraften S. For å gjøre dette er det nok å dele den med verdien av linjespenningen.