Kaj so napetost, tok in upor: kako se uporabljajo v praksi

V elektrotehniki se izrazi "tok", "napetost" in "upor" uporabljajo za opis procesov, ki se pojavljajo v električnih tokokrogih. Vsak od njih ima svoj namen s posebnimi značilnostmi.

Elektrika

Beseda se uporablja za označevanje gibanja nabitih delcev (elektronov, lukenj, kationov in anionov) skozi določen medij snovi. Smer in število nosilcev naboja določata vrsto in moč toka.

Glavne značilnosti toka vplivajo na njegovo praktično uporabo

Predpogoj za tok nabojev je prisotnost vezja ali, z drugimi besedami, zaprte zanke, ki ustvarja pogoje za njihovo gibanje. Če v gibajočih se delcih nastane praznina, se njihovo smerno gibanje takoj ustavi.

Na tem principu delujejo vsa stikala in zaščite, ki se uporabljajo v elektriki.Ustvarijo ločitev med gibljivimi kontakti prevodnih delov in s tem prekinejo pretok električnega toka ter izklopijo napravo.

V energetiki je najpogostejša metoda ustvarjanje električnega toka zaradi gibanja elektronov znotraj kovin, izdelanih v obliki žic, pnevmatik ali drugih prevodnih delov.

Poleg te metode se uporablja tudi ustvarjanje toka znotraj:

1. plini in elektrolitske tekočine zaradi gibanja elektronov ali kationov in anionov — ionov s pozitivnim in negativnim predznakom naboja;

2. okolje vakuuma, zraka in plinov, ki je izpostavljeno gibanju elektronov, ki ga povzroča pojav termionskega sevanja;

3. polprevodniški materiali zaradi gibanja elektronov in lukenj.

Do električnega udara lahko pride, ko:

• uporaba zunanje razlike električnega potenciala na nabite delce;

• grelne žice, ki trenutno niso superprevodniki;

• potek kemijskih reakcij, povezanih s sproščanjem novih snovi;

• učinek magnetnega polja, ki deluje na žico.

Valovna oblika električnega toka je lahko:

1. konstanta v obliki ravne črte na časovnem traku;

2. spremenljivo sinusno harmonično dobro, opisano z osnovnimi trigonometričnimi razmerji;

3. meander, ki približno spominja na sinusni val, vendar z ostrimi, izrazitimi koti, ki jih je v nekaterih primerih mogoče dobro zgladiti;

4. pulzirajoče, ko smer ostaja enaka brez sprememb, amplituda pa občasno niha od nič do največje vrednosti po točno določenem zakonu.

Električni tok je lahko koristen za osebo, ko:

• pretvori v svetlobno sevanje;

• ustvarja ogrevanje toplotnih elementov;

• opravlja mehansko delo zaradi privlačnosti ali odbijanja premičnih armatur ali vrtenja rotorjev s pogoni, pritrjenimi v ležajih;

• v nekaterih drugih primerih ustvarja elektromagnetno sevanje.

Ko električni tok teče skozi žice, lahko poškodbe povzročijo:

• prekomerno segrevanje tokokrogov in kontaktov;

• izobraževanje vrtinčni tokovi v magnetnih tokokrogih električnih strojev;

• sevanje električne energije elektromagnetni valovi v okolju in nekateri podobni pojavi.

Načrtovalci električnih naprav in razvijalci različnih vezij upoštevajo naštete možnosti električnega toka v svojih napravah. Na primer, škodljive učinke vrtinčnih tokov v transformatorjih, motorjih in generatorjih ublažimo z mešanjem jeder, ki se uporabljajo za prenos magnetnih tokov. Hkrati se vrtinčni tok uspešno uporablja za segrevanje medija v električnih in mikrovalovnih pečicah, ki delujejo na principu indukcije.

Izmenični električni tok s sinusno valovno obliko ima lahko drugačno frekvenco nihanja na časovno enoto - sekundo. Industrijska frekvenca električnih instalacij v različnih državah je standardizirana s številkami 50 ali 60 hertz. Za druge namene elektrotehnike in radijske dejavnosti se signali uporabljajo:

• nizkofrekvenčni, z nižjimi vrednostmi;

• visoka frekvenca, ki znatno presega obseg industrijskih naprav.

Splošno sprejeto je, da električni tok nastane z gibanjem nabitih delcev v določenem makroskopskem mediju in se imenuje prevodni tok ... Lahko pa se pojavi druga vrsta toka, imenovana konvekcija, ko se premikajo makroskopsko nabita telesa, na primer dežne kaplje. .

Kako nastane električni tok v kovinah

Gibanje elektronov pod vplivom konstantne sile, ki deluje nanje, lahko primerjamo s spustom padalca z odprto streho. V obeh primerih dobimo enakomerno pospešeno gibanje.

Padalec se premika zaradi gravitacije proti tlom, čemur pa nasprotuje sila zračnega upora. Na elektrone vpliva sila, ki deluje nanje električno polje, njegovo gibanje pa ovirajo neprekinjeni trki z drugimi delci - ioni kristalnih mrež, zaradi česar del učinka uporabljene sile ugasne.

V obeh primerih dosežeta povprečna hitrost padalca in gibanje elektrona konstantno vrednost.

To ustvari precej edinstveno situacijo, kjer hitrost:

• lastno gibanje elektrona je določeno z vrednostjo reda 0,1 milimetra na sekundo;

• pretok električnega toka ustreza veliko višji vrednosti - hitrosti širjenja svetlobnih valov: približno 300 tisoč kilometrov na sekundo.

torej pretok električnega toka nastane tam, kjer na elektrone deluje napetost, zaradi česar se začnejo premikati s svetlobno hitrostjo znotraj prevodnega medija.

Ko se elektroni premikajo v kristalni mreži kovine, se pojavi še ena zanimiva zakonitost: trči s približno vsakim desetim protiionom.To pomeni, da se uspešno izogne ​​približno 90 % trkov ionov.

Ta pojav ni mogoče razložiti le z zakoni osnovne klasične fizike, kot jih običajno razume večina ljudi, temveč tudi z dodatnimi zakoni delovanja, ki jih opisuje teorija kvantne mehanike.

Če na kratko izrazimo njihovo delovanje, si lahko predstavljamo, da gibanje elektronov znotraj kovin ovirajo težki »zibajoči« veliki ioni, ki dajejo dodaten upor.

Ta učinek je še posebej opazen pri segrevanju kovin, ko se poveča "nihanje" težkih ionov in zmanjša električna prevodnost kristalnih mrež žic.

Zato se pri segrevanju kovin njihov električni upor vedno poveča, pri ohlajanju pa se poveča njihova prevodnost. Ko temperatura kovine pade na kritične vrednosti blizu vrednosti absolutne ničle, se v mnogih od njih pojavi pojav superprevodnosti.

Električni tok je glede na svojo vrednost sposoben narediti različne stvari. Za kvantitativno oceno njegovih zmogljivosti se vzame vrednost, imenovana amperaža. Njegova velikost v mednarodnem merilnem sistemu je 1 A. Za označevanje trenutne moči v tehnični literaturi je sprejet indeks "I".

Napetost

Ta izraz se uporablja kot značilnost fizikalne količine, ki izraža delo, porabljeno za prenos električnega naboja testne enote iz ene točke v drugo, ne da bi spremenil naravo postavitve preostalih nabojev na vire aktivnega polja.

Ker imata začetna in končna točka različne energijske potenciale, je delo, opravljeno za premikanje naboja ali napetosti, enako razmerju razlike med tema potencialoma.

Za izračun napetosti se uporabljajo različni izrazi in metode, odvisno od tokov, ki tečejo. Ne more biti:

1. konstanta - v elektrostatičnih in konstantnih tokokrogih;

2. izmenični - v tokokrogih z izmeničnim in sinusnim tokom.

V drugem primeru se uporabljajo dodatne značilnosti in vrste stresa, kot so:

• amplituda - največje odstopanje od ničelne lege abscisne osi;

• trenutna vrednost, ki je izražena v določenem trenutku;

• efektivna, efektivna ali drugače imenovana povprečna kvadratna vrednost, določena z opravljenim aktivnim delom v enem polčasu;

• popravljena povprečna vrednost, izračunana po modulu popravljene vrednosti ene harmonske periode.

Za kvantitativno oceno napetosti je bila uvedena mednarodna enota 1 volt in simbol "U" je postal njena oznaka.

Pri prenosu električne energije po nadzemnih vodih so konstrukcija nosilcev in njihove dimenzije odvisne od vrednosti uporabljene napetosti. Njegova vrednost med vodniki faz se imenuje linearna in je relativna za vsak vodnik in ozemljitveno fazo.

To pravilo velja za vse vrste letalskih družb.

V domačih električnih omrežjih naše države je standard trifazna napetost 380/220 voltov.

Električni upor

Izraz se uporablja za označevanje lastnosti snovi, da oslabi prehod električnega toka skozi njo.V tem primeru lahko izbiramo različna okolja, spreminjamo temperaturo snovi ali njene dimenzije.

V enosmernih tokokrogih upor aktivno deluje, zato se imenuje aktivni. Za vsak odsek je neposredno sorazmeren z uporabljeno napetostjo in obratno sorazmeren s prehodnim tokom.

V shemah izmeničnega toka so predstavljeni naslednji koncepti:

• impedanca;

• valovni upor.

Električna impedanca se imenuje tudi kompleksna ali komponentna impedanca:

• aktiven;

• reaktiven.

Reaktivnost pa je lahko:

• kapacitivni;

• induktivni.

Opisane so povezave med impedančnimi komponentami uporovnega trikotnika.

V elektrodinamičnem izračunu je valovna impedanca daljnovoda določena z razmerjem med napetostjo vpadnega vala in vrednostjo toka, ki teče vzdolž valovne črte.

Vrednost upora je vzeta kot mednarodna merska enota 1 Ohm.

Razmerje toka, napetosti, upora

Klasičen primer izražanja razmerja med temi značilnostmi je primerjava s hidravličnim vezjem, kjer je sila gibanja življenjskega toka (analogno - velikost toka) odvisna od vrednosti sile, ki deluje na bat (ustvarjen napetost) in značaj tokovnih linij, sestavljenih iz zožitev (upora).

Matematične zakone, ki opisujejo razmerje med električnim uporom, tokom in napetostjo, je prvi objavil in patentiral Georg Ohm. Izpeljal je zakone za celotno vezje električnega kroga in njegov odsek. Za več podrobnosti si oglejte tukaj: Uporaba Ohmovega zakona v praksi

Za merjenje osnovnih električnih veličin električne energije se uporabljajo ampermetri, voltmetri in ohmmetri.

Ampermeter meri tok, ki teče skozi tokokrog.Ker se ne spreminja v celotnem zaprtem prostoru, je ampermeter nameščen kjerkoli med virom napetosti in uporabnikom, kar ustvarja prehod nabojev skozi merilno glavo naprave.

Voltmeter se uporablja za merjenje napetosti na uporabniških sponkah, priključenih na vir toka.

Meritve upora z ohmmetrom lahko izvajate le, ko je uporabnik izklopljen. To je zato, ker ohmmeter oddaja umerjeno napetost in meri tok, ki teče skozi preskusno glavo, ki se pretvori v ohme tako, da se napetost deli s trenutno vrednostjo.

Kakršna koli povezava zunanje napetosti nizke moči med meritvijo bo ustvarila dodatne tokove in popačila rezultat. Glede na to, da so notranja vezja ohmmetra nizke moči, potem v primeru napačnih meritev upora pri uporabi zunanje napetosti naprava pogosto odpove zaradi dejstva, da njeno notranje vezje izgori.

Poznavanje osnovnih značilnosti toka, napetosti, upora in razmerij med njimi omogoča električarjem uspešno opravljanje dela in zanesljivo delovanje električnih sistemov, napake pa se zelo pogosto končajo z nesrečami in poškodbami.