Tok, napetost, moč: osnovne značilnosti elektrike

Elektriko je človek že od nekdaj uporabljal za zadovoljevanje svojih potreb, vendar je nevidna, s čuti je ni zaznati, zato jo je težko razumeti. Za poenostavitev razlage električnih procesov jih pogosto primerjamo s hidravličnimi značilnostmi gibajoče se tekočine.

Na primer, v naše stanovanje pride po žici Električna energija iz oddaljenih generatorjev in vode iz pipe iz tlačne črpalke. Vendar stikalo ugasne luči in zaprta vodna pipa prepreči iztekanje vode iz pipe. Če želite opraviti delo, morate vklopiti stikalo in odpreti pipo.

Usmerjen tok prostih elektronov skozi žice bo hitel do žarilne nitke žarnice (stekel bo električni tok), ki bo oddajala svetlobo. Voda, ki teče iz pipe, bo odtekla v umivalnik.

Ta analogija omogoča tudi razumevanje kvantitativnih značilnosti, povezovanje jakosti toka s hitrostjo gibanja tekočine in oceno drugih parametrov.

Omrežna napetost se primerja z energijskim potencialom tekočega vira. Na primer, povečanje hidravličnega tlaka iz črpalke v cevi bo ustvarilo visoko hitrost gibanja tekočine in povečanje napetosti (ali razlike med potencialoma faze - vhodna žica in delovna ničla - izhod) bo povečal žarenje žarnice, moč njenega sevanja .

Upornost električnega kroga primerjamo z zavorno silo hidravličnega toka. Na pretok vpliva:

• viskoznost tekočine;

• zamašitev in sprememba preseka kanalov. (V primeru vodovodne pipe položaj regulacijskega ventila.)

Na vrednost električnega upora vpliva več dejavnikov:

• zgradba snovi, ki določa prisotnost prostih elektronov v prevodniku in vpliva odpornost; 

• površina prečnega prereza in dolžina tokovnega vodnika;

• temperaturo.

Električna moč se primerja tudi z energijskim potencialom toka v hidravliki in se ocenjuje iz opravljenega dela na enoto časa. Moč električnega aparata je izražena z porabo toka in uporabljeno napetostjo (za tokokroge AC in DC).

Vse te značilnosti elektrike so preučevali znani znanstveniki, ki so podali definicije toka, napetosti, moči, upora in z matematičnimi metodami opisali medsebojne odnose med njimi.

Naslednja tabela prikazuje splošna razmerja za vezja AC in DC, ki jih je mogoče uporabiti za analizo delovanja določenih vezij.

Oglejmo si nekaj primerov njihove uporabe.

Primer #1. Kako izračunati upor in moč

Recimo, da želite izbrati omejevalnik toka za napajanje tokokroga razsvetljave. Poznamo napajalno napetost vgrajenega omrežja «U», ki je enaka 24 voltom, in porabo toka «I» 0,5 ampera, ki je ne smemo preseči. Po izrazu (9) Ohmovega zakona izračunamo upor «R». R = 24 / 0,5 = 48 ohmov.

Na prvi pogled je določena vrednost upora. Vendar to ni dovolj. Za zanesljivo delovanje sema je potrebno moč izračunati glede na trenutno porabo.

V skladu z delovanjem Joule-Lenzovega zakona je aktivna moč «P» neposredno sorazmerna toku «I», ki teče skozi žico, in uporabljeni napetosti «U». To razmerje opisuje formula (11) v tabeli spodaj.

Izračunamo: P = 24×0,5 = 12 W.

Enako vrednost dobimo, če uporabimo formuli (10) ali (12).

Izračun moči upora glede na trenutno porabo kaže, da je v izbranem vezju potreben upor 48 Ohm in 12 W. Upor z manjšo močjo ne bo vzdržal uporabljenih obremenitev, se bo segrel in izgorel s tokom časa.

Ta primer prikazuje odvisnost vpliva obremenitvenega toka in omrežne napetosti na moč uporabnika.

Primer #2. Kako izračunati tok

Za skupino vtičnic, namenjenih za napajanje gospodinjskih električnih aparatov v kuhinji, je treba izbrati zaščitni odklopnik. Moč naprav po podatkih potnega lista je 2,0, 1,5 in 0,6 kW.

Odgovori. Stanovanje uporablja 220-voltno enofazno AC omrežje. Skupna moč vseh naprav, priključenih na istočasno delo, bo 2,0 + 1,5 + 0,6 = 4,1 kW = 4100 W.

S formulo (2) določimo skupni tok skupine porabnikov: 4100/220 = 18,64 A.

Najbližji nazivni odklopnik ima hitrost sprožitve 20 amperov. Izberemo ga. Stroj z nižjo vrednostjo od 16 A se bo trajno izklopil zaradi preobremenitve.

Razlike v parametrih električnih tokokrogov v izmeničnem toku

Enofazna omrežja

Pri analizi parametrov električnih naprav je treba upoštevati posebnosti njihovega delovanja v tokokrogih izmeničnega toka, ko se zaradi vpliva industrijske frekvence v kondenzatorjih pojavijo kapacitivne obremenitve (premaknejo vektor toka za 90 stopinj pred vektorjem napetosti) in v navitjih tuljave - induktivni (tok je 90 stopinj za napetostjo). V elektrotehniki jih imenujemo reaktivna bremena... Skupaj ustvarjajo izgube jalove moči «Q», ki ne opravljajo koristnega dela.

Pri aktivnih obremenitvah ni faznega premika med tokom in napetostjo.

Na ta način se aktivni vrednosti moči električnega aparata v tokokrogih izmeničnega toka doda jalova komponenta, zaradi česar se poveča skupna moč, ki jo običajno imenujemo polna in je označena z indeksom «S».

Izmenični sinusni tok v enofaznem omrežju

Električni tok in frekvenca napetosti se spreminjata s časom na sinusni način. V skladu s tem pride do spremembe moči. Določitev njihovih parametrov v različnih časovnih točkah nima velikega smisla. Zato so skupne (integrirne) vrednosti izbrane za določeno časovno obdobje, praviloma obdobje nihanja T.

Poznavanje razlik med parametri izmeničnega in enosmernega tokokroga vam omogoča pravilen izračun moči skozi tok in napetost v vsakem posameznem primeru.

Trifazna omrežja

V bistvu so sestavljeni iz treh enakih enofaznih tokokrogov, zamaknjenih drug glede na drugega na kompleksni ravnini za 120 stopinj. Nekoliko se razlikujejo po obremenitvah v vsaki fazi, pri čemer se tok od napetosti premakne za kot phi. Zaradi te neenakosti se v nevtralnem vodniku ustvari tok I0.

Izmenični sinusni tok v trifaznem omrežju

Napetost v tem sistemu je sestavljena iz faznih (220 V) in linijskih (380 V).

Moč trifazne tokovne naprave, priključene na vezje, je vsota komponent v vsaki fazi. Merimo ga s posebnimi napravami: vatmetri (aktivna komponenta) in varmetri (reaktivni). Na podlagi meritev vatmetra in varmetra je mogoče izračunati skupno porabo električne energije naprave s trifaznim tokom po formuli trikotnika.

Obstaja tudi posredna merilna metoda, ki temelji na uporabi voltmetra in ampermetra z naknadnimi izračuni dobljenih vrednosti.

Izračunate lahko tudi skupno porabo toka, če poznate velikost navidezne moči S. Če želite to narediti, je dovolj, da jo delite z vrednostjo omrežne napetosti.