Ток, напрежение, мощност: основни характеристики на електричеството

Електричеството отдавна се използва от човека за задоволяване на нуждите му, но е невидимо, не се възприема от сетивата, поради което е трудно за разбиране. За да се опрости обяснението на електрическите процеси, те често се сравняват с хидравличните характеристики на движещата се течност.

Например, тя идва в нашия апартамент по жица Електрическа енергия от отдалечени генератори и водопроводна вода от помпа под налягане. Прекъсвачът обаче изключва светлините да светят, а затвореният кран за вода предотвратява изтичането на вода от чешмата. За да свършите работата, трябва да включите превключвателя и да отворите крана.

Насочен поток от свободни електрони през проводниците ще се втурне към нишката на крушката (ще потече електрически ток)които ще излъчват светлина. Водата, изтичаща от крана, ще се оттича в мивката.

Тази аналогия също така позволява да се разберат количествените характеристики, да се свърже силата на тока със скоростта на движение на течността и да се оценят други параметри.

Волтаж електрическата мрежа се сравнява с енергийния потенциал на източника на течност. Например, увеличаването на хидравличното налягане от помпа в тръба ще създаде висока скорост на движение на течността, а увеличаването на напрежението (или разликата между потенциалите на фазата — входящият проводник и работната нула — изходящият) ще увеличаване на нажежаването на крушката, силата на нейното излъчване.

Съпротивление електрическата верига се сравнява със спирачната сила на хидравличния поток. Скоростта на потока се влияе от:

• вискозитет на течността;

• запушване и промяна в напречното сечение на каналите. (В случай на кран за вода, позицията на контролния клапан.)

Стойността на електрическото съпротивление се влияе от няколко фактора:

• структурата на веществото, което определя наличието на свободни електрони в проводник и влияе съпротивление; 

• площ на напречното сечение и дължината на токовия проводник;

• температура.

Електрическа сила също се сравняват с енергийните възможности на потока в хидравликата и се оценяват от извършената работа за единица време. Мощността на електрически уред се изразява чрез изразходвания ток и приложеното напрежение (за променливи и постоянни вериги).

Всички тези характеристики на електричеството са изследвани от известни учени, които са дали дефиниции за ток, напрежение, мощност, съпротивление и са описали чрез математически методи взаимните връзки между тях.

Следващата таблица показва общи взаимоотношения за AC и DC вериги, които могат да се използват за анализ на работата на конкретни схеми.

Нека разгледаме няколко примера за тяхното използване.

Пример №1. Как да се изчисли съпротивлението и мощността

Да предположим, че искате да изберете ограничител на тока за захранването на осветителната верига. Знаем захранващото напрежение на бордовата мрежа «U», равно на 24 волта и консумацията на ток «I» от 0,5 ампера, което не трябва да се превишава. Според израза (9) от закона на Ом изчисляваме съпротивлението «R». R = 24 / 0,5 = 48 ома.

На пръв поглед стойността на резистора се определя. Това обаче не е достатъчно. За надеждното функциониране на sema е необходимо да се изчисли мощността според текущото потребление.

Според действието на закона на Джоул-Ленц, активната мощност «P» е правопропорционална на тока «I», преминаващ през проводника, и приложеното напрежение «U».Тази връзка е описана с формула (11) в таблицата по -долу.

Изчисляваме: P = 24×0.5 = 12 W.

Получаваме същата стойност, ако използваме формули (10) или (12).

Изчисляването на мощността на резистора по неговата консумация на ток показва, че в избраната верига е необходимо да се използва съпротивление от 48 Ohm и 12 W. Резистор с по -ниска мощност няма да издържи приложените натоварвания, той ще се нагрее и ще изгори с течение на времето.

Този пример показва зависимостта на това как токът на натоварване и напрежението в мрежата влияят върху мощността на потребителя.

Пример №2. Как да изчислим тока

За група контакти, предназначени за захранване на домакински електрически уреди в кухнята, е необходимо да изберете защитен прекъсвач. Мощността на устройствата според паспортните данни е 2,0, 1,5 и 0,6 kW.

Решение. Апартаментът използва 220-волтова еднофазна променлива мрежа. Общата мощност на всички устройства, свързани към работа едновременно, ще бъде 2,0 + 1,5 + 0,6 = 4,1 kW = 4100 W.

Използвайки формулата (2), определяме общия ток на групата потребители: 4100/220 = 18,64 A.

Най -близкият номинален прекъсвач има скорост на изключване от 20 ампера. Ние го избираме. Машината с по -ниска стойност от 16 А постоянно ще се изключва от претоварването.

Разлики в параметрите на електрическите вериги при променлив ток

Еднофазни мрежи

При анализ на параметрите на електрическите уреди трябва да се вземат предвид особеностите на тяхната работа в схеми на променлив ток, когато поради влиянието на индустриалната честота в кондензаторите се появяват капацитивни натоварвания (те изместват вектора на тока с 90 градуса напред от вектора на напрежението), а в намотките на бобината — индуктивен (токът е 90 градуса назад от напрежението). В електротехниката те се наричат реактивни натоварвания… Заедно те създават загуби на реактивна мощност «Q», които не извършват полезна работа.

При активни натоварвания няма фазово изместване между ток и напрежение.

По този начин към активната стойност на мощността на електрически уред в схеми на променлив ток се добавя реактивен компонент, поради което общата мощност се увеличава, което обикновено се нарича пълно и се обозначава с индекса «S».

Променлив синусоидален ток в еднофазна мрежа

Електрическият ток и честотното напрежение варират с времето по синусоидален начин. Съответно има промяна във властта. Определянето на техните параметри в различни мигове от време няма много смисъл. Следователно общите (интегриращи) стойности се избират за определен период от време, като правило периодът на колебание Т.

Познаването на разликите между параметрите на схемите за променлив и постоянен ток ви позволява правилно да изчислите мощността чрез ток и напрежение във всеки конкретен случай.

Трифазни мрежи

По принцип те се състоят от три еднакви еднофазни вериги, изместени една спрямо друга на сложната равнина със 120 градуса. Те се различават леко в натоварванията във всяка фаза, измествайки тока от напрежението с ъгъл phi. Поради тази неравномерност в неутралния проводник се създава ток I0.

Променлив синусоидален ток в трифазна мрежа

Напрежението в тази система се състои от фазови напрежения (220 V) и линейни напрежения (380 V).

Мощността на трифазно токово устройство, свързано към веригата, е сумата от компонентите във всяка фаза. Измерва се с помощта на специални устройства: ватметри (активен компонент) и варметри (реактивни). Възможно е да се изчисли общата консумация на енергия на трифазно токово устройство въз основа на измерванията на ватметъра и варметъра, като се използва формулата на триъгълника.

Съществува и непряк метод за измерване, основан на използването на волтметър и амперметър с последващи изчисления на получените стойности.

Можете също така да изчислите общото потребление на ток, като знаете величината на видимата мощност S. За да направите това, достатъчно е да я разделите на стойността на линейното напрежение.