Virta, jännite, teho: sähkön perusominaisuudet

Ihminen on pitkään käyttänyt sähköä tarpeidensa tyydyttämiseen, mutta se on näkymätöntä, ei aisteilla havaittavissa, joten sitä on vaikea ymmärtää. Sähköprosessien selityksen yksinkertaistamiseksi niitä verrataan usein liikkuvan nesteen hydraulisiin ominaisuuksiin.

Hän tulee esimerkiksi langalla meidän asunnollemme Sähköenergia etägeneraattoreista ja vesijohtovettä painepumpusta. Kytkin kuitenkin sammuttaa valot ja suljettu vesihana estää veden valumisen hanasta. Työn suorittamiseksi sinun on kytkettävä kytkin päälle ja avattava hana.

Vapaiden elektronien suunnattu virta johtojen läpi syöksyy lampun hehkulankaan (sähkövirta kulkee), joka lähettää valoa. Hanasta tuleva vesi valuu pesualtaaseen.

Tämä analogia mahdollistaa myös kvantitatiivisten ominaisuuksien ymmärtämisen, virran voimakkuuden liittämisen nesteen liikkeen nopeuteen ja muiden parametrien arvioimisen.

Verkkojännitettä verrataan nestelähteen energiapotentiaaliin. Esimerkiksi hydraulipaineen nousu putkessa olevasta pumpusta aiheuttaa suuren nesteen liikkeen nopeuden ja jännitteen nousun (tai vaiheen - tulojohdon ja toimivan nollan - ulostulon potentiaalien välisen eron) lisää polttimon hehkua, sen säteilyn voimakkuutta.

Sähköpiirin vastusta verrataan hydraulivirtauksen jarrutusvoimaan. Virtausnopeuteen vaikuttavat:

• nesteen viskositeetti;

• tukkeutuminen ja kanavien poikkileikkauksen muutos. (Jos kyseessä on vesihana, ohjausventtiilin asento.)

Sähkövastuksen arvoon vaikuttavat useat tekijät:

• aineen rakenne, joka määrittää vapaiden elektronien läsnäolon johtimessa ja vaikuttaa vastus; 

• virtajohtimen poikkipinta-ala ja pituus;

• lämpötila.

Sähkötehoa verrataan myös hydrauliikan virtauksen energiapotentiaaliin ja arvioidaan aikayksikköä kohden tehdystä työstä. Sähkölaitteen teho ilmaistaan ​​käytetyllä virralla ja syötetyllä jännitteellä (AC- ja DC-piireissä).

Kaikkia näitä sähkön ominaisuuksia tutkivat kuuluisat tiedemiehet, jotka antoivat määritelmät virralle, jännitteelle, teholle, vastukselle ja kuvasivat matemaattisilla menetelmillä niiden keskinäisiä suhteita.

Seuraavassa taulukossa esitetään yleiset suhteet AC- ja DC-piireille, joita voidaan käyttää tiettyjen piirien suorituskyvyn analysointiin.

Katsotaanpa joitain esimerkkejä niiden käytöstä.

Esimerkki #1. Kuinka laskea vastus ja teho

Oletetaan, että haluat valita virranrajoittimen valaistuspiirin virransyöttöä varten. Tunnemme junaverkon syöttöjännitteen «U», joka on 24 volttia ja virrankulutuksen «I» 0,5 ampeeria, jota ei saa ylittää. Ohmin lain lausekkeen (9) mukaan laskemme vastuksen «R». R = 24 / 0,5 = 48 ohmia.

Ensi silmäyksellä vastuksen arvo määritetään. Tämä ei kuitenkaan riitä. Seman luotettavan toiminnan varmistamiseksi on tarpeen laskea teho virrankulutuksen mukaan.

Joule-Lenzin lain toiminnan mukaan pätöteho «P» on suoraan verrannollinen johdon läpi kulkevaan virtaan «I» ja syötettyyn jännitteeseen «U. Tämä suhde kuvataan kaavalla (11) taulukossa. alla.

Laskemme: P = 24 × 0,5 = 12 W.

Saamme saman arvon, jos käytämme kaavoja (10) tai (12).

Vastuksen tehon laskeminen sen virrankulutuksen mukaan osoittaa, että valitussa piirissä on käytettävä 48 ohmin ja 12 W:n vastusta. Pienemmällä teholla oleva vastus ei kestä kohdistettuja kuormia, se kuumenee ja palaa. ajan virran kanssa.

Tämä esimerkki näyttää riippuvuuden siitä, kuinka kuormitusvirta ja verkkojännite vaikuttavat käyttäjän tehoon.

Esimerkki #2. Kuinka laskea virta

Keittiön kodinkoneiden virransyöttöön tarkoitetulle pistorasiaryhmälle on valittava suojakatkaisin. Laitteiden tehot passitietojen mukaan ovat 2,0, 1,5 ja 0,6 kW.

Vastaus. Asunnossa on käytössä 220 voltin yksivaiheinen vaihtovirtaverkko. Kaikkien samanaikaisesti töihin kytkettyjen laitteiden kokonaisteho on 2,0 + 1,5 + 0,6 = 4,1 kW = 4100 W.

Kaavan (2) avulla määritämme kuluttajaryhmän kokonaisvirran: 4100/220 = 18,64 A.

Lähimmän nimelliskatkaisijan laukaisunopeus on 20 ampeeria. Me valitsemme sen. Kone, jonka arvo on pienempi kuin 16 A, sammuu pysyvästi ylikuormituksesta.

Vaihtovirran sähköpiirien parametrien erot

Yksivaiheiset verkot

Sähkölaitteiden parametreja analysoitaessa on otettava huomioon niiden toiminnan erityispiirteet vaihtovirtapiireissä, kun teollisuuden taajuuden vaikutuksesta kondensaattoreihin ilmestyy kapasitiivisia kuormia (ne siirtävät virtavektoria 90 astetta edellä jännitevektoria) ja kelan käämeissä - induktiivinen (virta on 90 astetta jännitteen jäljessä). Sähkötekniikassa niitä kutsutaan loiskuormituksiksi... Yhdessä ne luovat loistehohäviöitä «Q», jotka eivät tee hyödyllistä työtä.

Aktiivisilla kuormilla ei ole vaihesiirtoa virran ja jännitteen välillä.

Tällä tavalla vaihtovirtapiireissä sähkölaitteen tehon aktiiviarvoon lisätään reaktiivinen komponentti, jonka seurauksena kokonaisteho kasvaa, jota yleensä kutsutaan täyteksi ja ilmaistaan ​​indeksillä «S».

Sinimuotoinen vaihtovirta yksivaiheisessa verkossa

Sähkövirta- ja taajuusjännite vaihtelevat ajan myötä sinimuotoisesti. Vastaavasti valtaan on tulossa muutos. Niiden parametrien määrittäminen eri ajankohtina ei ole kovin järkevää. Siksi kokonaisarvot (integroivat) valitaan tietyksi ajanjaksoksi, yleensä värähtelyjaksoksi T.

Kun tiedät vaihto- ja tasavirtapiirien parametrien väliset erot, voit laskea oikein virran ja jännitteen tehon kussakin tapauksessa.

Kolmivaiheiset verkot

Periaatteessa ne koostuvat kolmesta identtisestä yksivaihepiiristä, jotka on siirretty toisiinsa nähden kompleksitasolla 120 astetta. Ne eroavat hieman kunkin vaiheen kuormista ja siirtävät virtaa jännitteestä kulmalla phi. Tästä epätasaisuudesta johtuen nollajohtimeen syntyy virta I0.

Vaihtuva sinivirta kolmivaiheisessa verkossa

Tämän järjestelmän jännite koostuu vaihejännitteistä (220 V) ja verkkojännitteistä (380 V).

Piiriin kytketyn kolmivaihevirtalaitteen teho on kunkin vaiheen komponenttien summa. Se mitataan erityisillä laitteilla: wattimittareita (aktiivinen komponentti) ja varmetreja (reaktiivinen). Kolmivaiheisen virtalaitteen kokonaisvirrankulutus voidaan laskea watti- ja varmetrimittausten perusteella kolmiokaavalla.

On myös epäsuora mittausmenetelmä, joka perustuu volttimittarin ja ampeerimittarin käyttöön, ja saatujen arvojen myöhemmät laskelmat.

Voit myös laskea kokonaisvirrankulutuksen, kun tiedät näennäistehon S suuruuden. Tätä varten riittää jakaa se verkkojännitteen arvolla.