Strāva, spriegums, jauda: elektroenerģijas pamatīpašības

Elektrību cilvēks jau izsenis izmanto savu vajadzību apmierināšanai, taču tā ir neredzama, ar maņām neuztverama, tāpēc grūti izprotama. Lai vienkāršotu elektrisko procesu skaidrojumu, tie bieži tiek salīdzināti ar kustīga šķidruma hidrauliskajām īpašībām.

Piemēram, viņa atbrauc uz mūsu dzīvokli pa vadu Elektroenerģija no attālinātiem ģeneratoriem un krāna ūdeni no spiediena sūkņa. Tomēr slēdzis izslēdz apgaismojumu, un aizvērtais ūdens krāns neļauj ūdenim izplūst no krāna. Lai veiktu darbu, jums jāieslēdz slēdzis un jāatver jaucējkrāns.

Virzīta brīvo elektronu plūsma caur vadiem steigsies uz spuldzes kvēldiega (plūst elektriskā strāva), kas izstaros gaismu. Ūdens, kas izplūst no jaucējkrāna, ietecēs izlietnē.

Šī līdzība arī ļauj izprast kvantitatīvos raksturlielumus, saistīt strāvas stiprumu ar šķidruma kustības ātrumu un novērtēt citus parametrus.

Tīkla spriegums tiek salīdzināts ar šķidruma avota enerģijas potenciālu. Piemēram, hidrauliskā spiediena palielināšanās no sūkņa caurulē radīs lielu šķidruma kustības ātrumu un palielinās spriegums (vai starpība starp fāzes potenciālu - ieejas vadu un darba nulli - izvadi) palielinās spuldzes kvēlspuldze, tās starojuma stiprums .

Elektriskās ķēdes pretestību salīdzina ar hidrauliskās plūsmas bremzēšanas spēku. Plūsmas ātrumu ietekmē:

• šķidruma viskozitāte;

• aizsērēšana un kanālu šķērsgriezuma izmaiņas. (Ūdens krāna gadījumā vadības vārsta stāvoklis.)

Elektriskās pretestības vērtību ietekmē vairāki faktori:

• vielas struktūra, kas nosaka brīvo elektronu klātbūtni vadītājā un ietekmē pretestība; 

• strāvas vadītāja šķērsgriezuma laukums un garums;

• temperatūra.

Elektriskā jauda tiek salīdzināta arī ar plūsmas enerģijas potenciālu hidraulikā un tiek aprēķināta no darba laika vienībā. Elektroierīces jaudu izsaka ar patērēto strāvu un pievadīto spriegumu (maiņstrāvas un līdzstrāvas ķēdēm).

Visas šīs elektrības īpašības pētīja slaveni zinātnieki, kuri sniedza strāvas, sprieguma, jaudas, pretestības definīcijas un ar matemātiskām metodēm aprakstīja to savstarpējās attiecības.

Nākamajā tabulā parādītas vispārīgas attiecības maiņstrāvas un līdzstrāvas ķēdēm, ko var izmantot, lai analizētu noteiktu ķēžu veiktspēju.

Apskatīsim dažus to izmantošanas piemērus.

1. piemērs. Kā aprēķināt pretestību un jaudu

Pieņemsim, ka vēlaties izvēlēties strāvas ierobežotāju apgaismojuma ķēdes barošanai. Mums ir zināms borta tīkla barošanas spriegums «U», kas vienāds ar 24 voltiem un strāvas patēriņš «I» 0,5 ampēri, ko nedrīkst pārsniegt. Saskaņā ar Oma likuma izteiksmi (9) mēs aprēķinām pretestību «R». R = 24 / 0,5 = 48 omi.

No pirmā acu uzmetiena tiek noteikta rezistora vērtība. Tomēr ar to nepietiek. Sema uzticamai darbībai ir jāaprēķina jauda atbilstoši strāvas patēriņam.

Saskaņā ar Džoula-Lenca likuma darbību, aktīvā jauda «P» ir tieši proporcionāla strāvai «I», kas iet caur vadu, un pielietotajam spriegumam «U. Šo sakarību apraksta ar formulu (11) tabulā. zemāk.

Mēs aprēķinām: P = 24 × 0,5 = 12 W.

Mēs iegūstam tādu pašu vērtību, ja izmantojam formulas (10) vai (12).

Aprēķinot rezistora jaudu pēc tā strāvas patēriņa, redzams, ka izvēlētajā ķēdē nepieciešams izmantot pretestību 48 omi un 12 W. Rezistors ar mazāku jaudu neizturēs pieliktās slodzes, tas uzkarsīs un izdegs. ar laika strāvu.

Šis piemērs parāda atkarību no tā, kā slodzes strāva un tīkla spriegums ietekmē lietotāja jaudu.

2. piemērs. Kā aprēķināt strāvu

Kontaktligzdu grupai, kas paredzēta mājsaimniecības elektroierīču darbināšanai virtuvē, ir jāizvēlas aizsargslēdzis. Ierīču jauda pēc pases datiem ir 2,0, 1,5 un 0,6 kW.

Atbilde. Dzīvoklī tiek izmantots 220 voltu vienfāzes maiņstrāvas tīkls. Visu vienlaikus darbam pieslēgto ierīču kopējā jauda būs 2,0 + 1,5 + 0,6 = 4,1 kW = 4100 W.

Izmantojot formulu (2), mēs nosakām patērētāju grupas kopējo strāvu: 4100/220 = 18,64 A.

Tuvākā nominālā ķēdes pārtraucēja izslēgšanas ātrums ir 20 ampēri. Mēs to izvēlamies. Iekārta, kuras vērtība ir zemāka par 16 A, tiks neatgriezeniski izslēgta no pārslodzes.

Elektrisko ķēžu parametru atšķirības maiņstrāvā

Vienfāzes tīkli

Analizējot elektroierīču parametrus, ir jāņem vērā to darbības īpatnības maiņstrāvas ķēdēs, kad rūpnieciskās frekvences ietekmes dēļ kondensatoros parādās kapacitatīvās slodzes (tās novirza strāvas vektoru par 90 grādus priekšā sprieguma vektoram), bet spoles tinumos — induktīvi (strāva ir par 90 grādiem aiz sprieguma). Elektrotehnikā tās sauc par reaktīvajām slodzēm... Kopā tās rada reaktīvās jaudas zudumus «Q», kas lietderīgu darbu nedara.

Ar aktīvām slodzēm nav fāzes nobīdes starp strāvu un spriegumu.

Tādā veidā elektroierīces jaudas aktīvajai vērtībai maiņstrāvas ķēdēs tiek pievienota reaktīvā sastāvdaļa, kuras dēļ palielinās kopējā jauda, ​​ko parasti sauc par pilnu un norāda ar indeksu «S».

Sinusoidāla maiņstrāva vienfāzes tīklā

Elektriskā strāva un frekvences spriegums laika gaitā mainās sinusoidāli. Attiecīgi notiek varas maiņa. To parametru noteikšanai dažādos laika punktos nav lielas jēgas. Tāpēc kopējās (integrējošās) vērtības tiek izvēlētas noteiktam laika periodam, kā likums, svārstību periodam T.

Zinot atšķirības starp maiņstrāvas un līdzstrāvas ķēžu parametriem, katrā konkrētajā gadījumā varat pareizi aprēķināt jaudu caur strāvu un spriegumu.

Trīsfāzu tīkli

Būtībā tie sastāv no trim identiskām vienfāzes ķēdēm, kas kompleksajā plaknē ir nobīdītas viena pret otru par 120 grādiem. Tie nedaudz atšķiras no slodzēm katrā fāzē, novirzot strāvu no sprieguma par leņķi phi. Sakarā ar šo nevienmērību neitrālajā vadītājā tiek izveidota strāva I0.

Maiņstrāva sinusoidālā trīsfāzu tīklā

Spriegums šajā sistēmā sastāv no fāzes spriegumiem (220 V) un līnijas spriegumiem (380 V).

Trīsfāzu strāvas ierīces jauda, ​​kas pievienota ķēdei, ir komponentu summa katrā fāzē. To mēra, izmantojot īpašas ierīces: vatmetrus (aktīvā sastāvdaļa) un varmetrus (reaktīvie). Pēc vatmetra un varmetra mērījumiem, izmantojot trīsstūra formulu, ir iespējams aprēķināt trīsfāzu strāvas ierīces kopējo enerģijas patēriņu.

Ir arī netieša mērīšanas metode, kuras pamatā ir voltmetra un ampērmetra izmantošana ar sekojošiem iegūto vērtību aprēķiniem.

Varat arī aprēķināt kopējo strāvas patēriņu, zinot redzamās jaudas S lielumu. Lai to izdarītu, pietiek ar to, lai to dalītu ar līnijas sprieguma vērtību.