Stroom, spanning, vermogen: basiskenmerken van elektriciteit

Elektriciteit wordt al lang door de mens gebruikt om aan zijn behoeften te voldoen, maar het is onzichtbaar, niet waargenomen door de zintuigen, daarom is het moeilijk te begrijpen. Om de uitleg van elektrische processen te vereenvoudigen, worden ze vaak vergeleken met de hydraulische eigenschappen van een bewegende vloeistof.

Ze komt bijvoorbeeld per draad naar ons appartement Elektrische energie van generatoren op afstand en kraanwater van een drukpomp. De schakelaar doet echter de lichten uit en de gesloten waterkraan voorkomt dat er water uit de kraan loopt. Om de klus te klaren, moet u de schakelaar aanzetten en de kraan openen.

Een gerichte stroom van vrije elektronen door de draden zal naar de gloeidraad van de lamp stromen (er zal een elektrische stroom lopen) die licht zal uitzenden. Het water dat uit de kraan komt, loopt weg in de gootsteen.

Deze analogie maakt het ook mogelijk om de kwantitatieve kenmerken te begrijpen, om de sterkte van de stroom te relateren aan de bewegingssnelheid van de vloeistof en om andere parameters te schatten.

De netspanning wordt vergeleken met het energiepotentieel van de vloeistofbron. Een toename van de hydraulische druk van een pomp in een pijp zal bijvoorbeeld een hoge snelheid van vloeistofbeweging creëren, en een toename van de spanning (of het verschil tussen de potentialen van de fase - de invoerdraad en de werkende nul - de uitvoer) zal de gloed van de lamp verhogen, de sterkte van de straling.

De weerstand van het elektrische circuit wordt vergeleken met de remkracht van de hydraulische stroom. De stroomsnelheid wordt beïnvloed door:

• vloeibare viscositeit;

• verstopping en verandering in de dwarsdoorsnede van de kanalen. (In het geval van een waterkraan de stand van het regelventiel.)

De waarde van elektrische weerstand wordt beïnvloed door verschillende factoren:

• de structuur van de stof die de aanwezigheid van vrije elektronen in een geleider bepaalt en beïnvloedt weerstand; 

• doorsnede en lengte van de stroomgeleider;

• temperatuur.

Elektrisch vermogen wordt ook vergeleken met het energiepotentieel van de stroming in de hydrauliek en wordt geschat op basis van het geleverde werk per tijdseenheid. Het vermogen van een elektrisch apparaat wordt uitgedrukt door de opgenomen stroom en de aangelegde spanning (voor AC- en DC-circuits).

Al deze eigenschappen van elektriciteit werden bestudeerd door beroemde wetenschappers die definities gaven van stroom, spanning, vermogen, weerstand en met wiskundige methoden de onderlinge relaties daartussen beschreven.

De volgende tabel toont algemene relaties voor AC- en DC-circuits die kunnen worden gebruikt om de prestaties van specifieke circuits te analyseren.

Laten we eens kijken naar enkele voorbeelden van hun gebruik.

Voorbeeld 1. Hoe weerstand en kracht te berekenen

Stel dat u een stroombegrenzer wilt selecteren om het verlichtingscircuit van stroom te voorzien. We kennen de voedingsspanning van het boordnet «U», gelijk aan 24 volt en het stroomverbruik «I» van 0,5 ampère, dat niet overschreden mag worden. Volgens de uitdrukking (9) van de wet van Ohm berekenen we de weerstand «R». R = 24 / 0,5 = 48 ohm.

Op het eerste gezicht wordt de waarde van de weerstand bepaald. Dit is echter niet genoeg. Voor een betrouwbare werking van sema is het noodzakelijk om het vermogen te berekenen op basis van het stroomverbruik.

Volgens de werking van de wet van Joule-Lenz is het actieve vermogen «P» recht evenredig met de stroom «I» die door de draad gaat en de aangelegde spanning «U» Deze relatie wordt beschreven door formule (11) in de tabel onderstaand.

We berekenen: P = 24×0,5 = 12 W.

We krijgen dezelfde waarde als we formules (10) of (12) gebruiken.

Het berekenen van het vermogen van de weerstand door het huidige verbruik laat zien dat het in het geselecteerde circuit nodig is om een ​​weerstand van 48 Ohm en 12 W te gebruiken. Een weerstand met een lager vermogen is niet bestand tegen de toegepaste belastingen, hij zal opwarmen en doorbranden met stroom van tijd.

Dit voorbeeld toont de afhankelijkheid van hoe belastingsstroom en netwerkspanning het vermogen van de gebruiker beïnvloeden.

Voorbeeld #2. Hoe de stroom te berekenen

Voor een groep stopcontacten die bedoeld zijn voor het voeden van huishoudelijke elektrische apparaten in de keuken, is het noodzakelijk om een ​​beveiligingsschakelaar te selecteren. Het vermogen van de apparaten volgens de paspoortgegevens is 2,0, 1,5 en 0,6 kW.

Antwoord. Het appartement maakt gebruik van een 220-volt enkelfasig AC-netwerk. Het totale vermogen van alle aangesloten apparaten om tegelijkertijd te werken is 2,0 + 1,5 + 0,6 = 4,1 kW = 4100 W.

Met formule (2) bepalen we de totale stroom van de groep verbruikers: 4100/220 = 18,64 A.

De dichtstbijzijnde stroomonderbreker heeft een uitschakelsnelheid van 20 ampère. Wij kiezen ervoor. Een machine met een lagere waarde dan 16 A zal door overbelasting permanent worden uitgeschakeld.

Verschillen in de parameters van elektrische circuits in wisselstroom

Enkelfasige netwerken

Bij het analyseren van de parameters van elektrische apparaten moet rekening worden gehouden met de eigenaardigheden van hun werking in wisselstroomcircuits, wanneer door de invloed van de industriële frequentie capacitieve belastingen in de condensatoren verschijnen (ze verschuiven de stroomvector met 90 graden vóór de spanningsvector), en in de wikkelingen van de spoel - inductief (de stroom is 90 graden achter de spanning). In de elektrotechniek worden ze reactieve belastingen genoemd... Samen creëren ze blindvermogensverliezen «Q» die geen nuttig werk doen.

Bij actieve belastingen is er geen faseverschuiving tussen stroom en spanning.

Op deze manier wordt een reactieve component toegevoegd aan de actieve waarde van het vermogen van een elektrisch apparaat in wisselstroomcircuits, waardoor het totale vermogen toeneemt, dat meestal vol wordt genoemd en wordt aangegeven met de index «S».

Wisselende sinusvormige stroom in een enkelfasig netwerk

Elektrische stroom en frequentiespanning variëren in de tijd op een sinusvormige manier. Er vindt dus een machtswisseling plaats. Het heeft weinig zin om hun parameters op verschillende tijdstippen te bepalen. Daarom worden de totale (integrerende) waarden geselecteerd voor een bepaalde tijdsperiode, in de regel de oscillatieperiode T.

Als u de verschillen kent tussen de parameters van wissel- en gelijkstroomcircuits, kunt u in elk specifiek geval het vermogen door stroom en spanning correct berekenen.

Driefasige netwerken

In wezen bestaan ​​ze uit drie identieke enkelfasige circuits, verschoven ten opzichte van elkaar op het complexe vlak met 120 graden. Ze verschillen enigszins in de belasting in elke fase, waarbij de stroom met een hoek phi van de spanning wordt verschoven. Door deze oneffenheden ontstaat er een stroom I0 in de nulleider.

Wisselende sinusvormige stroom in een driefasig netwerk

De spanning in dit systeem bestaat uit fasespanningen (220 V) en lijnspanningen (380 V).

Het vermogen van een driefasig stroomapparaat dat op het circuit is aangesloten, is de som van de componenten in elke fase. Het wordt gemeten met behulp van speciale apparaten: wattmeters (actieve component) en varmeters (reactief). Het is mogelijk om het totale stroomverbruik van een driefasig stroomapparaat te berekenen op basis van de wattmeter- en varmeter-metingen met behulp van de driehoeksformule.

Er is ook een indirecte meetmethode gebaseerd op het gebruik van een voltmeter en ampèremeter met daaropvolgende berekeningen van de verkregen waarden.

U kunt ook het totale stroomverbruik berekenen, wetende de grootte van het schijnbare vermogen S. Om dit te doen, volstaat het om het te delen door de waarde van de lijnspanning.