Proud, napětí, výkon: základní charakteristiky elektřiny

Elektřinu člověk odedávna používá k uspokojování svých potřeb, ale je neviditelná, nevnímaná smysly, proto je těžko pochopitelná. Pro zjednodušení vysvětlení elektrických procesů jsou často přirovnávány k hydraulickým charakteristikám pohybující se tekutiny.

Například k nám do bytu přichází po drátě Elektrická energie ze vzdálených generátorů a vodovodní vody z tlakového čerpadla. Vypínač však zhasne světla a zavřený vodovodní kohoutek zabrání vytékání vody z kohoutku. Chcete-li tuto práci provést, musíte zapnout vypínač a otevřít kohoutek.

Usměrněný tok volných elektronů přes dráty bude spěchat k vláknu žárovky (protéká elektrický proud), které bude vyzařovat světlo. Voda vytékající z kohoutku bude odtékat do dřezu.

Tato analogie také umožňuje porozumět kvantitativním charakteristikám, vztáhnout sílu proudu k rychlosti pohybu kapaliny a odhadnout další parametry.

Síťové napětí se porovnává s energetickým potenciálem kapalného zdroje. Například zvýšení hydraulického tlaku z čerpadla v potrubí způsobí vysokou rychlost pohybu tekutiny a zvýšení napětí (nebo rozdílu mezi potenciály fáze - vstupní vodič a pracovní nula - výstup) zvýší žhavení žárovky, sílu jejího záření .

Odpor elektrického obvodu je porovnáván s brzdnou silou hydraulického toku. Průtok je ovlivněn:

• viskozita kapaliny;

• ucpání a změna průřezu kanálů. (V případě vodovodního kohoutku poloha regulačního ventilu.)

Hodnota elektrického odporu je ovlivněna několika faktory:

• struktura látky, která určuje přítomnost volných elektronů ve vodiči a ovlivňuje odpor; 

• průřez a délka proudového vodiče;

• teplota.

Elektrická energie se také porovnává s energetickým potenciálem proudění v hydraulice a odhaduje se z práce vykonané za jednotku času. Výkon elektrického spotřebiče je vyjádřen odebíraným proudem a přiváděným napětím (u střídavých a stejnosměrných obvodů).

Všechny tyto vlastnosti elektřiny zkoumali slavní vědci, kteří definovali proud, napětí, výkon, odpor a popsali matematickými metodami vzájemné vztahy mezi nimi.

Následující tabulka ukazuje obecné vztahy pro AC a DC obvody, které lze použít k analýze výkonu konkrétních obvodů.

Podívejme se na některé příklady jejich použití.

Příklad #1. Jak vypočítat odpor a výkon

Předpokládejme, že chcete vybrat omezovač proudu pro napájení světelného obvodu. Známe napájecí napětí palubní sítě «U» rovné 24 voltům a odběr proudu «I» 0,5 ampér, který nesmí být překročen. Podle výrazu (9) Ohmova zákona vypočteme odpor «R». R = 24 / 0,5 = 48 ohmů.

Na první pohled je určena hodnota rezistoru. To však nestačí. Pro spolehlivý provoz sema je nutné počítat výkon podle aktuální spotřeby.

Podle fungování Joule-Lenzova zákona je činný výkon «P» přímo úměrný proudu «I» procházejícímu vodičem a přiloženému napětí «U». Tento vztah je popsán vzorcem (11) v tabulce níže.

Počítáme: P = 24×0,5 = 12 W.

Stejnou hodnotu dostaneme, pokud použijeme vzorce (10) nebo (12).

Výpočet výkonu rezistoru jeho proudovou spotřebou ukazuje, že ve zvoleném obvodu je nutné použít odpor 48 Ohm a 12 W. Rezistor s nižším výkonem nevydrží aplikované zatížení, bude se zahřívat a spálit s proudem času.

Tento příklad ukazuje závislost toho, jak proud zátěže a síťové napětí ovlivňují výkon uživatele.

Příklad č. 2. Jak vypočítat proud

Pro skupinu zásuvek určených pro napájení domácích elektrospotřebičů v kuchyni je nutné vybrat ochranný jistič. Výkon zařízení podle pasových údajů je 2,0, 1,5 a 0,6 kW.

Odpovědět. V bytě je střídavá jednofázová síť 220V. Celkový výkon všech zařízení připojených k práci ve stejnou dobu bude 2,0 + 1,5 + 0,6 = 4,1 kW = 4100 W.

Pomocí vzorce (2) určíme celkový proud skupiny spotřebitelů: 4100/220 = 18,64 A.

Nejbližší jmenovitý jistič má vypínací rychlost 20 ampérů. Vybíráme to. Stroj s nižší hodnotou než 16 A se trvale vypne z důvodu přetížení.

Rozdíly v parametrech elektrických obvodů ve střídavém proudu

Jednofázové sítě

Při analýze parametrů elektrických spotřebičů je nutné vzít v úvahu zvláštnosti jejich provozu ve střídavých obvodech, kdy se vlivem průmyslové frekvence v kondenzátorech objevují kapacitní zátěže (posouvají vektor proudu o 90 stupně před vektorem napětí) a ve vinutí cívky — indukční (proud je 90 stupňů za napětím). V elektrotechnice se jim říká reaktivní zátěže... Společně vytvářejí ztráty jalového výkonu «Q», které nevykonávají žádnou užitečnou práci.

U aktivních zátěží nedochází k žádnému fázovému posunu mezi proudem a napětím.

Tímto způsobem se k činné hodnotě výkonu elektrického spotřebiče v obvodech střídavého proudu přidává jalová složka, díky čemuž se zvyšuje celkový výkon, který se obvykle nazývá plný a je označen indexem «S».

Střídavý sinusový proud v jednofázové síti

Elektrický proud a frekvenční napětí se mění s časem sinusovým způsobem. V souladu s tím dochází ke změně moci. Určování jejich parametrů v různých okamžicích nedává příliš smysl. Proto se celkové (integrační) hodnoty vybírají pro určité časové období, zpravidla periodu oscilace T.

Znalost rozdílů mezi parametry střídavých a stejnosměrných obvodů vám umožňuje správně vypočítat výkon přes proud a napětí v každém konkrétním případě.

Třífázové sítě

V zásadě se skládají ze tří identických jednofázových obvodů, vzájemně posunutých v komplexní rovině o 120 stupňů. Mírně se liší v zátěžích v každé fázi, posunují proud od napětí o úhel phi. Díky této nerovnoměrnosti vzniká v nulovém vodiči proud I0.

Střídavý sinusový proud v třífázové síti

Napětí v tomto systému se skládá z fázových napětí (220 V) a síťových napětí (380 V).

Výkon třífázového proudového zařízení připojeného k obvodu je součtem součástek v každé fázi. Měří se pomocí speciálních zařízení: wattmetry (aktivní složka) a varmetry (reaktivní). Na základě měření wattmetrem a varmetrem je možné vypočítat celkovou spotřebu třífázového zařízení pomocí trojúhelníkového vzorce.

Existuje i metoda nepřímého měření založená na použití voltmetru a ampérmetru s následnými výpočty získaných hodnot.

Můžete také vypočítat celkovou spotřebu proudu, když znáte velikost zdánlivého výkonu S. K tomu stačí vydělit ji hodnotou síťového napětí.