Struja, napon, snaga: osnovne karakteristike električne energije

Električnu energiju čovjek od davnina koristi za zadovoljenje svojih potreba, ali ona je nevidljiva, ne opaža se osjetilima, stoga ju je teško razumjeti. Kako bi se pojednostavilo objašnjenje električnih procesa, oni se često uspoređuju s hidrauličkim karakteristikama fluida koji se kreće.

Na primjer, u naš stan dolazi putem žice Električna energija iz udaljenih generatora i vode iz slavine iz tlačne pumpe. Međutim, prekidač gasi svjetla, a zatvorena slavina za vodu sprječava istjecanje vode iz slavine. Da biste obavili posao, morate uključiti prekidač i otvoriti slavinu.

Usmjereni tok slobodnih elektrona kroz žice pojurit će do žarne niti žarulje (teći će električna struja) koja će emitirati svjetlost. Voda koja izlazi iz slavine otjecat će u sudoper.

Ova analogija također omogućuje razumijevanje kvantitativnih karakteristika, povezivanje jakosti struje s brzinom kretanja tekućine i procjenu drugih parametara.

Mrežni napon uspoređuje se s energetskim potencijalom izvora tekućine. Na primjer, povećanje hidrauličkog tlaka iz pumpe u cijevi stvorit će veliku brzinu kretanja tekućine, a povećanje napona (ili razlike između potencijala faze - ulazne žice i radne nule - izlaz) povećat će užarenost žarulje, snagu njezina zračenja .

Otpor električnog kruga uspoređuje se sa silom kočenja hidrauličkog toka. Na protok utječe:

• viskoznost tekućine;

• začepljenje i promjena presjeka kanala. (U slučaju slavine za vodu, položaj kontrolnog ventila.)

Na vrijednost električnog otpora utječe nekoliko čimbenika:

• struktura tvari koja određuje prisutnost slobodnih elektrona u vodiču i utječe otpornost; 

• površina poprečnog presjeka i duljina vodiča struje;

• temperatura.

Električna snaga se također uspoređuje s energetskim potencijalom protoka u hidraulici i procjenjuje se iz obavljenog rada u jedinici vremena. Snaga električnog uređaja izražava se strujom i primijenjenim naponom (za izmjenične i istosmjerne krugove).

Sve te karakteristike elektriciteta proučavali su poznati znanstvenici dajući definicije struje, napona, snage, otpora i matematičkim metodama opisali međusobne odnose među njima.

Sljedeća tablica prikazuje opće odnose za strujne krugove izmjenične i istosmjerne struje koji se mogu koristiti za analizu izvedbe određenih krugova.

Pogledajmo neke primjere njihove upotrebe.

Primjer #1. Kako izračunati otpor i snagu

Pretpostavimo da želite odabrati limitator struje za napajanje kruga rasvjete. Poznat nam je napon napajanja putne mreže «U», jednak 24 volta i potrošnja struje «I» od 0,5 ampera, koja se ne smije prekoračiti. Prema izrazu (9) Ohmovog zakona izračunavamo otpor «R». R = 24 / 0,5 = 48 ohma.

Na prvi pogled određena je vrijednost otpornika. Međutim, to nije dovoljno. Za pouzdan rad sema potrebno je izračunati snagu prema trenutnoj potrošnji.

Prema djelovanju Joule-Lenzovog zakona, djelatna snaga «P» izravno je proporcionalna struji «I» koja prolazi kroz žicu i primijenjenom naponu «U». Ovaj odnos je opisan formulom (11) u tablici ispod.

Računamo: P = 24×0,5 = 12 W.

Istu vrijednost dobivamo ako koristimo formule (10) ili (12).

Izračun snage otpornika prema njegovoj trenutnoj potrošnji pokazuje da je u odabranom krugu potrebno koristiti otpor od 48 Ohma i 12 W. Otpornik manje snage neće izdržati primijenjena opterećenja, zagrijat će se i izgorjeti sa strujom vremena.

Ovaj primjer pokazuje ovisnost o tome kako struja opterećenja i mrežni napon utječu na snagu korisnika.

Primjer #2. Kako izračunati struju

Za skupinu utičnica namijenjenih za napajanje kućanskih električnih aparata u kuhinji potrebno je odabrati zaštitni prekidač. Snaga uređaja prema podacima putovnice je 2,0, 1,5 i 0,6 kW.

Odgovor. Stan koristi jednofaznu izmjeničnu mrežu od 220 volti. Ukupna snaga svih uređaja spojenih na rad u isto vrijeme bit će 2,0 + 1,5 + 0,6 = 4,1 kW = 4100 W.

Pomoću formule (2) određujemo ukupnu struju grupe potrošača: 4100/220 = 18,64 A.

Najbliži nazivni prekidač strujnog kruga ima brzinu okidanja od 20 ampera. Mi to biramo. Stroj s nižom vrijednošću od 16 A trajno će se isključiti zbog preopterećenja.

Razlike u parametrima električnih krugova u izmjeničnoj struji

Jednofazne mreže

Pri analizi parametara električnih uređaja potrebno je uzeti u obzir osobitosti njihovog rada u krugovima izmjenične struje, kada se zbog utjecaja industrijske frekvencije u kondenzatorima pojavljuju kapacitivna opterećenja (pomiču strujni vektor za 90 stupnjeva ispred vektora napona), au namotima zavojnice - induktivni (struja je 90 stupnjeva iza napona). U elektrotehnici se nazivaju jalova opterećenja... Zajedno stvaraju gubitke jalove snage «Q» koji ne vrše nikakav koristan rad.

Kod aktivnih opterećenja nema faznog pomaka između struje i napona.

Na taj način se aktivnoj vrijednosti snage električnog aparata u krugovima izmjenične struje dodaje jalova komponenta, zbog čega se povećava ukupna snaga, koja se obično naziva punom i označava se indeksom «S».

Izmjenična sinusna struja u jednofaznoj mreži

Električna struja i frekvencijski napon mijenjaju se s vremenom na sinusoidalni način. Sukladno tome dolazi do promjene vlasti. Određivanje njihovih parametara u različitim vremenskim točkama nema previše smisla. Stoga se ukupne (integrirajuće) vrijednosti odabiru za određeno vremensko razdoblje, u pravilu, period oscilacije T.

Poznavanje razlika između parametara krugova izmjenične i istosmjerne struje omogućuje vam da ispravno izračunate snagu struje i napona u svakom konkretnom slučaju.

Trofazne mreže

U osnovi, oni se sastoje od tri identična jednofazna kruga, međusobno pomaknuta u kompleksnoj ravnini za 120 stupnjeva. Neznatno se razlikuju u opterećenjima u svakoj fazi, pomičući struju od napona za kut phi. Zbog te neravnomjernosti u neutralnom vodiču nastaje struja I0.

Izmjenična sinusna struja u trofaznoj mreži

Napon u ovom sustavu sastoji se od faznih napona (220 V) i linijskih napona (380 V).

Snaga uređaja s trofaznom strujom spojenog na krug je zbroj komponenti u svakoj fazi. Mjeri se posebnim uređajima: vatmetrima (aktivna komponenta) i varmetrima (reaktivna). Moguće je izračunati ukupnu potrošnju energije uređaja s trofaznom strujom na temelju mjerenja vatmetrom i varmetrom pomoću formule trokuta.

Postoji i neizravna metoda mjerenja koja se temelji na uporabi voltmetra i ampermetra s naknadnim izračunima dobivenih vrijednosti.

Također možete izračunati ukupnu potrošnju struje, znajući veličinu prividne snage S. Da biste to učinili, dovoljno ga je podijeliti s vrijednošću mrežnog napona.