Što su napon, struja i otpor: kako se koriste u praksi

U elektrotehnici se pojmovi "struja", "napon" i "otpor" koriste za opisivanje procesa koji se odvijaju u električnim krugovima. Svaki od njih ima svoju namjenu sa specifičnim karakteristikama.

Struja

Riječ se koristi za karakterizaciju kretanja nabijenih čestica (elektrona, šupljina, kationa i aniona) kroz određeni medij tvari. Smjer i broj nositelja naboja određuje vrstu i jakost struje.

Glavne karakteristike struje utječu na njenu praktičnu primjenu

Preduvjet za protok naboja je postojanje kruga ili, drugim riječima, zatvorene petlje koja stvara uvjete za njihovo kretanje. Ako se unutar pokretnih čestica stvori praznina, njihovo usmjereno kretanje odmah prestaje.

Na ovom principu rade svi prekidači i zaštite koji se koriste u struji.Oni stvaraju razdvajanje između pokretnih kontakata vodljivih dijelova i na taj način prekidaju protok električne struje, isključujući uređaj.

U energetici je najčešći način stvaranje električne struje zbog kretanja elektrona unutar metala izrađenih u obliku žica, guma ili drugih vodljivih dijelova.

Osim ove metode, također se koristi stvaranje struje unutar:

1. plinovi i elektrolitičke tekućine zbog kretanja elektrona ili kationa i aniona — iona s pozitivnim i negativnim predznakom naboja;

2. okruženje vakuuma, zraka i plinova podvrgnuto gibanju elektrona uzrokovano fenomenom termoeničkog zračenja;

3. poluvodički materijali zbog kretanja elektrona i šupljina.

Do strujnog udara može doći kada:

• primjenu vanjske razlike električnog potencijala na nabijene čestice;

• grijaće žice koje trenutno nisu supravodiči;

• tijek kemijskih reakcija vezanih uz oslobađanje novih tvari;

• učinak magnetskog polja primijenjenog na žicu.

Valni oblik električne struje može biti:

1. konstanta u obliku ravne crte na vremenskoj liniji;

2. promjenjivi sinusoidni harmonijski dobro opisan osnovnim trigonometrijskim relacijama;

3. meandar, otprilike sličan sinusoidnom valu, ali s oštrim, izraženim kutovima, koji se u nekim slučajevima mogu dobro zagladiti;

4. pulsirajući, kada smjer ostaje isti bez promjene, a amplituda periodički fluktuira od nule do maksimalne vrijednosti prema točno definiranom zakonu.

Električna struja može biti korisna osobi kada:

• pretvara u svjetlosno zračenje;

• stvara zagrijavanje toplinskih elemenata;

• obavlja mehanički rad zbog privlačenja ili odbijanja pomičnih armatura ili rotacije rotora s pogonima učvršćenim u ležajevima;

• stvara elektromagnetsko zračenje u nekim drugim slučajevima.

Kada električna struja prolazi kroz žice, oštećenja mogu biti uzrokovana:

• prekomjerno zagrijavanje strujnih krugova i kontakata;

• obrazovanje vrtložne struje u magnetskim krugovima električnih strojeva;

• zračenje elektriciteta Elektromagnetski valovi u okolišu i neke slične pojave.

Projektanti električnih uređaja i razvijači raznih sklopova vode računa o navedenim mogućnostima električne struje u svojim uređajima. Na primjer, štetni učinci vrtložnih struja u transformatorima, motorima i generatorima ublažavaju se miješanjem jezgri koje se koriste za prijenos magnetskih tokova. Istodobno, vrtložna struja se uspješno koristi za zagrijavanje medija u električnim pećnicama i mikrovalnim pećnicama koje rade na principu indukcije.

Izmjenična električna struja sinusoidnog valnog oblika može imati različitu frekvenciju osciliranja u jedinici vremena — sekundi. Industrijska frekvencija električnih instalacija u različitim zemljama standardizirana je brojevima od 50 ili 60 herca. Za ostale potrebe elektrotehnike i radijske djelatnosti koriste se signali:

• niske frekvencije, s nižim vrijednostima;

• visoka frekvencija, znatno premašujući raspon industrijskih uređaja.

Opće je prihvaćeno da električna struja nastaje kretanjem nabijenih čestica u određenom makroskopskom mediju i naziva se kondukcijska struja... Međutim, kod gibanja makroskopski nabijenih tijela može nastati druga vrsta struje koja se zove konvekcija, npr. kišne kapi. .

Kako nastaje električna struja u metalima

Kretanje elektrona pod utjecajem konstantne sile koja djeluje na njih može se usporediti sa spuštanjem padobranaca s otvorenom kupolom. U oba slučaja dobiva se jednoliko ubrzano gibanje.

Padobran se kreće zahvaljujući gravitaciji prema tlu, čemu se suprotstavlja sila otpora zraka. Na elektrone djeluje sila koja na njih djeluje električno polje, a njegovo kretanje ometaju kontinuirani sudari s drugim česticama — ionima kristalnih rešetki, zbog čega se dio učinka primijenjene sile gasi.

U oba slučaja prosječna brzina padobranaca i kretanja elektrona dostiže konstantnu vrijednost.

To stvara prilično jedinstvenu situaciju u kojoj brzina:

• vlastito gibanje elektrona određeno je vrijednošću reda veličine 0,1 milimetar u sekundi;

• protok električne struje odgovara znatno većoj vrijednosti — brzini širenja svjetlosnih valova: oko 300 tisuća kilometara u sekundi.

Tako, protok električne struje nastaje tamo gdje se na elektrone primjenjuje napon, i kao rezultat toga oni se počinju kretati brzinom svjetlosti unutar vodljivog medija.

Kada se elektroni kreću u kristalnoj rešetki metala, javlja se još jedna zanimljiva pravilnost: on se sudara s otprilike svakim desetim protuionom.Odnosno, uspješno izbjegava oko 90% sudara iona.

Ovaj se fenomen može objasniti ne samo zakonima temeljne klasične fizike, kako ih većina ljudi obično shvaća, već i dodatnim zakonima djelovanja koje opisuje teorija kvantne mehanike.

Ako ukratko izrazimo njihovo djelovanje, onda možemo zamisliti da je kretanje elektrona unutar metala ometeno teškim «ljuljanjem» velikih iona koji pružaju dodatni otpor.

Ovaj učinak je posebno uočljiv kod zagrijavanja metala, kada se povećava "ljuljanje" teških iona i smanjuje električna vodljivost kristalnih rešetki žica.

Stoga, kada se metali zagrijavaju, njihov električni otpor uvijek raste, a kada se ohlade, njihova vodljivost raste. Kada temperatura metala padne na kritične vrijednosti blizu vrijednosti apsolutne nule, u mnogima od njih javlja se fenomen supravodljivosti.

Električna struja, ovisno o svojoj vrijednosti, može učiniti različite stvari. Za kvantitativnu procjenu njegovih mogućnosti uzima se vrijednost koja se naziva amperaža. Njegova veličina u međunarodnom mjernom sustavu je 1 A. Za označavanje trenutne snage u tehničkoj literaturi usvojen je indeks «I».

napon

Ovaj izraz se koristi kao karakteristika fizikalne veličine koja izražava rad utrošen u prijenosu električnog naboja ispitne jedinice s jedne točke na drugu bez promjene prirode smještaja preostalih naboja na izvore aktivnog polja.

Budući da početna i krajnja točka imaju različite energetske potencijale, rad koji se izvrši za pomicanje naboja, odnosno napona, jednak je omjeru razlike između tih potencijala.

Za izračunavanje napona koriste se različiti pojmovi i metode ovisno o strujama koje teku. Ne može biti:

1. konstanta — u elektrostatičkim i strujnim krugovima stalne struje;

2. izmjenični — u krugovima s izmjeničnom i sinusoidnom strujom.

Za drugi slučaj koriste se dodatne karakteristike i vrste stresa kao što su:

• amplituda — najveće odstupanje od nultog položaja osi apscisa;

• trenutna vrijednost, koja je izražena u određenom trenutku u vremenu;

• efektivna, efektivna ili, drugačije nazvana, korijen srednje kvadratne vrijednosti, određena aktivnim radom obavljenim za jedno poluvrijeme;

• ispravljena prosječna vrijednost izračunata po modulu ispravljene vrijednosti jedne harmoničke periode.

Za kvantitativnu procjenu napona uvedena je međunarodna jedinica od 1 volta, a simbol «U» postao je njezina oznaka.

Kod prijenosa električne energije nadzemnim vodovima izvedba nosača i njihove dimenzije ovise o vrijednosti korištenog napona. Njegova vrijednost između vodiča faza naziva se linearna i relativna za svaki vodič i fazu uzemljenja.

Ovo pravilo vrijedi za sve vrste zračnih prijevoznika.

U domaćim električnim mrežama naše zemlje standard je trofazni napon od 380/220 volti.

Električni otpor

Pojam se koristi za karakterizaciju svojstva tvari da oslabi prolaz električne struje kroz nju.U tom slučaju mogu se birati različita okruženja, mijenjati temperatura tvari ili njezine dimenzije.

U istosmjernim krugovima otpor vrši aktivan rad, zbog čega se i naziva aktivnim. Za svaki odjeljak, izravno je proporcionalan primijenjenom naponu i obrnuto proporcionalan prolaznoj struji.

Sljedeći koncepti uvode se u sheme izmjenične struje:

• impedancija;

• valni otpor.

Električna impedancija se također naziva kompleksna ili komponentna impedancija:

• aktivan;

• reaktivan.

Reaktivnost, pak, može biti:

• kapacitet;

• induktivni.

Opisane su veze između komponenti impedancije otpornog trokuta.

U elektrodinamičkom proračunu, impedancija vala dalekovoda određena je omjerom napona upadnog vala i vrijednosti struje koja prolazi duž valnog voda.

Vrijednost otpora uzima se kao međunarodna mjerna jedinica od 1 Ohma.

Odnos struje, napona, otpora

Klasičan primjer izražavanja odnosa između ovih karakteristika je usporedba s hidrauličkim krugom, gdje sila kretanja toka života (analogno - veličina struje) ovisi o vrijednosti sile primijenjene na klip (stvoren napetost) i karakter linija toka, sazdanih od suženja (otpora).

Matematičke zakone koji opisuju odnos električnog otpora, struje i napona prvi je objavio i patentirao Georg Ohm. Izveo je zakone za cijeli krug električnog kruga i njegov dio. Pogledajte ovdje za više detalja: Primjena Ohmovog zakona u praksi

Za mjerenje osnovnih električnih veličina električne energije koriste se ampermetri, voltmetri i ommetri.

Ampermetar mjeri struju koja teče kroz krug. Budući da se ne mijenja u cijelom zatvorenom prostoru, ampermetar se postavlja bilo gdje između izvora napona i korisnika, stvarajući prolaz naboja kroz mjernu glavu uređaja.

Voltmetar se koristi za mjerenje napona na korisničkim stezaljkama spojenim na izvor struje.

Mjerenja otpora ohmmetrom mogu se vršiti samo kada je korisnik isključen. To je zato što ohmmetar daje kalibrirani napon i mjeri struju koja teče kroz ispitnu glavu, koja se pretvara u ohme dijeljenjem napona s trenutnom vrijednošću.

Svako spajanje vanjskog napona male snage tijekom mjerenja stvorit će dodatne struje i iskriviti rezultat. S obzirom da su unutarnji krugovi ohmmetra male snage, tada u slučaju pogrešnih mjerenja otpora pri primjeni vanjskog napona, uređaj često ne uspije zbog činjenice da njegov unutarnji krug izgori.

Poznavanje osnovnih karakteristika struje, napona, otpora i međusobnih odnosa omogućuje električarima uspješno obavljanje posla i pouzdan rad električnih sustava, a učinjene pogreške vrlo često završavaju nesrećama i ozljedama.