זרם, מתח, הספק: מאפיינים בסיסיים של חשמל

חשמל כבר מזמן משמש את האדם כדי לספק את צרכיו, אבל הוא בלתי נראה, לא נתפס על ידי החושים, ולכן קשה להבין אותו. כדי לפשט את ההסבר של תהליכים חשמליים, הם מושווים לעתים קרובות למאפיינים הידראוליים של נוזל נע.

למשל, היא מגיעה לדירה שלנו באמצעות חוט אנרגיה חשמלית מגנרטורים מרוחקים ומי ברז ממשאבת לחץ. עם זאת, המתג מכבה את האורות וברז המים הסגור מונע מהמים לצאת מהברז. כדי לבצע את העבודה, אתה צריך להפעיל את המתג ולפתוח את הברז.

זרימה מכוונת של אלקטרונים חופשיים דרך החוטים תמהר אל חוט הנורה (יזרם זרם חשמלי) אשר יפלוט אור. המים היוצאים מהברז יתנקזו לכיור.

אנלוגיה זו מאפשרת גם להבין את המאפיינים הכמותיים, לקשור את עוצמת הזרם למהירות התנועה של הנוזל ולאמוד פרמטרים נוספים.

מתח החשמל מושווה לפוטנציאל האנרגיה של מקור הנוזל. לדוגמה, עלייה בלחץ ההידראולי ממשאבה בצינור תיצור מהירות גבוהה של תנועת נוזל, ועלייה במתח (או ההפרש בין הפוטנציאלים של הפאזה - חוט הכניסה והאפס הפועל - הפלט) יגביר את הליבון של הנורה, את עוצמת הקרינה שלה.

ההתנגדות של המעגל החשמלי מושוואת לכוח הבלימה של הזרימה ההידראולית. קצב הזרימה מושפע מ:

• צמיגות נוזל;

• סתימה ושינוי בחתך הערוצים. (במקרה של ברז מים, מיקום שסתום הבקרה.)

ערך ההתנגדות החשמלית מושפע ממספר גורמים:

• מבנה החומר הקובע את נוכחותם של אלקטרונים חופשיים במוליך ומשפיע הִתנַגְדוּת; 

• שטח חתך ואורך של המוליך הנוכחי;

• טֶמפֶּרָטוּרָה.

הכוח החשמלי מושווה גם לפוטנציאל האנרגיה של הזרימה בהידראוליקה והוא מוערך מהעבודה שנעשתה ליחידת זמן. הספק של מכשיר חשמלי מתבטא על ידי הזרם הנמשך והמתח המופעל (עבור מעגלי AC ו-DC).

כל המאפיינים הללו של חשמל נחקרו על ידי מדענים מפורסמים שנתנו הגדרות של זרם, מתח, כוח, התנגדות ותיארו בשיטות מתמטיות את היחסים ההדדיים ביניהם.

הטבלה הבאה מציגה קשרים כלליים עבור מעגלי AC ו-DC שניתן להשתמש בהם כדי לנתח את הביצועים של מעגלים ספציפיים.

בואו נסתכל על כמה דוגמאות לשימוש בהם.

דוגמה מס' 1. כיצד לחשב התנגדות וכוח

נניח שאתה רוצה לבחור מגביל זרם כדי להפעיל את מעגל התאורה. אנו יודעים את מתח האספקה ​​של רשת "U", שווה ל-24 וולט ואת צריכת הזרם "I" של 0.5 אמפר, שאסור לחרוג ממנה. על פי הביטוי (9) של חוק אוהם, אנו מחשבים את ההתנגדות «R». R = 24 / 0.5 = 48 אוהם.

במבט ראשון, ערך הנגד נקבע. עם זאת, זה לא מספיק. עבור הפעולה האמינה של sema, יש צורך לחשב את הכוח על פי הצריכה הנוכחית.

על פי הפעולה של חוק Joule-Lenz, ההספק הפעיל «P» עומד ביחס ישר לזרם «I» העובר דרך החוט ולמתח המופעל «U». קשר זה מתואר על ידי נוסחה (11) בטבלה לְהַלָן.

אנו מחשבים: P = 24×0.5 = 12 W.

נקבל את אותו ערך אם נשתמש בנוסחאות (10) או (12).

חישוב הספק של הנגד לפי צריכת הזרם שלו מראה שבמעגל הנבחר יש צורך להשתמש בהתנגדות של 48 אוהם ו- 12 W. נגד עם הספק נמוך יותר לא יעמוד בעומסים המופעלים, הוא יתחמם וישרף. עם זרם הזמן.

דוגמה זו מראה את התלות של איך זרם העומס ומתח הרשת משפיעים על הספק של המשתמש.

דוגמה מס' 2. כיצד לחשב את הזרם

עבור קבוצת שקעים המיועדים להפעלת מכשירי חשמל ביתיים במטבח, יש צורך לבחור מפסק מגן. הספק המכשירים לפי נתוני הדרכון הוא 2.0, 1.5 ו-0.6 קילוואט.

תשובה. הדירה משתמשת ברשת AC חד פאזית של 220 וולט. ההספק הכולל של כל המכשירים המחוברים לעבודה בו זמנית יהיה 2.0 + 1.5 + 0.6 = 4.1 קילוואט = 4100 וואט.

באמצעות הנוסחה (2), אנו קובעים את הזרם הכולל של קבוצת הצרכנים: 4100/220 = 18.64 A.

למפסק המדורג הקרוב ביותר יש קצב יציאה של 20 אמפר. אנחנו בוחרים בזה. מכונה עם ערך נמוך מ-16 A תכבה לצמיתות מעומס יתר.

הבדלים בפרמטרים של מעגלים חשמליים בזרם חילופין

רשתות חד פאזיות

בעת ניתוח הפרמטרים של מכשירים חשמליים, יש צורך לקחת בחשבון את המוזרויות של פעולתם במעגלי זרם חילופין, כאשר, בשל השפעת התדר התעשייתי, מופיעים עומסים קיבוליים בקבלים (הם מעבירים את וקטור הזרם ב-90 מעלות לפני וקטור המתח), ובפיתולי הסליל - אינדוקטיבי (הזרם הוא 90 מעלות מאחורי המתח). בהנדסת חשמל הם נקראים עומסים תגובתיים... ביחד הם יוצרים הפסדי הספק תגובתיים «Q» שאינם עושים עבודה מועילה.

עם עומסים פעילים, אין שינוי פאזה בין זרם למתח.

בדרך זו מתווסף רכיב תגובתי לערך הפעיל של הספק של מכשיר חשמלי במעגלי זרם חילופין, שבגללו גדל ההספק הכולל, הנקרא בדרך כלל מלא ומצוין במדד «S».

זרם סינוסואיד לסירוגין ברשת חד פאזי

זרם חשמלי ומתח תדר משתנים עם הזמן בצורה סינוסואידלית. בהתאם, חל שינוי בכוח. קביעת הפרמטרים שלהם בנקודות זמן שונות אינה הגיונית במיוחד. לכן, הערכים הכוללים (המשלבים) נבחרים לפרק זמן מסוים, ככלל, תקופת התנודה T.

הכרת ההבדלים בין הפרמטרים של מעגלי זרם חילופין וישר מאפשרת לך לחשב נכון את ההספק דרך הזרם והמתח בכל מקרה ספציפי.

רשתות תלת פאזיות

בעיקרון, הם מורכבים משלושה מעגלים חד פאזיים זהים, מקוזזים זה לזה במישור המורכב ב-120 מעלות. הם שונים מעט בעומסים בכל שלב, ומעבירים את הזרם מהמתח בזווית phi. בשל חוסר אחידות זה, נוצר זרם I0 במוליך הנייטרלי.

זרם סינוסואיד לסירוגין ברשת תלת פאזית

המתח במערכת זו מורכב ממתחי פאזה (220 וולט) וממתחי קו (380 וולט).

הספק של התקן זרם תלת פאזי המחובר למעגל הוא סכום הרכיבים בכל שלב. הוא נמדד באמצעות מכשירים מיוחדים: מדי וואט (רכיב פעיל) ו-varmeters (ריאקטיבי). ניתן לחשב את צריכת החשמל הכוללת של מכשיר זרם תלת פאזי על סמך מדידות הוואטים וה-varmeter באמצעות נוסחת המשולש.

ישנה גם שיטת מדידה עקיפה המבוססת על שימוש במד מתח ובמד זרם עם חישובים עוקבים של הערכים שהתקבלו.

אתה יכול גם לחשב את צריכת הזרם הכוללת, לדעת את גודל הכוח הנראה S. כדי לעשות זאת, זה מספיק לחלק אותו בערך של מתח הקו.