Akım, gerilim, güç: elektriğin temel özellikleri

Elektrik, insanoğlu tarafından uzun süredir ihtiyaçlarını karşılamak için kullanılmaktadır, ancak görünmezdir, duyularla algılanmaz, bu nedenle anlaşılması zordur. Elektriksel işlemlerin açıklamasını basitleştirmek için, bunlar genellikle hareket eden bir sıvının hidrolik özellikleriyle karşılaştırılır.

Mesela dairemize telgrafla geliyor. Elektrik enerjisi uzak jeneratörlerden ve bir basınç pompasından gelen musluk suyundan. Ancak şalter ışıkları söndürür ve kapalı su musluğu musluktan suyun akmasını engeller. İşi yapmak için anahtarı açmanız ve musluğu açmanız gerekir.

Tellerden yönlendirilmiş bir serbest elektron akışı, ışık yayan ampulün filamanına (bir elektrik akımı akacaktır) koşacaktır. Musluktan çıkan su lavaboya akacaktır.

Bu benzetme aynı zamanda kantitatif özellikleri anlamayı, akımın gücünü sıvının hareket hızıyla ilişkilendirmeyi ve diğer parametreleri tahmin etmeyi mümkün kılar.

Şebeke voltajı, sıvı kaynağın enerji potansiyeli ile karşılaştırılır. Örneğin, bir borudaki bir pompanın hidrolik basıncındaki bir artış, yüksek bir sıvı hareketi hızı ve voltajda bir artış (veya fazın potansiyelleri arasındaki fark - giriş kablosu ve çalışan sıfır - çıkış) yaratacaktır. ampulün akkorluğunu, radyasyonunun gücünü artıracaktır.

Elektrik devresinin direnci, hidrolik akışın frenleme kuvveti ile karşılaştırılır. Akış hızı şunlardan etkilenir:

• sıvı viskozitesi;

• kanalların kesitinde tıkanma ve değişiklik. (Su musluğu olması durumunda, kontrol vanasının konumu.)

Elektrik direncinin değeri birkaç faktörden etkilenir:

• bir iletkende serbest elektronların varlığını belirleyen ve etkileyen maddenin yapısı rezistans; 

• akım iletkeninin kesit alanı ve uzunluğu;

• sıcaklık.

Elektrik gücü de hidrolikteki akışın enerji potansiyeli ile karşılaştırılır ve birim zamanda yapılan işten tahmin edilir. Bir elektrikli cihazın gücü, çekilen akım ve uygulanan voltaj (AC ve DC devreleri için) ile ifade edilir.

Elektriğin tüm bu özellikleri, akım, gerilim, güç, direnç tanımlarını veren ve aralarındaki karşılıklı ilişkileri matematiksel yöntemlerle tanımlayan ünlü bilim adamları tarafından incelenmiştir.

Aşağıdaki tablo, belirli devrelerin performansını analiz etmek için kullanılabilecek AC ve DC devreleri için genel ilişkileri göstermektedir.

Kullanımlarına ilişkin bazı örneklere bakalım.

Örnek 1. Direnç ve güç nasıl hesaplanır

Aydınlatma devresine güç sağlamak için bir akım sınırlayıcı seçmek istediğinizi varsayalım. Yerleşik ağ "U"nun 24 volta eşit besleme gerilimini ve aşılmaması gereken 0,5 amperlik "I" akım tüketimini biliyoruz. Ohm yasasının ifadesine (9) göre, «R» direncini hesaplıyoruz. R = 24 / 0,5 = 48 ohm.

İlk bakışta direncin değeri belirlenir. Ancak bu yeterli değil. Semanın güvenilir çalışması için akım tüketimine göre gücün hesaplanması gerekir.

Joule-Lenz yasasının işleyişine göre, aktif güç «P» telden geçen akım «I» ve uygulanan gerilim «U» ile doğru orantılıdır.Bu ilişki tabloda formül (11) ile açıklanmıştır. altında.

Hesaplıyoruz: P = 24×0,5 = 12 W.

(10) veya (12) formüllerini kullanırsak aynı değeri elde ederiz.

Direncin gücünün akım tüketimine göre hesaplanması, seçilen devrede 48 Ohm ve 12 W'lık bir direnç kullanılması gerektiğini gösterir. Daha düşük güce sahip bir direnç, uygulanan yüklere dayanmaz, ısınır ve yanar. zaman akımı ile.

Bu örnek, yük akımının ve ağ voltajının kullanıcının gücünü nasıl etkilediğinin bağımlılığını gösterir.

Örnek 2. akım nasıl hesaplanır

Mutfakta elektrikli ev aletlerine güç sağlamak için tasarlanmış bir grup priz için, koruyucu bir devre kesici seçmek gerekir. Cihazların pasaport verilerine göre gücü 2.0, 1.5 ve 0.6 kW'dır.

Cevap. Daire 220 voltluk tek fazlı bir AC şebekesi kullanıyor. Aynı anda çalışmak üzere bağlanan tüm cihazların toplam gücü 2,0 + 1,5 + 0,6 = 4,1 kW = 4100 W olacaktır.

Formül (2)'yi kullanarak, tüketici grubunun toplam akımını belirleriz: 4100/220 = 18.64 A.

En yakın nominal devre kesicinin açma oranı 20 amperdir. Onu seçiyoruz. 16 A'dan daha düşük bir değere sahip bir makine, aşırı yük nedeniyle kalıcı olarak kapanacaktır.

Alternatif akımda elektrik devrelerinin parametrelerindeki farklılıklar

Tek fazlı ağlar

Elektrikli cihazların parametrelerini analiz ederken, endüstriyel frekansın etkisi nedeniyle kapasitörlerde kapasitif yükler göründüğünde (mevcut vektörü 90 kaydırırlar) alternatif akım devrelerinde çalışma özelliklerini dikkate almak gerekir. gerilim vektörünün derece ilerisinde) ve bobin sargılarında - endüktif (akım, gerilimin 90 derece gerisindedir). Elektrik mühendisliğinde bunlara reaktif yükler denir... Birlikte hiçbir işe yaramayan reaktif güç kayıpları «Q» yaratırlar.

Aktif yüklerde akım ve gerilim arasında faz kayması olmaz.

Bu şekilde, alternatif akım devrelerinde bir elektrikli cihazın gücünün aktif değerine, genellikle tam olarak adlandırılan ve "S" endeksi ile gösterilen toplam gücün artması nedeniyle bir reaktif bileşen eklenir.

Tek fazlı bir ağda alternatif sinüzoidal akım

Elektrik akımı ve frekans voltajı sinüzoidal bir şekilde zamanla değişir. Buna göre, bir güç değişikliği var. Parametrelerini zamanın farklı noktalarında belirlemek pek mantıklı değil. Bu nedenle, toplam (entegre) değerler, kural olarak, salınım periyodu T olan belirli bir süre için seçilir.

Alternatif ve doğru akım devrelerinin parametreleri arasındaki farkları bilmek, her özel durumda akım ve gerilim yoluyla gücü doğru bir şekilde hesaplamanıza olanak tanır.

Üç fazlı ağlar

Temel olarak, karmaşık düzlemde birbirlerine göre 120 derece kaydırılmış üç özdeş tek fazlı devreden oluşurlar. Akımı voltajdan bir phi açısı kadar kaydırarak, her fazdaki yüklerde biraz farklılık gösterirler. Bu eşitsizlik nedeniyle, nötr iletkende bir I0 akımı yaratılır.

Üç fazlı bir ağda alternatif sinüzoidal akım

Bu sistemdeki gerilim, faz gerilimlerinden (220 V) ve hat gerilimlerinden (380 V) oluşmaktadır.

Devreye bağlı üç fazlı bir akım cihazının gücü, her fazdaki bileşenlerin toplamıdır. Özel cihazlar kullanılarak ölçülür: wattmetreler (aktif bileşen) ve varmetreler (reaktif). Üç fazlı bir akım cihazının toplam güç tüketimini, üçgen formülü kullanılarak wattmetre ve varmetre ölçümlerine göre hesaplamak mümkündür.

Elde edilen değerlerin müteakip hesaplamaları ile bir voltmetre ve ampermetre kullanımına dayanan dolaylı bir ölçüm yöntemi de vardır.

Görünen gücün S büyüklüğünü bilerek toplam akım tüketimini de hesaplayabilirsiniz. Bunu yapmak için, bunu hat voltajının değerine bölmek yeterlidir.