التيار والجهد والطاقة: الخصائص الأساسية للكهرباء

لطالما استخدم الإنسان الكهرباء لتلبية احتياجاته ، لكنها غير مرئية ، ولا تدركها الحواس ، وبالتالي يصعب فهمها. لتبسيط شرح العمليات الكهربائية ، غالبًا ما تتم مقارنتها بالخصائص الهيدروليكية لمائع متحرك.

على سبيل المثال ، تأتي إلى شقتنا عبر الأسلاك طاقة كهربائية من المولدات البعيدة ومياه الصنبور من مضخة الضغط. ومع ذلك ، يقوم المفتاح بإطفاء الأنوار ويمنع صنبور الماء المغلق الماء من الخروج من الصنبور. للقيام بهذه المهمة ، تحتاج إلى تشغيل المفتاح وفتح الصنبور.

سوف يندفع التدفق الموجه للإلكترونات الحرة عبر الأسلاك إلى خيوط المصباح (سوف يتدفق تيار كهربائي) مما ينبعث منه الضوء. سوف يتم تصريف المياه الخارجة من الصنبور في الحوض.

هذا القياس يجعل من الممكن أيضًا فهم الخصائص الكمية ، وربط قوة التيار بسرعة حركة السائل وتقدير المعلمات الأخرى.

تتم مقارنة جهد التيار الكهربائي بإمكانيات الطاقة لمصدر السائل. على سبيل المثال ، ستؤدي زيادة الضغط الهيدروليكي من مضخة في أنبوب إلى سرعة عالية لحركة السوائل ، وزيادة في الجهد (أو الفرق بين إمكانات المرحلة - سلك الإدخال والعمل صفر - الناتج) سيزيد من وهج المصباح ، وقوة إشعاعها.

تتم مقارنة مقاومة الدائرة الكهربائية بقوة الكبح للتدفق الهيدروليكي. يتأثر معدل التدفق بما يلي:

• لزوجة سائلة

• انسداد وتغيير في المقطع العرضي للقنوات. (في حالة صنبور الماء ، يكون موضع صمام التحكم.)

تتأثر قيمة المقاومة الكهربائية بعدة عوامل:

• بنية المادة التي تحدد وجود الإلكترونات الحرة في الموصل وتؤثر مقاومة; 

• مساحة المقطع العرضي وطول الموصل الحالي ؛

• درجة حرارة.

تتم أيضًا مقارنة الطاقة الكهربائية بإمكانيات الطاقة للتدفق في المكونات الهيدروليكية ويتم تقديرها من العمل المنجز لكل وحدة زمنية. يتم التعبير عن قوة الجهاز الكهربائي بواسطة التيار المسحوب والجهد المطبق (لدوائر التيار المتردد والتيار المستمر).

تمت دراسة كل هذه الخصائص للكهرباء من قبل علماء مشهورين قدموا تعريفات للتيار والجهد والقوة والمقاومة ووصفوا بالطرق الرياضية العلاقات المتبادلة بينهم.

يوضح الجدول التالي العلاقات العامة لدارات التيار المتردد والتيار المستمر التي يمكن استخدامها لتحليل أداء دوائر معينة.

دعونا نلقي نظرة على بعض الأمثلة على استخدامها.

مثال 1. كيفية حساب المقاومة والقوة

افترض أنك تريد تحديد المحدد الحالي لتشغيل دائرة الإضاءة. نعلم أن جهد الإمداد للشبكة الداخلية «U» يساوي 24 فولت والاستهلاك الحالي «I» يبلغ 0.5 أمبير ، وهو ما يجب عدم تجاوزه. حسب التعبير (9) من قانون أوم نحسب المقاومة «R». R = 24 / 0.5 = 48 أوم.

للوهلة الأولى ، يتم تحديد قيمة المقاوم. على اية حال، هذا غير كافي. للتشغيل الموثوق لـ sema ، من الضروري حساب الطاقة وفقًا للاستهلاك الحالي.

وفقًا لعملية قانون جول لينز ، فإن القوة النشطة «P» تتناسب طرديًا مع التيار «I» الذي يمر عبر السلك والجهد المطبق «U». وهذه العلاقة موصوفة بالصيغة (11) في الجدول أقل.

نحسب: P = 24 × 0.5 = 12 واط.

نحصل على نفس القيمة إذا استخدمنا الصيغ (10) أو (12).

يُظهر حساب قوة المقاوم من خلال استهلاكه الحالي أنه من الضروري في الدائرة المحددة استخدام مقاومة 48 أوم و 12 وات. لن يتحمل المقاوم ذو الطاقة المنخفضة الأحمال المطبقة ، وسوف يسخن ويحترق مع الوقت الحالي.

يوضح هذا المثال اعتماد كيفية تأثير الحمل الحالي والجهد الكهربائي على طاقة المستخدم.

المثال رقم 2. كيفية حساب التيار

بالنسبة لمجموعة من المقابس المخصصة لتشغيل الأجهزة الكهربائية المنزلية في المطبخ ، من الضروري اختيار قاطع الدائرة الواقية. قوة الأجهزة وفقًا لبيانات جواز السفر هي 2.0 و 1.5 و 0.6 كيلو واط.

إجابة. تستخدم الشقة شبكة تيار متردد أحادية الطور 220 فولت. ستكون الطاقة الإجمالية لجميع الأجهزة المتصلة بالعمل في نفس الوقت 2.0 + 1.5 + 0.6 = 4.1 كيلو واط = 4100 واط.

باستخدام الصيغة (2) ، نحدد التيار الإجمالي لمجموعة المستهلكين: 4100/220 = 18.64 أ.

أقرب قاطع دارة مقنن له معدل تعثر يبلغ 20 أمبير. نختاره. سيتم إيقاف تشغيل الجهاز الذي تقل قيمته عن 16 أمبير بشكل دائم بسبب الحمل الزائد.

الاختلافات في معلمات الدوائر الكهربائية في التيار المتردد

شبكات أحادية الطور

عند تحليل معلمات الأجهزة الكهربائية ، من الضروري مراعاة خصائص تشغيلها في دوائر التيار المتناوب ، عندما تظهر الأحمال السعوية في المكثفات بسبب تأثير التردد الصناعي (تقوم بتحويل متجه التيار بمقدار 90 درجات قبل ناقل الجهد) ، وفي لفات الملف - حثي (التيار 90 درجة خلف الجهد). في الهندسة الكهربائية يطلق عليهم اسم الأحمال التفاعلية ... ويخلقون معًا خسائر في الطاقة التفاعلية «Q» التي لا تؤدي عملاً مفيدًا.

مع الأحمال النشطة ، لا يوجد تحول طور بين التيار والجهد.

وبهذه الطريقة ، يضاف عنصر تفاعلي إلى القيمة النشطة لقوة جهاز كهربائي في دوائر التيار المتناوب ، مما يؤدي إلى زيادة الطاقة الإجمالية ، والتي تسمى عادةً ممتلئة ويشار إليها بالفهرس «S».

التيار الجيبي المتناوب في شبكة أحادية الطور

يختلف التيار الكهربائي وفولطية التردد مع الوقت بطريقة جيبية. تبعا لذلك ، هناك تغيير في السلطة. إن تحديد معاييرها في نقاط زمنية مختلفة ليس له معنى كبير. لذلك ، يتم تحديد القيم الإجمالية (التكاملية) لفترة زمنية معينة ، كقاعدة عامة ، فترة التذبذب T.

تتيح لك معرفة الاختلافات بين معلمات دوائر التيار المتردد والتيار المباشر حساب القدرة بشكل صحيح من خلال التيار والجهد في كل حالة محددة.

شبكات ثلاثية الطور

تتكون بشكل أساسي من ثلاث دوائر أحادية الطور متطابقة ، تتقابل مع بعضها البعض على المستوى المعقد بمقدار 120 درجة. إنها تختلف قليلاً في الأحمال في كل مرحلة ، وتحول التيار من الجهد بزاوية فاي. بسبب هذا التفاوت ، يتم إنشاء I0 الحالي في الموصل المحايد.

التيار الجيبي المتناوب في شبكة ثلاثية الطور

يتكون الجهد في هذا النظام من جهد طور (220 فولت) وجهود خطية (380 فولت).

قوة جهاز تيار ثلاثي الطور متصل بالدائرة هو مجموع المكونات في كل مرحلة. يتم قياسه باستخدام أجهزة خاصة: الواطمات (المكون النشط) والمقاييس (التفاعلية). من الممكن حساب إجمالي استهلاك الطاقة لجهاز تيار ثلاثي الأطوار بناءً على قياسات مقياس الواطميتر وقياسات فارميتير باستخدام صيغة المثلث.

هناك أيضًا طريقة قياس غير مباشرة تعتمد على استخدام مقياس الفولتميتر ومقياس التيار مع الحسابات اللاحقة للقيم التي تم الحصول عليها.

يمكنك أيضًا حساب إجمالي الاستهلاك الحالي ، مع معرفة حجم القوة الظاهرة S. للقيام بذلك ، يكفي تقسيمها على قيمة جهد الخط.