So berechnen Sie die Stromstärke: physikalische Formeln mit Leistung und Spannung

Bei der Auswahl eines elektrischen Geräts ist einer der wichtigsten Parameter, auf den die Aufmerksamkeit gelenkt wird, die Leistung des Produkts. Dieser Parameter ist untrennbar mit Strom und Spannung verbunden. Um Strom, Spannung oder Leistung in einem Stromkreis zu berechnen, werden einfache Formeln verwendet. Um solche Berechnungen sinnvoll durchführen zu können, ist es jedoch wünschenswert, die physikalische Natur des Auftretens dieser Größen zu verstehen.

Physikalischer Mengenbegriff

Jede elektrische Schaltung ist durch eine Reihe von Parametern gekennzeichnet. Die wichtigsten davon sind Stromstärke, Spannung, Leistung und Widerstand. Diese Eigenschaften sind verwandt und voneinander abhängig. Das Phänomen, das sie vereint, heißt Elektrizität.

Dieses Konzept wurde bereits 1600 von dem englischen Physiker William Gilbert eingeführt, der magnetische und elektrische Phänomene untersucht. Bei der Untersuchung des Magnetismus in der Natur stellte der Wissenschaftler fest, dass einige Körper beim Reiben eine Anziehungskraft in Bezug auf andere Objekte ausüben, insbesondere auf Bernstein. Daher nannte er das offene Phänomen ēlectricus, was auf Latein "Bernstein" bedeutet.

Der deutsche Physiker Otto von Guericke setzte 1663 seine Forschungen fort und erfand eine elektrische Maschine, einen Metallstab mit einer Schwefelkugel darauf. Dabei fand er heraus, dass Materialien Stoffe nicht nur anziehen, sondern auch abstoßen können. Aber nur achtzig Jahre später entwickelte der Amerikaner Benjamin Franklin die Theorie der Elektrizität und führte Begriffe wie negative und positive Ladungen ein.

Die Elektrizität wurde nach den Experimenten von Charles Coulomb und seiner Entdeckung des Gesetzes der Wechselwirkung von Ladungen weiterentwickelt. Sie bestand in folgendem: Die Einflusskraft zweier Punktladungen aufeinander im Vakuum ist direkt proportional zu ihrem Produkt und umgekehrt proportional zum Abstand zwischen ihnen im Quadrat. Danach wurden dank der Experimente von Wissenschaftlern wie Joule, Lenz, Ohm, Ampere, Faraday, Maxwell die Konzepte von Strom, Spannung und Elektromagnetismus eingeführt.

So stellte 1897 der Engländer Joseph Thomson fest, dass die Ladungsträger Elektronen sind. Zuvor, im Jahr 1880, formulierte ein Elektroingenieur aus Russland Dmitry Lachinov die notwendigen Bedingungen für die Übertragung von Elektrizität über eine Entfernung.

Im Anschluss an diese Entdeckungen wurden grundlegende Definitionen von Elektrizität entwickelt. Heute bezieht es sich auf die Eigenschaften von Materialien, um sie herum ein elektrisches Feld zu bilden, das andere geladene Teilchen in der Nähe beeinflusst. Üblicherweise werden Ladungen in positive und negative unterteilt. Bei ihrer Bewegung entsteht ein Magnetfeld, während Ladungen gleichen Vorzeichens angezogen und unterschiedliche Ladungen abgestoßen werden.

Stromstärke

Strom ist die geordnete Bewegung von Ladungsträgern unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes. Elektronen wirken als positiv geladene Teilchen und Löcher als negative. Mathematisch wird dieses Phänomen mit der Formel beschrieben I = Q * T, wobei I der Leitungsstrom (A), Q die Teilchenladung (C), T die Zeit © ist.

Das heißt, der elektrische Strom ist die Menge der Ladungen, die durch den Querschnitt der Substanz geflossen sind. Aber diese Formulierung ist nur für einen konstanten Strom richtig, während sie für einen zeitveränderlichen Strom so aussieht I (T) = dQ / dT.

Die Bewegungsdichte von Ladungsträgern in einem Material, also die Strommenge, die in einer herkömmlich akzeptierten Zeit fließt, wird als Stromstärke bezeichnet. Nach dem Internationalen System (SI) ist seine Maßeinheit Ampere. Ein Ampere entspricht der Bewegung einer elektrischen Ladung von einem Coulomb in einer Sekunde durch den Querschnitt.

Ladungsträger können sich sowohl geordnet als auch chaotisch bewegen. Wenn sie sich bewegen, entsteht ein elektrisches Feld, das mit dem lateinischen Buchstaben E bezeichnet wird. Der Wert, der sich aus dem Verhältnis des Stroms zum Leiterquerschnitt ergibt, wird als Stromdichte bezeichnet. Als Maßeinheit wird A / mm verwendet.².

Nach seinem Typ wird der Strom in folgende Typen unterschieden:

1. Übertrag. Es zeichnet sich durch die Bewegung von Ladungen im freien Raum aus. Dieser Typ ist typisch für Gasentladungsgeräte.
2. Versätze. Sie entsteht in Dielektrika und wird durch die geordnete Bewegung gebundener geladener Teilchen bestimmt.
3. Voll. Sie wird durch die Summe des Stroms bestimmt: Leitwert, Übertragung und Verschiebung.
4. Konstante. Dies ist eine Spezies, die den Wert ändern kann, aber nicht die Bewegungsrichtung, dh ihr Vorzeichen.
5. Variable. Diese Stromart kann sowohl in der Größe als auch in der Richtung (Vorzeichen) variieren.

Die variable Ansicht ist in der Form unterteilt und kann sinusförmig und nicht-sinusförmig sein. Um den sinusförmigen Strom zu berechnen, verwenden Sie die Formel Is = Ia * sin ωt, wobei Ia der Maximalwert des Stroms (A) ist, ω die Winkelgeschwindigkeit gleich 2πf (Hz).

Physikalische Körper, in denen ein Stromfluss möglich ist, werden als Leiter bezeichnet, und in solchen, in denen Hindernisse für den Durchgang bestehen - Dielektrika. Ein Zwischenzustand dazwischen wird von Halbleitern besetzt.

Potenzieller unterschied

Es ist üblich, Spannung als physikalische Größe zu bezeichnen, die ein elektrisches Feld charakterisiert. Es zeigt, welche Art von Arbeit das Feld leisten muss, um eine Einheitsladung von einem Punkt zum anderen zu bewegen. Es wird davon ausgegangen, dass dieser Transfer die Ladungsverteilung in der Feldquelle nicht beeinflusst. Nach dem Internationalen Einheitensystem wird die Spannung in Volt gemessen.

Die Transferarbeit besteht aus zwei Mengen - elektrisch und extern. Wenn keine äußeren Kräfte wirken, ist die Spannung am Schaltungsabschnitt gleich der Potenzialdifferenz und wird nach der Formel berechnet U = φ1-φ2. Das Potential wird dabei durch das Verhältnis der elektrischen Feldstärke zur Ladung bestimmt. Um es zu berechnen, verwenden Sie die Formel = W / q.

Mit anderen Worten, dies ist die Eigenschaft des Feldes an einem bestimmten Punkt, unabhängig von der Größe der darin enthaltenen Ladung. Das heißt, die Spannung wird im Allgemeinen durch die Arbeit des elektrostatischen Felds bestimmt, das auftritt, wenn sich die Ladung entlang ihrer Kraftlinien bewegt. Mathematisch lässt es sich nach der Formel berechnen U = A / q, wobei A die für die Bewegung geleistete Arbeit (J) ist, q die Ladungsenergie (C).

Die folgenden Begriffe werden für Spannung verwendet, wenn sie an das Wechselstromnetz angelegt wird:

1. Sofortig. Dies ist der zu einem bestimmten Zeitpunkt gemessene Wert einer physikalischen Größe: U = U (t). Für ein sinusförmiges Signal wird die Momentanspannung mit dem Ausdruck U (t) = Ua sin (ὤt + φ).
2. Amplitude. Er zeichnet sich durch den größten Momentanwert ohne Berücksichtigung des Vorzeichens aus: Ua = max (U (t)).
3. Der Durchschnitt. Sie wird für die volle Periode des Signals durch die Formel bestimmt Us = 1 / T ʃ U (t) * dt. Bei einer sinusförmigen Wellenform ist dieser Wert null.

Bei der Spannungsberechnung wird das Konzept des elektrischen Potenzials selten verwendet. Dies liegt an der Tatsache, dass es konventionell als einer der Potenzialpunkte angesehen wird, um die Erde zu erobern.

Dieser Wert wird gleich Null gesetzt und alle anderen Potentiale werden relativ dazu betrachtet. Wenn wir sagen, dass die Spannung an einem bestimmten Punkt 300 Volt beträgt, meinen wir die Potenzialdifferenz zwischen diesem Punkt und Masse, die diesem Wert entspricht.

Elektrische Energie

Elektrische Leistung charakterisiert die Geschwindigkeit, mit der elektrische Energie übertragen oder umgewandelt wird. Seine Maßeinheit ist Watt. Um die Leistung in einem bestimmten Abschnitt der Schaltung zu berechnen, müssen die Spannungs- und Stromwerte in diesem Abschnitt multipliziert werden. Basierend auf der Definition der elektrischen Spannung können wir sagen, dass die Ladung bei der Bewegung eine Arbeit verrichtet, die im Abschnitt des Stromkreises numerisch gleich ist. Wenn wir die Arbeit mit der Anzahl der Ladungen multiplizieren, können wir den Gesamtwert der Arbeit ermitteln, die die Ladungen in diesem Bereich geleistet haben.

Basierend auf der physikalischen Definition, dass Leistung Arbeit pro Zeiteinheit ist, erhält man den Ausdruck P = A / t, wobei A die Arbeit ist, die die Ladung beim Bewegen vom Anfangspunkt zum letzten (J) verrichtet, Δt die Zeit ist, die für die vollständige Bewegung der Ladung aufgewendet wird ©.

Für alle Ladungen im Stromkreis kann die Leistung mit der Formel ermittelt werden P = (U / Δt) * Q, wobei Q die Gesamtzahl der Ladungen ist.

Da der Strom eine Ladung ist, die pro Zeiteinheit fließt (I = Q / t), stellt sich heraus, dass die Leistung gleich dem Produkt aus Strom und Spannung ist, also P = U * I (Di).

In einem Stromkreis mit konstantem Strom haben seine Stärke und Spannung zu einem bestimmten Zeitpunkt immer einen konstanten Wert, daher kann die Leistung zu jedem Zeitpunkt nach der Formel berechnet werden P = I * U = I2 * R = U2 / R, wobei R der Widerstand gegen den Stromdurchgang im Stromkreis (Ohm) ist. Wenn in diesem Netzwerk eine Quelle der elektromotorischen Kraft vorhanden ist, wird die Leistung gefunden als P = I * E + I2 * r, wobei E die elektromotorische Kraft oder EMF (V) ist, r der Innenwiderstand der EMF-Quelle (Ohm).

Bei einer Schaltung, deren Parameter sich in einem bestimmten Zyklus ändern, wird die Leistung an einem bestimmten Punkt über die Zeit integriert. In diesem Fall gibt es folgende Stromarten:

1. Aktiv. Um ihn zu finden, wird eine Berechnung verwendet, die den Phasenwinkel φ berücksichtigt. Es wird nach der Formel gefunden P = U * I * cos.
2. Reaktiv. Es zeichnet sich durch Belastungen durch elektrische Geräte in Form von Energieschwankungen eines elektromagnetischen Feldes aus. Seine Berechnung erfolgt nach der Formel P = U * I * Sünde φ.
3. Voll. Es wird durch das Produkt der Effektivwerte von Strom und Spannung bestimmt und ist mit anderen Leistungsarten durch den Ausdruck verbunden S = √ (P ² + Q ²).

Ohmsches Gesetz für eine Kette

Bei der Berechnung der Leistung für Spannung und Strom wird in der Praxis häufig das Ohmsche Gesetz verwendet. Es stellt eine Beziehung zwischen Strom, Widerstand und Spannung her. Dieses Gesetz wurde durch eine Reihe von Experimenten von Simon Ohm entdeckt und 1826 von ihm formuliert. Er fand heraus, dass die Stromstärke in einem Abschnitt des Stromkreises direkt proportional zur Potenzialdifferenz und umgekehrt proportional zum Widerstand dieses Abschnitts ist.

Das Ohmsche Gesetz lässt sich wie folgt schreiben: I = U / R, wobei I der Wert der Stromstärke (A), U ist die Potentialdifferenz (V), R der Widerstand des Stromkreises gegen den Stromdurchgang (Ohm).

Für eine vollständige Kette kann diese Formel wie folgt geschrieben werden: Ich = E / (R + r0), wobei E die EMF der Stromquelle (V) ist, r0 der Innenwiderstand der Spannungsquelle (Ohm).

Somit ist für den Abschnitt der Kette der Ausdruck P = U2 / R = I2R, und für eine komplette Kette - P = (E / (R + R0))²* R. Diese beiden Formeln werden am häufigsten verwendet, um elektrische Netze oder die Leistung der erforderlichen Geräte zu berechnen.

Unterschiedliche Komponenten des elektrischen Netzes verbrauchen zu einem bestimmten Zeitpunkt unterschiedlich viel Strom. Daher ist es sehr wichtig, richtig zu berechnen, wie viel Energie zu einem bestimmten Zeitpunkt zugeführt wird. an einer bestimmten Stelle in der Kette, um Überlastungen auf der Leitung und das Auftreten von Notfällen zu vermeiden Situationen.

Dies ist, was Schaltungsdesigner tun und sie so weit vereinfachen, dass Sie die erforderliche Leistung mit dem Ohmschen Gesetz berechnen können.

Praktische Berechnung

Angenommen, Sie müssen herausfinden, für welchen Strom Sie einen Schutzschalter kaufen, der in einem Abschnitt des Stromkreises installiert ist. Gleichzeitig ist bekannt, dass der Kühlschrank mit maximaler Stromverbrauch von einem Kilowatt, ein Boiler (zwei Kilowatt) und ein Kronleuchter mit einem Verbrauch von 90 Watt. Der Aufstellungsort verwendet ein einphasiges Netz, das für eine Betriebsspannung von 220 Volt ausgelegt ist.

In der ersten Phase der Berechnung müssen Sie die gesamte Leistung der an die Leitung angeschlossenen Elektrogeräte zusammenfassen. Also P insgesamt. = 1000 + 2000 + 90 +220 = 3310 W. Mit der Formel P = ich * U, wird der erforderliche Stromwert gefunden: I = P / U = 3310/220 = 15,04 A.

Von den Standardschaltern ist der nächste Wert ein 16-A-Leistungsschalter. Da es notwendig ist, ein Schutzgerät mit geringem Spielraum zu kaufen, eignet sich für dieses Beispiel ein für 20 Ampere ausgelegter Schalter.

Dank solcher Berechnungen können Sie jeden Parameter des Stromkreises berechnen, dies jedoch unter Berücksichtigung einer ausreichenden Menge an Eingangsdaten.