Ako vypočítať prúd: fyzikálne vzorce pomocou výkonu a napätia

Pri výbere akéhokoľvek elektrického zariadenia je jedným z dôležitých parametrov, na ktorý sa upriamuje pozornosť, výkon výrobku. Tento parameter je neoddeliteľne spojený s prúdom a napätím. Na výpočet prúdu, napätia alebo výkonu v elektrickom obvode sa používajú jednoduché vzorce. Aby sa však takéto výpočty mohli zmysluplne vykonávať, je žiaduce pochopiť fyzikálnu podstatu výskytu týchto veličín.

Fyzikálny pojem veličín

Akýkoľvek elektrický obvod sa vyznačuje množstvom parametrov. Najdôležitejšie z nich sú prúd, napätie, príkon a odpor. Tieto vlastnosti spolu súvisia a navzájom závisia. Jav, ktorý ich spája, sa nazýva elektrina.

Tento koncept zaviedol už v roku 1600 anglický fyzik William Gilbert, ktorý študuje magnetické a elektrické javy. Štúdiom magnetizmu v prírode vedec zistil, že niektoré telá pri trení začínajú mať príťažlivú silu vo vzťahu k iným objektom, najmä k jantáru. Otvorený jav preto nazval ēlectricus, čo v latinčine znamená „jantár“.

Nemecký fyzik Otto von Guericke pokračoval vo svojom výskume a v roku 1663 vynašiel elektrický stroj, ktorým bola kovová tyč so sírovou guľou. Vďaka tomu zistil, že materiály dokážu látky nielen priťahovať, ale aj odpudzovať. Ale až o osemdesiat rokov neskôr vytvoril Američan Benjamin Franklin teóriu elektriny a zaviedol pojmy ako záporný a kladný náboj.

Elektrina sa ďalej rozvíjala po experimentoch Charlesa Coulomba a jeho objave zákona o interakcii nábojov. Spočíval v nasledujúcom: sila vplyvu dvoch bodových nábojov na seba vo vákuu je priamo úmerná ich súčinu a nepriamo úmerná vzdialenosti medzi nimi v štvorci. Potom sa vďaka experimentom vedcov ako Joule, Lenz, Ohm, Ampere, Faraday, Maxwell zaviedli pojmy prúdu, napätia a elektromagnetizmu.

Takže v roku 1897 Angličan Joseph Thomson zistil, že nosičmi náboja sú elektróny. Už skôr, v roku 1880, elektrotechnik z Ruska Dmitrij Lachinov sformuloval potrebné podmienky na prenos elektriny na diaľku.

Po týchto objavoch boli vyvinuté základné definície elektriny. Dnes sa to týka vlastností materiálov vytvárať okolo seba elektrické pole, ktoré ovplyvňuje ostatné nabité častice nachádzajúce sa v blízkosti. Poplatky sa bežne delia na kladné a záporné. Keď sa pohybujú, vzniká magnetické pole, pričom náboje rovnakého znamienka sa priťahujú a rôzne náboje sa odpudzujú.

Súčasná sila

Prúd je usporiadaný pohyb nosičov náboja pod vplyvom elektrického poľa. Elektróny pôsobia ako kladne nabité častice a diery ako záporné. Matematicky je tento jav opísaný pomocou vzorca I = Q * T, kde I je vodivý prúd (A), Q je náboj častice (C), T je čas ©.

To znamená, že elektrický prúd je množstvo nábojov, ktoré prešli cez prierez látky. Ale táto formulácia je správna iba pre konštantný prúd, zatiaľ čo pre časovo premenný prúd to bude vyzerať I(T) = dQ/dT.

Hustota pohybu nosičov náboja v materiáli, to znamená množstvo elektriny prejdenej za konvenčne akceptovaný čas, sa nazýva prúdová sila. Podľa medzinárodného systému (SI) je jeho mernou jednotkou ampér. Jeden ampér sa rovná pohybu elektrického náboja rovného jednému coulombu cez prierez za jednu sekundu.

Nosiče náboja sa môžu pohybovať usporiadane aj chaoticky. Keď sa pohybujú, objaví sa elektrické pole, označené latinským písmenom E. Hodnota určená pomerom prúdu k prierezu vodiča sa nazýva prúdová hustota. A / mm sa berie ako jednotka jeho merania.².

Podľa typu sa prúd delí na tieto typy:

1. Preniesť. Je charakterizovaný pohybom nábojov vykonávaným vo voľnom priestore. Tento typ je typický pre zariadenia na vypúšťanie plynu.
2. Ofsety. Vzniká v dielektrikách a je určená usporiadaným pohybom viazaných nabitých častíc.
3. Plný. Je určený súčtom prúdu: vodivosť, prenos a posun.
4. Neustále. Toto je druh, ktorý môže zmeniť hodnotu, ale nemení smer pohybu, teda jeho znamienko.
5. Variabilné. Tento typ prúdu sa môže meniť tak vo veľkosti, ako aj v smere (znak).

Variabilný pohľad je tvarovo členený a môže byť sínusový a nesínusový. Na výpočet sínusového prúdu použite vzorec Is = Ia * sin ωt, kde Ia je maximálna hodnota prúdu (A), ω je uhlová rýchlosť rovnajúca sa 2πf (Hz).

Fyzické telesá, v ktorých je možný tok prúdu, sa nazývajú vodiče av tých, kde sú prekážky pre jeho priechod - dielektrika. Stredný stav medzi nimi je obsadený polovodičmi.

Potenciálny rozdiel

Je zvykom nazývať napätie fyzikálnou veličinou, ktorá charakterizuje elektrické pole. Ukazuje, akú prácu bude musieť pole vykonať, aby presunul jednotkový náboj z jedného bodu do druhého. Predpokladá sa, že tento prenos neovplyvní rozloženie nábojov v poľnom zdroji. Podľa Medzinárodného systému jednotiek sa napätie meria vo voltoch.

Prenosová práca pozostáva z dvoch veličín - elektrickej a tretej strany. Ak vonkajšie sily nepôsobia, potom sa napätie na úseku obvodu rovná potenciálnemu rozdielu a vypočíta sa podľa vzorca U = φ1-φ2. V tomto prípade je potenciál určený pomerom intenzity elektrického poľa k náboju. Na jej výpočet použite vzorec φ = W / q.

Inými slovami, toto je charakteristika poľa v určitom bode, nezávislá od veľkosti náboja v ňom. To znamená, že napätie je vo všeobecnosti určené prácou elektrostatického poľa, ku ktorému dochádza, keď sa náboj pohybuje pozdĺž jeho siločiar. Matematicky sa to dá vypočítať podľa vzorca U = A/q, kde A je práca vykonaná na pohyb (J), q je energia náboja (C).

Nasledujúce výrazy sa používajú pre napätie pri použití v sieti striedavého prúdu:

1. Okamžité. Toto je hodnota fyzikálnej veličiny nameraná v určitom časovom bode: U = U (t). Pre sínusový signál sa okamžité napätie zistí pomocou výrazu U (t) = Ua sin (ὤt + φ).
2. Amplitúda. Vyznačuje sa najväčšou okamžitou hodnotou bez zohľadnenia znamienka: Ua = max (U (t)).
3. Priemerný. Určuje sa pre celú periódu signálu podľa vzorca Us = 1 / T ʃ U (t) * dt. Pre sínusový priebeh je táto hodnota nula.

Pri výpočte napätia sa pojem elektrického potenciálu používa zriedka. Je to spôsobené skutočnosťou, že sa konvenčne považuje za jeden z potenciálnych bodov na získanie Zeme.

Táto hodnota sa rovná nule a všetky ostatné potenciály sa považujú za relatívne k nej. Keď hovoríme, že napätie v určitom bode je 300 voltov, máme na mysli potenciálny rozdiel medzi týmto bodom a zemou, ktorý sa rovná tejto hodnote.

Elektrická energia

Elektrická energia charakterizuje rýchlosť prenosu alebo premeny elektrickej energie. Jeho mernou jednotkou je watt. Aby bolo možné vypočítať výkon v určitej časti obvodu, je potrebné vynásobiť hodnotu napätia a prúdu v tejto časti. Na základe definície elektrického napätia môžeme povedať, že náboj pri pohybe vykonáva prácu, ktorá sa mu numericky rovná v úseku obvodu. Ak prácu vynásobíme počtom nábojov, potom môžeme zistiť celkovú hodnotu práce, ktorú náboje v tejto oblasti vykonali.

Na základe fyzikálnej definície, že výkon je práca za jednotku času, sa získa výraz P = A/At, kde A je práca vykonaná nábojom pri pohybe z počiatočného bodu do konečného bodu (J), Δt je čas strávený úplným pohybom náboja ©.

Pre všetky náboje v obvode možno výkon nájsť pomocou vzorca P = (U / Δt) * Q, kde Q je celkový počet poplatkov.

Pretože prúd je náboj tečúci za jednotku času (I = Q/At), ukazuje sa, že výkon sa rovná súčinu prúdu a napätia, tj P = U * I (Ut).

V obvode s konštantným prúdom má jeho sila a napätie vždy v určitom bode konštantnú hodnotu, preto je možné výkon v každom okamihu vypočítať podľa vzorca P = I * U = I2 * R = U2 / R, kde R je odpor voči prechodu prúdu v elektrickom obvode (Ohm). Ak je v tejto sieti zdroj elektromotorickej sily, potom sa výkon nájde ako P = I * E + I2 * r, kde E je elektromotorická sila alebo EMF (V), r je vnútorný odpor zdroja EMF (Ohm).

Pre obvod, v ktorom sa jeho parametre menia v určitom cykle, je výkon v určitom bode integrovaný v priebehu času. V tomto prípade existujú nasledujúce typy napájania:

1. Aktívne. Na jeho nájdenie sa používa výpočet, ktorý zohľadňuje fázový uhol φ. Zisťuje sa podľa vzorca P = U * I * cos φ.
2. Reaktívny. Je charakterizovaná záťažami vytváranými elektrickými zariadeniami vo forme kolísania energie elektromagnetického poľa. Jeho výpočet sa vykonáva podľa vzorca P = U * I * sin φ.
3. Plný. Je určený súčinom efektívnych hodnôt prúdu a napätia a je spojený s inými typmi výkonu pomocou výrazu S = √ (P ² + Q ²).

Ohmov zákon pre reťaz

Pri výpočte výkonu pre napätie a prúd v praxi sa často používa Ohmov zákon. Stanovuje vzťah medzi prúdom, odporom a napätím. Tento zákon bol objavený prostredníctvom série experimentov vykonaných Simonom Ohmom a formulovaných ním v roku 1826. Zistil, že množstvo prúdu v časti obvodu je priamo úmerné potenciálnemu rozdielu a nepriamo úmerné odporu tejto časti.

Ohmov zákon možno napísať takto: I = U/R, kde I je hodnota intenzity prúdu (A), U je rozdiel potenciálov (V), R je odpor obvodu voči prechodu prúdu (Ohm).

Pre úplný reťazec môže byť tento vzorec napísaný takto: I = E / (R + r0), kde E je EMF zdroja energie (V), r0 je vnútorný odpor zdroja napätia (Ohm).

Teda pre úsek obvodu výraz P = U2/R = I2Ra pre celý reťazec - P = (E / (R + R0))²* R. Práve tieto dva vzorce sa najčastejšie používajú na výpočet elektrických sietí alebo výkonu požadovaného zariadenia.

Rôzne komponenty elektrickej siete v určitom časovom bode spotrebúvajú rôzne množstvá prúdu. Preto je veľmi dôležité správne vypočítať, koľko energie sa dodáva naraz. na určité miesto v reťazci, aby sa predišlo preťaženiu linky a vzniku núdze situácie.

To robia dizajnéri obvodov a zjednodušujú ich do bodu, keď môžete vypočítať požadovaný výkon pomocou Ohmovho zákona.

Praktický výpočet

Predpokladajme napríklad, že potrebujete zistiť, aký prúd potrebujete na zakúpenie ističa inštalovaného na časti obvodu. Zároveň je známe, že chladnička s maximálny príkon jeden kilowatt, kotol (dva kilowatty) a luster spotrebujú 90 watt. Miesto inštalácie používa jednofázovú sieť navrhnutú pre prevádzkové napätie 220 voltov.

V prvej fáze výpočtu budete musieť zhrnúť celý výkon elektrických spotrebičov pripojených k linke. Takže P celkom. = 1 000 + 2 000 + 90 + 220 = 3 310 W. Pomocou vzorca P = ja * U, nájde sa požadovaná hodnota prúdu: I = P / U = 3310/220 = 15,04 A.

Zo štandardného radu spínačov je najbližšia hodnota 16 A ističa. Pretože je potrebné zakúpiť ochranné zariadenie s malou rezervou, pre tento príklad je vhodný spínač určený pre 20 ampérov.

Vďaka takýmto výpočtom môžete vypočítať ľubovoľný parameter elektrického obvodu, ale je to s prihliadnutím na dostatočné množstvo vstupných údajov.