Strom, Spannung, Leistung: Grundeigenschaften der Elektrizität

Elektrizität wird seit langem vom Menschen zur Befriedigung seiner Bedürfnisse genutzt, sie ist jedoch unsichtbar, wird nicht mit den Sinnen wahrgenommen und ist daher schwer zu verstehen. Um die Erklärung elektrischer Prozesse zu vereinfachen, werden sie häufig mit den hydraulischen Eigenschaften einer bewegten Flüssigkeit verglichen.

Sie kommt zum Beispiel per Kabel in unsere Wohnung Elektrische Energie von entfernten Generatoren und Leitungswasser von einer Druckpumpe. Allerdings schaltet der Schalter das Licht aus und der geschlossene Wasserhahn verhindert, dass Wasser aus dem Wasserhahn läuft. Um die Arbeit zu erledigen, müssen Sie den Schalter betätigen und den Wasserhahn öffnen.

Ein gerichteter Fluss freier Elektronen durch die Drähte strömt zum Glühfaden der Glühbirne (es fließt ein elektrischer Strom), der Licht aussendet. Das aus dem Wasserhahn austretende Wasser fließt in die Spüle.

Diese Analogie ermöglicht es auch, die quantitativen Eigenschaften zu verstehen, die Stärke des Stroms mit der Bewegungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit in Beziehung zu setzen und andere Parameter abzuschätzen.

Die Netzspannung wird mit dem Energiepotential der Flüssigkeitsquelle verglichen. Beispielsweise führt eine Erhöhung des hydraulischen Drucks von einer Pumpe in einem Rohr zu einer hohen Geschwindigkeit der Flüssigkeitsbewegung und zu einer Erhöhung der Spannung (oder der Differenz zwischen den Potenzialen der Phase – dem Eingangsdraht und dem Arbeitsnullpunkt – dem Ausgang). erhöht das Glühen der Glühbirne und damit die Stärke ihrer Strahlung.

Der Widerstand des Stromkreises wird mit der Bremskraft des Hydraulikflusses verglichen. Die Durchflussrate wird beeinflusst durch:

• Flüssigkeitsviskosität;

• Verstopfung und Veränderung des Kanalquerschnitts. (Bei einem Wasserhahn die Position des Steuerventils.)

Der Wert des elektrischen Widerstands wird von mehreren Faktoren beeinflusst:

• die Struktur der Substanz, die das Vorhandensein freier Elektronen in einem Leiter bestimmt und beeinflusst Widerstand; 

• Querschnittsfläche und Länge des Stromleiters;

• Temperatur.

Auch in der Hydraulik wird die elektrische Leistung mit dem Energiepotenzial der Strömung verglichen und aus der pro Zeiteinheit geleisteten Arbeit abgeschätzt. Die Leistung eines Elektrogeräts wird durch die Stromaufnahme und die angelegte Spannung (für Wechsel- und Gleichstromkreise) ausgedrückt.

Alle diese Eigenschaften der Elektrizität wurden von berühmten Wissenschaftlern untersucht, die Strom, Spannung, Leistung und Widerstand definierten und mit mathematischen Methoden die gegenseitigen Beziehungen zwischen ihnen beschrieben.

Die folgende Tabelle zeigt allgemeine Beziehungen für Wechselstrom- und Gleichstromkreise, die zur Analyse der Leistung bestimmter Stromkreise verwendet werden können.

Schauen wir uns einige Beispiele für ihre Verwendung an.

Beispiel 1. So berechnen Sie Widerstand und Leistung

Angenommen, Sie möchten einen Strombegrenzer für die Stromversorgung des Beleuchtungskreises auswählen. Wir kennen die Versorgungsspannung des Bordnetzes „U“, gleich 24 Volt und die Stromaufnahme „I“ von 0,5 Ampere, die nicht überschritten werden darf. Gemäß dem Ausdruck (9) des Ohmschen Gesetzes berechnen wir den Widerstand „R“. R = 24 / 0,5 = 48 Ohm.

Auf den ersten Blick wird der Wert des Widerstands bestimmt. Dies reicht jedoch nicht aus. Für den zuverlässigen Betrieb von sema ist es notwendig, die Leistung entsprechend der Stromaufnahme zu berechnen.

Gemäß der Wirkungsweise des Joule-Lenz-Gesetzes ist die Wirkleistung „P“ direkt proportional zum durch den Draht fließenden Strom „I“ und der angelegten Spannung „U“. Dieser Zusammenhang wird durch die Formel (11) in der Tabelle beschrieben unter.

Wir berechnen: P = 24×0,5 = 12 W.

Den gleichen Wert erhalten wir, wenn wir die Formeln (10) oder (12) verwenden.

Die Berechnung der Leistung des Widerstands anhand seines Stromverbrauchs zeigt, dass im ausgewählten Stromkreis ein Widerstand von 48 Ohm und 12 W verwendet werden muss. Ein Widerstand mit geringerer Leistung hält den angelegten Belastungen nicht stand, er erwärmt sich und brennt durch mit Strom der Zeit.

Dieses Beispiel zeigt die Abhängigkeit, wie sich Laststrom und Netzspannung auf die Leistung des Benutzers auswirken.

Beispiel #2. So berechnen Sie den Strom

Für eine Gruppe von Steckdosen, die zur Stromversorgung elektrischer Haushaltsgeräte in der Küche vorgesehen sind, muss ein Schutzschalter ausgewählt werden. Die Leistung der Geräte beträgt laut Passdaten 2,0, 1,5 und 0,6 kW.

Antworten. Die Wohnung nutzt ein 220-Volt-Einphasen-Wechselstromnetz. Die Gesamtleistung aller gleichzeitig angeschlossenen Geräte beträgt 2,0 + 1,5 + 0,6 = 4,1 kW = 4100 W.

Mit der Formel (2) ermitteln wir den Gesamtstrom der Verbrauchergruppe: 4100/220 = 18,64 A.

Der nächstbeste Leistungsschalter hat eine Auslöseleistung von 20 Ampere. Wir wählen es. Eine Maschine mit einem niedrigeren Wert als 16 A schaltet sich aufgrund von Überlastung dauerhaft ab.

Unterschiede in den Parametern von Stromkreisen bei Wechselstrom

Einphasennetze

Bei der Analyse der Parameter von Elektrogeräten müssen die Besonderheiten ihres Betriebs in Wechselstromkreisen berücksichtigt werden, wenn aufgrund des Einflusses der Industriefrequenz kapazitive Lasten in den Kondensatoren auftreten (sie verschieben den Stromvektor um 90). Grad vor dem Spannungsvektor) und in den Wicklungen der Spule – induktiv (der Strom liegt 90 Grad hinter der Spannung). In der Elektrotechnik nennt man sie Blindlasten... Zusammen erzeugen sie Blindleistungsverluste «Q», die keine Nutzarbeit leisten.

Bei aktiven Lasten gibt es keine Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung.

Auf diese Weise wird dem Wirkwert der Leistung eines Elektrogeräts in Wechselstromkreisen ein Blindanteil hinzugefügt, wodurch sich die Gesamtleistung erhöht, die üblicherweise als voll bezeichnet wird und durch den Index „S“ angezeigt wird.

Sinusförmiger Wechselstrom in einem einphasigen Netz

Elektrischer Strom und Frequenzspannung variieren mit der Zeit sinusförmig. Dementsprechend kommt es zu einem Machtwechsel. Ihre Parameter zu verschiedenen Zeitpunkten zu bestimmen, macht wenig Sinn. Daher werden die gesamten (integrierenden) Werte für einen bestimmten Zeitraum ausgewählt, in der Regel die Schwingungsperiode T.

Wenn Sie die Unterschiede zwischen den Parametern von Wechsel- und Gleichstromkreisen kennen, können Sie die Leistung durch Strom und Spannung im Einzelfall korrekt berechnen.

Dreiphasennetze

Im Wesentlichen bestehen sie aus drei identischen einphasigen Stromkreisen, die auf der komplexen Ebene um 120 Grad gegeneinander versetzt sind. Sie unterscheiden sich geringfügig in den Lasten in jeder Phase und verschieben den Strom gegenüber der Spannung um einen Winkel phi. Aufgrund dieser Unebenheit entsteht im Neutralleiter ein Strom I0.

Sinusförmiger Wechselstrom in einem Drehstromnetz

Die Spannung in diesem System besteht aus Phasenspannungen (220 V) und Netzspannungen (380 V).

Die Leistung eines an den Stromkreis angeschlossenen Drehstromgeräts ist die Summe der Komponenten in jeder Phase. Die Messung erfolgt mit speziellen Geräten: Wattmeter (aktive Komponente) und Varmeter (reaktive Komponente). Mit der Dreiecksformel lässt sich der Gesamtstromverbrauch eines Drehstromgeräts anhand der Wattmeter- und Varmeter-Messungen berechnen.

Es gibt auch eine indirekte Messmethode, die auf der Verwendung eines Voltmeters und eines Amperemeters mit anschließender Berechnung der erhaltenen Werte basiert.

Sie können den Gesamtstromverbrauch auch berechnen, indem Sie die Größe der Scheinleistung S kennen. Dazu reicht es aus, diese durch den Wert der Netzspannung zu dividieren.