Was sind Spannung, Strom und Widerstand: wie werden sie in der Praxis verwendet?

In der Elektrotechnik werden die Begriffe „Strom“, „Spannung“ und „Widerstand“ zur Beschreibung der in elektrischen Stromkreisen ablaufenden Vorgänge verwendet. Jeder von ihnen hat seinen eigenen Zweck mit spezifischen Eigenschaften.

Elektrizität

Das Wort wird verwendet, um die Bewegung geladener Teilchen (Elektronen, Löcher, Kationen und Anionen) durch ein bestimmtes Medium einer Substanz zu charakterisieren. Die Richtung und Anzahl der Ladungsträger bestimmt die Art und Stärke des Stroms.

Die Haupteigenschaften des Stroms beeinflussen seine praktische Anwendung

Voraussetzung für den Ladungsfluss ist das Vorhandensein eines Stromkreises oder anders gesagt eines geschlossenen Kreislaufs, der Bedingungen für ihre Bewegung schafft. Wenn sich im Inneren der sich bewegenden Partikel ein Hohlraum bildet, stoppt ihre gerichtete Bewegung sofort.

Alle in der Elektrizitätswirtschaft verwendeten Schalter und Schutzvorrichtungen funktionieren nach diesem Prinzip.Sie erzeugen eine Trennung zwischen den beweglichen Kontakten der leitenden Teile und unterbrechen dadurch den Stromfluss, wodurch das Gerät abgeschaltet wird.

Im Energiebereich ist die gebräuchlichste Methode die Erzeugung eines elektrischen Stroms durch die Bewegung von Elektronen in Metallen in Form von Drähten, Reifen oder anderen leitenden Teilen.

Zusätzlich zu dieser Methode wird auch die Erstellung von Strom im Inneren verwendet:

1. Gase und elektrolytische Flüssigkeiten aufgrund der Bewegung von Elektronen oder Kationen und Anionen – Ionen mit positiven und negativen Ladungszeichen;

2. eine Umgebung aus Vakuum, Luft und Gasen, die der Bewegung von Elektronen ausgesetzt ist, die durch das Phänomen der thermionischen Strahlung verursacht wird;

3. Halbleitermaterialien aufgrund der Bewegung von Elektronen und Löchern.

Ein Stromschlag kann auftreten, wenn:

• Anlegen einer externen elektrischen Potentialdifferenz an geladene Teilchen;

• Heizdrähte, die derzeit keine Supraleiter sind;

• der Verlauf chemischer Reaktionen im Zusammenhang mit der Freisetzung neuer Stoffe;

• die Wirkung eines an den Draht angelegten Magnetfeldes.

Die Wellenform des elektrischen Stroms kann sein:

1. eine Konstante in Form einer geraden Linie auf der Zeitachse;

2. eine variable sinusförmige Harmonische, die durch die grundlegenden trigonometrischen Beziehungen gut beschrieben wird;

3. Mäander, der in etwa einer Sinuswelle ähnelt, jedoch scharfe, ausgeprägte Winkel aufweist, die in manchen Fällen gut geglättet werden können;

4. pulsierend, wenn die Richtung unverändert bleibt und die Amplitude nach einem genau definierten Gesetz periodisch von Null bis zum Maximalwert schwankt.

Elektrischer Strom kann für eine Person nützlich sein, wenn:

• in Lichtstrahlung umgewandelt;

• erzeugt eine Erwärmung der Thermoelemente;

• verrichtet mechanische Arbeit durch die Anziehung oder Abstoßung beweglicher Anker oder die Drehung von Rotoren mit lagerfesten Antrieben;

• erzeugt in einigen anderen Fällen elektromagnetische Strahlung.

Wenn elektrischer Strom durch Leitungen fließt, können Schäden verursacht werden durch:

• übermäßige Erwärmung stromführender Schaltkreise und Kontakte;

• Ausbildung Wirbelströme in den Magnetkreisen elektrischer Maschinen;

• Strahlung von Elektrizität Elektromagnetische Wellen in der Umwelt und einige ähnliche Phänomene.

Designer elektrischer Geräte und Entwickler verschiedener Schaltkreise berücksichtigen die aufgeführten Möglichkeiten des elektrischen Stroms in ihren Geräten. Beispielsweise werden die schädlichen Auswirkungen von Wirbelströmen in Transformatoren, Motoren und Generatoren durch die Vermischung der zur Übertragung magnetischer Flüsse verwendeten Kerne gemildert. Gleichzeitig wird der Wirbelstrom erfolgreich zur Erwärmung des Mediums in Elektroöfen und Mikrowellenöfen eingesetzt, die nach dem Induktionsprinzip arbeiten.

Ein elektrischer Wechselstrom mit sinusförmiger Wellenform kann pro Zeiteinheit – einer Sekunde – eine unterschiedliche Schwingungsfrequenz haben. Die industrielle Frequenz elektrischer Anlagen ist in verschiedenen Ländern mit den Zahlen 50 oder 60 Hertz genormt. Für andere Zwecke der Elektrotechnik und des Funkwesens werden Signale verwendet:

• niederfrequent, mit niedrigeren Werten;

• Hochfrequenz, die den Bereich industrieller Geräte deutlich übertrifft.

Es ist allgemein anerkannt, dass ein elektrischer Strom durch die Bewegung geladener Teilchen in einem bestimmten makroskopischen Medium entsteht und als Leitungsstrom bezeichnet wird... Allerdings kann eine andere Art von Strom namens Konvektion auftreten, wenn sich makroskopisch geladene Körper bewegen, beispielsweise Regentropfen .

Wie elektrischer Strom in Metallen entsteht

Die Bewegung von Elektronen unter dem Einfluss einer konstanten Kraft, die auf sie ausgeübt wird, kann mit dem Abstieg eines Fallschirmspringers mit offenem Baldachin verglichen werden. In beiden Fällen entsteht eine gleichmäßig beschleunigte Bewegung.

Der Fallschirmspringer bewegt sich aufgrund der Schwerkraft in Richtung Boden, dem die Kraft des Luftwiderstands entgegenwirkt. Elektronen werden durch die auf sie ausgeübte Kraft beeinflusst elektrisches Feld, und seine Bewegung wird durch ständige Kollisionen mit anderen Teilchen – Ionen von Kristallgittern – behindert, wodurch ein Teil der Wirkung der ausgeübten Kraft ausgelöscht wird.

In beiden Fällen erreichen die Durchschnittsgeschwindigkeit des Fallschirmspringers und die Elektronenbewegung einen konstanten Wert.

Dadurch entsteht eine ziemlich einzigartige Situation, in der die Geschwindigkeit:

• die Eigenbewegung eines Elektrons wird durch einen Wert in der Größenordnung von 0,1 Millimeter pro Sekunde bestimmt;

• Der Stromfluss entspricht einem viel höheren Wert – der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Lichtwellen: etwa 300.000 Kilometer pro Sekunde.

Daher, Fluss von elektrischem Strom entsteht, wenn an die Elektronen eine Spannung angelegt wird und sie sich dadurch im leitenden Medium mit Lichtgeschwindigkeit zu bewegen beginnen.

Wenn sich Elektronen im Kristallgitter eines Metalls bewegen, entsteht eine weitere interessante Regelmäßigkeit: Es kollidiert mit etwa jedem zehnten Gegenion.Das heißt, es vermeidet erfolgreich etwa 90 % der Ionenkollisionen.

Dieses Phänomen kann nicht nur durch die Gesetze der grundlegenden klassischen Physik erklärt werden, wie sie von den meisten Menschen allgemein verstanden werden, sondern auch durch die zusätzlichen Wirkgesetze, die in der Theorie der Quantenmechanik beschrieben werden.

Wenn wir ihre Wirkung kurz ausdrücken, können wir uns vorstellen, dass die Bewegung von Elektronen im Inneren von Metallen durch schwere „schwingende“ große Ionen behindert wird, die zusätzlichen Widerstand bieten.

Dieser Effekt macht sich besonders beim Erhitzen von Metallen bemerkbar, wenn der „Schwung“ schwerer Ionen zunimmt und die elektrische Leitfähigkeit der Kristallgitter der Drähte verringert.

Wenn Metalle erhitzt werden, erhöht sich daher immer ihr elektrischer Widerstand, und wenn sie abgekühlt werden, erhöht sich ihre Leitfähigkeit. Wenn die Temperatur des Metalls auf kritische Werte nahe dem absoluten Nullpunkt sinkt, tritt in vielen von ihnen das Phänomen der Supraleitung auf.

Elektrischer Strom kann je nach Wert unterschiedliche Dinge bewirken. Zur quantitativen Beurteilung seiner Leistungsfähigkeit wird ein Wert namens Stromstärke herangezogen. Seine Größe im internationalen Messsystem beträgt 1 Ampere. Zur Angabe der Stromstärke wird in der Fachliteratur der Index „I“ übernommen.

Stromspannung

Dieser Begriff wird als Merkmal einer physikalischen Größe verwendet, die die Arbeit ausdrückt, die für die Übertragung einer elektrischen Ladung einer Testeinheit von einem Punkt zu einem anderen aufgewendet wird, ohne dass sich die Art der Platzierung der verbleibenden Ladungen auf den aktiven Feldquellen ändert.

Da der Start- und der Endpunkt unterschiedliche Energiepotentiale haben, entspricht die zum Bewegen der Ladung oder Spannung aufgewendete Arbeit dem Verhältnis der Differenz zwischen diesen Potentialen.

Zur Berechnung der Spannung in Abhängigkeit der fließenden Ströme werden unterschiedliche Begriffe und Methoden verwendet. Kann nicht sein:

1. konstant – in elektrostatischen und Konstantstromkreisen;

2. Wechselstrom – in Stromkreisen mit Wechsel- und Sinusstrom.

Für den zweiten Fall werden solche zusätzlichen Merkmale und Belastungsarten verwendet wie:

• Amplitude – die größte Abweichung von der Nullposition der Abszissenachse;

• Momentanwert, der zu einem bestimmten Zeitpunkt ausgedrückt wird;

• effektiver, effektiver oder, anders genannter, quadratischer Mittelwert, bestimmt durch die aktive Arbeit, die für eine Halbperiode geleistet wird;

• gleichgerichteter Mittelwert, berechnet modulo des gleichgerichteten Werts einer harmonischen Periode.

Zur quantitativen Beurteilung der Spannung wurde die internationale Einheit 1 Volt eingeführt und das Symbol „U“ zu ihrer Bezeichnung.

Beim Transport elektrischer Energie über Freileitungen richten sich die Gestaltung der Stützen und deren Abmessungen nach der Höhe der verwendeten Spannung. Sein Wert zwischen den Leitern der Phasen wird als linear und relativ zu jedem Leiter und jeder Erdphase bezeichnet.

Diese Regel gilt für alle Arten von Fluggesellschaften.

In den häuslichen Stromnetzen unseres Landes gilt als Standard eine dreiphasige Spannung von 380/220 Volt.

Elektrischer Wiederstand

Der Begriff wird verwendet, um die Eigenschaft eines Stoffes zu charakterisieren, den Durchgang eines elektrischen Stroms durch ihn abzuschwächen.Dabei können unterschiedliche Umgebungen gewählt, die Temperatur des Stoffes oder seine Abmessungen verändert werden.

In Gleichstromkreisen leistet der Widerstand aktive Arbeit, weshalb er aktiv genannt wird. Für jeden Abschnitt ist sie direkt proportional zur angelegten Spannung und umgekehrt proportional zum fließenden Strom.

Die folgenden Konzepte werden in Wechselstromsystemen eingeführt:

• Impedanz;

• Wellenwiderstand.

Die elektrische Impedanz wird auch komplexe oder Komponentenimpedanz genannt:

• aktiv;

• reaktiv.

Reaktivität wiederum kann sein:

• kapazitiv;

• induktiv.

Die Zusammenhänge zwischen den Impedanzkomponenten des Widerstandsdreiecks werden beschrieben.

Bei einer elektrodynamischen Berechnung wird die Wellenimpedanz einer Stromleitung durch das Verhältnis der Spannung der einfallenden Welle zum Wert des entlang der Wellenleitung fließenden Stroms bestimmt.

Der Widerstandswert wird als internationale Maßeinheit von 1 Ohm angenommen.

Das Verhältnis von Strom, Spannung, Widerstand

Ein klassisches Beispiel für die Darstellung der Beziehung zwischen diesen Eigenschaften ist ein Vergleich mit einem hydraulischen Kreislauf, bei dem die Bewegungskraft des Lebensflusses (analog die Größe des Stroms) vom Wert der auf den Kolben ausgeübten (erzeugten) Kraft abhängt Spannung) und dem Charakter der Fließlinien aus Verengungen (Widerstand).

Die mathematischen Gesetze, die den Zusammenhang von elektrischem Widerstand, Strom und Spannung beschreiben, wurden erstmals von Georg Ohm veröffentlicht und patentiert. Er leitete die Gesetze für den gesamten Stromkreis und seinen Abschnitt ab. Weitere Einzelheiten finden Sie hier: Anwendung des Ohmschen Gesetzes in der Praxis

Amperemeter, Voltmeter und Ohmmeter werden zur Messung der grundlegenden elektrischen Stromgrößen verwendet.

Ein Amperemeter misst den durch den Stromkreis fließenden Strom. Da er sich im gesamten geschlossenen Bereich nicht ändert, wird das Amperemeter irgendwo zwischen der Spannungsquelle und dem Benutzer platziert, wodurch ein Ladungsdurchgang durch den Messkopf des Geräts entsteht.

Mit einem Voltmeter wird die Spannung an den an die Stromquelle angeschlossenen Anschlüssen des Benutzers gemessen.

Widerstandsmessungen mit einem Ohmmeter können nur bei ausgeschaltetem Benutzer durchgeführt werden. Dies liegt daran, dass das Ohmmeter eine kalibrierte Spannung ausgibt und den durch den Prüfkopf fließenden Strom misst, der durch Division der Spannung durch den Stromwert in Ohm umgewandelt wird.

Jeder Anschluss einer externen Kleinspannung während der Messung führt zu zusätzlichen Strömen und verfälscht das Ergebnis. Wenn man bedenkt, dass die internen Schaltkreise des Ohmmeters eine geringe Leistung haben, fällt das Gerät bei fehlerhaften Widerstandsmessungen beim Anlegen einer externen Spannung häufig aus, weil sein interner Schaltkreis durchbrennt.

Die Kenntnis der grundlegenden Eigenschaften von Strom, Spannung, Widerstand und der Beziehungen zwischen ihnen ermöglicht es Elektrikern, ihre Arbeit erfolgreich auszuführen und elektrische Anlagen zuverlässig zu betreiben. Fehler, die gemacht werden, enden sehr oft in Unfällen und Verletzungen.