Elektrická energie je potenciální práce, kterou může elektrický náboj vykonat v elektromagnetickém poli. Po nějakou dobu může být elektrická energie uložena v kondenzátoru, v cívce s proudem nebo dokonce v oscilačním obvodu. A nakonec lze elektrickou energii přeměnit na mechanickou nebo tepelnou energii, na energii výboje, záře atd.
Obecně, když vyslovíte frázi „elektrická energie“, můžete mít na mysli nabití kondenzátoru nebo baterie nebo můžete mít na mysli počet kilowatthodin navinutých měřičem. V každém případě se vždy bavíme o měření určitého množství již odvedené práce elektřinou, nebo té, která bude teprve vykonána. Tak či onak je elektrická energie vždy energií elektrického náboje.
Pokud je elektrický náboj v klidu (nebo se pohybuje po ekvipotenciální dráze) v elektrickém poli, pak mluvíme o potenciální energii A, která závisí na množství náboje Q (měřeno v coulombech) a na rozdílu potenciálů U v pole mezi bodem, kde se náboj nachází v počátečním okamžiku, a je bodem, vůči němuž se vypočítává energie daného náboje.
Elektrická potenciální energie souvisí s polohou náboje v elektrickém poli. Například 1 coulomb náboje (6,24 kvintilionů elektronů) při rozdílu potenciálů (napětí) 12 voltů má energii 12 joulů. To znamená, že když se všechen tento náboj za těchto podmínek přesune z bodu s potenciálem 12 voltů do bodu s potenciálem 0 voltů, elektrické pole vykoná práci A rovnou 12 J. Když se náboj pohne, mluvíme o kinetické energii nosiče náboje nebo energie elektrického proudu.
Když se náboj pohybuje pod vlivem elektrického pole z bodu s vyšším potenciálem směrem k nižšímu potenciálu, elektrické pole funguje, potenciální energie náboje klesá a přeměňuje se na energii magnetického pole pohybujícího se náboje a do kinetické energie pohybujícího se nosiče náboje.
Pokud se např. nabité částice pohybují vlivem vnějších sil (řekněme, že emf je tvořeno baterií) uvnitř wolframové spirály, pak překonávají odpor hmoty spirály, interagují s atomy wolframu, srážejí se s nimi , rozhoupejte je, zatímco se spirála zahřívá, uvolňuje se teplo a vyzařuje světlo. Nabité částice při nárazu do hmoty spirály ztrácejí svou kinetickou energii, energie částic pohybujících se vlivem vnějších sil se nyní přeměňuje na tepelnou energii vibrací krystalové mřížky spirály a na energii elektromagnetických vln světla .
Když mluvíme o elektrické energii, máme na mysli rychlost přeměny elektrické energie. Například rychlost přeměny energie elektrárny při napájení 100wattové žárovky je 100 J/s – 100 joulů energie za sekundu – tedy 100 wattů. Obvykle se pro zjištění výkonu násobí proud I a napětí U. To se děje proto, že proud I je množství náboje Q, které prošlo spotřebičem za čas t rovný jedné sekundě. Napětí – rozdíl je stejný potenciální rozdíl, který náboj překonal. Ukazuje se tedy, že výkon je W=Q*U/t=Q*U/1=I*U.
Jmenovitý výkon zdroje je obvykle omezen napětím na jeho svorkách a proudem, který je zdroj schopen poskytnout ve jmenovitém režimu. Výkon spotřebitele je míra spotřeby elektřiny při jmenovitém napětí aplikovaném na svorky spotřebitele.
Filmový pás z továrny na vzdělávací a vizuální pomůcky „Energie a síla elektrického proudu“:
Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře
Elektřina je odpradávna využívána lidmi k uspokojování svých potřeb, ale je neviditelná, nevnímaná smysly, a proto je těžko pochopitelná. Aby se zjednodušilo vysvětlení elektrických procesů, jsou často srovnávány s hydraulickými charakteristikami pohybující se tekutiny.
Například elektrická energie přichází do našeho bytu dráty ze vzdálených generátorů a voda potrubím z tlakotvorného čerpadla. Odpojený vypínač však neumožňuje svítit žárovkám a zavřený vodovodní kohoutek vodě z kohoutku téct. Abyste mohli pracovat, musíte zapnout vypínač a otevřít kohoutek.
Usměrněný tok volných elektronů přes dráty bude spěchat k vláknu žárovky (proteče elektrický proud), které začne vyzařovat světlo. Voda vycházející z kohoutku poteče do dřezu.
Tato analogie vám také umožňuje porozumět kvantitativním charakteristikám, spojit sílu proudu s rychlostí pohybu tekutiny a vyhodnotit další parametry.
Síťové napětí se porovnává s energetickým potenciálem kapalného zdroje. Například zvýšení hydraulického tlaku čerpadlem v potrubí způsobí vyšší rychlost pohybu tekutiny a zvýšení napětí (nebo rozdíl mezi potenciály fáze – příchozí drát a pracovní nula – odchozí drát ) zvýší záři žárovky a sílu jejího záření.
Odpor elektrického obvodu se porovnává s brzdnou silou hydraulického proudu. Rychlost proudění je ovlivněna:
ucpání a změny průřezu kanálu. (V případě vodovodního kohoutku poloha regulačního ventilu.)
Hodnota elektrického odporu je ovlivněna několika faktory:
struktura látky, která určuje přítomnost volných elektronů ve vodiči a ovlivňuje měrný odpor;
průřez a délka proudového vodiče;
Elektrický výkon se také porovnává s energetickými schopnostmi proudění v hydraulice a posuzuje se podle práce vykonané za jednotku času. Výkon elektrického spotřebiče je vyjádřen prostřednictvím odebíraného proudu a dodávaného napětí (u střídavých a stejnosměrných obvodů).
Všechny tyto charakteristiky elektřiny zkoumali slavní vědci, kteří definovali proud, napětí, výkon, odpor a popsali vzájemné souvislosti mezi nimi pomocí matematických metod.
Níže uvedená tabulka ukazuje obecné vztahy pro stejnosměrné a střídavé obvody, které lze použít k analýze činnosti konkrétních obvodů.
Podívejme se na pár příkladů jejich použití.
Příklad č. 1. Jak vypočítat odpor a výkon
Řekněme, že potřebujete vybrat odpor omezující proud pro napájení osvětlovacího obvodu. Známe napájecí napětí palubní sítě „U“ rovné 24 voltům a proudový odběr „I“ 0,5 ampéru, který nelze překročit. Pomocí výrazu (9) Ohmova zákona vypočteme odpor „R“. R=24/0,5=48 Ohm.
Na první pohled je určena hodnota odporu. To však nestačí. Pro spolehlivý provoz sema je nutné provést výpočet výkonu na základě aktuální spotřeby.
Podle Joule-Lenzova zákona je činný výkon „P“ přímo úměrný proudu „I“ procházejícímu vodičem a použitému napětí „U“. Tento vztah je popsán vzorcem (11) v tabulce níže.
Počítáme: P=24×0,5=12 W.
Stejnou hodnotu dostaneme, pokud použijeme vzorce (10) nebo (12).
Výpočet výkonu rezistoru na základě jeho proudové spotřeby ukazuje, že ve zvoleném obvodu je nutné použít odpor 48 Ohmů a 12 W. Rezistor s nižším výkonem nevydrží aplikované zatížení, časem se zahřeje a vyhoří.
Tento příklad ukazuje závislost toho, jak zátěžový proud a síťové napětí ovlivňují výkon spotřebiče.
Příklad č. 2. Jak vypočítat proud
Pro skupinu zásuvek určených k napájení domácích elektrospotřebičů v kuchyni je nutné zvolit ochranný jistič. Výkon zařízení podle pasových údajů je 2,0, 1,5 a 0,6 kW.
Řešení. Byt využívá jednofázovou střídavou síť 220 voltů. Celkový výkon všech současně připojených zařízení bude 2,0 + 1,5 + 0,6 = 4,1 kW = 4100 W.
Pomocí vzorce (2) určíme celkový proud skupiny spotřebičů: 4100/220 = 18,64 A.
Nejbližší jmenovitý jistič má vypínací hodnotu 20 ampér. Volíme ho. Jistič s menší hodnotou 16 A bude neustále vypínat z důvodu přetížení.
Rozdíly v parametrech střídavého elektrického obvodu
Při analýze parametrů elektrických spotřebičů je třeba vzít v úvahu zvláštnosti jejich provozu v obvodech střídavého proudu, kdy vlivem průmyslové frekvence vznikají kapacitní zátěže na kondenzátorech (posouvají proudový vektor o 90 stupňů dopředu od vektor napětí) a na vinutích cívek se objeví indukční zátěže (proud zaostává o 90 stupňů za napětím). V elektrotechnice se nazývají reaktivní zátěže. Společně vytvářejí ztráty jalového výkonu „Q“, které nevykonávají užitečnou práci.
Na aktivních zátěžích nedochází k žádnému fázovému posunu mezi proudem a napětím.
K činnému výkonu elektrického spotřebiče v obvodech střídavého proudu se tedy přidává jalová složka, díky čemuž se zvyšuje celkový výkon, který se obvykle nazývá celkový výkon a označuje se indexem „S“.
Střídavý sinusový proud v jednofázové síti
Elektrický proud a průmyslové frekvenční napětí se v čase mění podle sinusového zákona. Podle toho se mění síla. Určovat jejich parametry v různých okamžitých okamžicích nedává moc smysl. Proto jsou celkové (integrační) hodnoty vybrány pro určité časové období, obvykle periodu oscilace T.
Znalost rozdílů mezi parametry obvodu pro střídavý a stejnosměrný proud vám umožňuje správně vypočítat výkon přes proud a napětí v každém konkrétním případě.
V principu se skládají ze tří stejných jednofázových obvodů, posunutých vůči sobě v komplexní rovině o 120 stupňů. Mírně se liší v zátěžích v každé fázi, které posouvají proud od napětí o úhel phi. Vlivem této nerovnoměrnosti vzniká v nulovém vodiči proud I0.
Napětí v tomto systému se skládá z fázového (220 V) a lineárního (380 V) napětí.
Výkon třífázového proudového zařízení připojeného k obvodu je součtem součástek v každé fázi. Měří se pomocí speciálních přístrojů: wattmetrů (aktivní složka) a varmetrů (reaktivní složka). Celkový příkon zařízení na třífázový proud lze vypočítat na základě měření wattmetru a varmetru pomocí trojúhelníkového vzorce.
Existuje i metoda nepřímého měření založená na použití voltmetru a ampérmetru s následnými výpočty získaných hodnot.
Můžete také vypočítat celkovou spotřebu proudu, když znáte hodnotu celkového výkonu S. K tomu stačí vydělit ji hodnotou síťového napětí.
Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře
Pokud se vám tento článek líbil, sdílejte odkaz na něj na sociálních sítích. Velmi to pomůže rozvoji našeho webu!
