Основні поняття в електриці
Провідники - речовини, в яких при появі електричного поля виникає електричний струм. Вони мають невелику питомим опором і практично без втрат проводять електричний струм. Провідниками є - метали і їх сплави, кислоти і луги (електроліти).
Найкраще проводять струм - срібло, мідь, золото і алюміній. Через високу вартість срібло і золото застосовується тільки у високотехнологічних електронних схемах. Мідь і алюміній отримали велике поширення в якості провідників. Мідь найбільш часто зустрічається провідник, має велику стійкість до окислення, важче ламається і поступово витісняє алюміній. Алюміній в основному використовується в старій проводці.
Діелектрики - матеріали, які володіють великим питомим опором до електричного струму.
Діелектриками є - пластмаса, гума, папір, дерево, камінь, скло, текстоліт, кераміка, фарфор.
опір
Резистор - елемент електричного кола, що володіє опором на шляху проходження електричного струму.
Ом - одиниця вимірювання опору. Резистор реагує на прикладається до нього напруга. Чим більше зовнішня поверхня резистора, тим більшу потужність він може поглинути.
Провід або резистор, який не може розсіяти потрібну потужність, сильно нагрівається, його опір різко зростає і в підсумку він перегорає. Тому на резисторах вказують і інший параметр - рассеиваемую потужність (0,125, 0,25, 0,5, 1, 2,5 і більше ват).
Опір провідника залежить від матеріалу, довжини і перетину провідника. При нагріванні провідника опір його збільшується. Чим довше провідник, тим більше його опір, але чим менше перетин провідника, тим менше його опір.
Електрична напруга
Різниця потенціалів джерела електричного струму називається електричною напругою. Електрична напруга вимірюється в вольтах (В). Вимірюється вольтметром, який підключається паралельно навантаженню або полюсів джерела живлення.
Напруга між лінійним і нульовим проводом називається фазна напруга і дорівнює 220 Вольт (Uф). Напруга між двома лінійними проводами називається лінійна напруга і дорівнює 380 Вольт (Uл).
У звичайній мережі лінійна напруга 380В, а фазное 220В. Зустрічаються ще й старі мережі, в яких лінійне напруга 220В, а фазное 127В.
Змінний електричний струм
Електричний струм - направлений рух електронів від одного полюса замкнутому електричному ланцюзі до іншого. Вони рухаються від негативного полюса до позитивного. Струм йде в напрямку, протилежному руху електронів - від «+» до «-«, від джерела струму до споживача.
Електричний струм вимірюється в амперах (А). Вимірюється амперметром, який включається в розрив ланцюга в тому місці, де потрібно виміряти струм. Струм при роботі нагріває дроти, виникає електричне поле. Чим більше струм, тим товщі дроти.
Змінний струм змінюється з частотою 50 періодів, частота 50 Гц.
Змінний струм з частотою 50 Гц 50 раз в секунду змінює свій напрямок і величину ( «+» і «-» змінюються 50 раз в секунду) і змінюється за синусоїдальним законом.
При змінному струмі електрони змінюють напрям руху, повний цикл зміни полярності джерела живлення називають коливанням.
Період - проміжок часу, протягом якого струм робить одне повне коливання.
Частота - величина, зворотна періоду, число періодів в секунду, вимірюється в герцах (Гц).
Струм і напруга в навантаженні збільшуються і зменшуються, а різниця між мінімальним і максимальним його значенням називається амплітудою.
Три однакових по частоті і амплітуді змінних струму, зсунутих по фазі один відносно одного на 120 градусів або на одну третину періоду, утворюють трифазну систему.
Кожна окрема ланцюг трифазної системи скорочено називається фазою.
Для того, щоб струм протікав в замкнутому електричному ланцюзі, необхідне джерело електрорушійної сили, який виробляє електричну енергію.
Постійний електричний струм
У джерелах постійного струму (батарейках, акумуляторах), сила струму, напруга, не змінюють свого напряму. Якщо замкнуте електричне коло складається з батарейки і резистора, то батарейка - джерело електричної енергії, резистор - приймач електричної енергії, для з'єднання цих елементів є з'єднувальні дроти.
Основний закон в електриці - сила струму на ділянці ланцюга прямо пропорційна напрузі і обернено пропорційна опору ділянки кола.
Формули закону Ома: I = U / R, R = U / I, U = I * R
При збільшенні напруги збільшується струм при одному і тому ж опорі. Чим більше опір, тим менше струм при одному і тому ж
напрузі.
закони Кірхгофа
Перший закон Кірхгофа
Сума струмів входять в вузол, дорівнює сумі струмів, що виходять з вузла.
Точка, де сходиться кілька провідників називається вузлом. У будь-якому вузлі електричного кола алгебраїчна сума струмів дорівнює нулю.
де m - число гілок підключених до вузла.
Другий закон Кірхгофа
У будь-якому замкнутому контурі електричного кола алгебраїчна сума ЕРС дорівнює сумі алгебри падінь напруг на всіх його ділянках.
де n - число джерел ЕРС в контурі;
m - число елементів з опором Rк в контурі;
Uк = Rк Ік - напруга або падіння напруги на к-м елементі контуру.
з'єднання провідників
Послідовне з'єднання двох провідників
Формули для послідовного з'єднання двох провідників:
Iобщ = I1 = I2
Uобщ = U1 + U2
Rобщ = R1 + R2
Приклад розрахунку схеми послідовного з'єднання провідників
Відомо Uобщ = 1В, R1 = R2 = 1 Ом, необхідно знайти U1 і U2.
Спочатку треба знайти Rобщ, яке обчислюється за формулою: Rобщ = R1 + R2 = 1 + 1 = 2Ом
Згідно із законом Ома можна знайти Iобщ, який дорівнює I1 і I2 і обчислюється за формулою: Iобщ = Uобщ / Rобщ = 1/2 = 0,5 А
Тепер згідно із законом Ома можна знайти U1, яке обчислюється за формулою: U1 = R1 * Iобщ = 1 * 0,5 = 0,5 В
Також згідно із законом Ома можна знайти U2, яке обчислюється за формулою: U2 = R2 * Iобщ = 1 * 0,5 = 0,5 В
Паралельне з'єднання провідників
Формули для паралельного з'єднання двох провідників:
Iобщ = I1 + I2
Uобщ = U1 = U2
Rобщ = 1 / R1 + 1 / R2 = (R1 * R2) / (R1 + R2)
Приклад розрахунку схеми паралельного з'єднання провідників
Відомо Uобщ = 1В, R1 = R2 = 1 Ом, необхідно знайти Iобщ.
Спочатку треба знайти Rобщ, яке обчислюється за формулою: Rобщ = 1 / R1 + 1 / R2 = (R1 * R2) / (R1 + R2) = (1 * 1) / (1 + 1) = 1/2 = 0, 5Ом
Згідно із законом Ома можна знайти Iобщ, який обчислюється за формулою Iобщ = Uобщ / Rобщ = 1 / 0,5 = 2А
Співвідношення струмів і напруг в трифазних ланцюгах
При з'єднанні зіркою:
Iл = Iф, Uл = √3 * Uф
При з'єднанні трикутником:
Iл = √3 * Iф, Uл = Uф
Аварійні і ненормальні режими роботи електричної мережі
Коротке замикання - якщо замкнути два дроти, що підводять струм до електричного приладу (фазу і нейтраль), то струм різко зросте в 10 разів і більше, електропроводка може спалахнути. Для уникнення цього автоматичний вимикач повинен відключити напругу в мережі.
Перевантаження - сила струму перевищує норму для електропроводки через тривалу час. Для уникнення цього автоматичний вимикач також повинен відключити напругу.
Відхилення напруги - в паспорті електричного приладу зазначено номінальну напругу, яке забезпечує його нормальну роботу. При збільшенні і зниженні напруги порушується нормальна робота електроприладу і зменшується його термін служби, при значному відхиленні можливий вихід приладу з ладу. У цьому випадку може допомогти стабілізатор напруги.
Стрибки напруги - короткочасне значне збільшення напруги. Така напруга може вивести з ладу домашні електроприлади, в яких багато електроніки: комп'ютери, телевізори і т.д. Може виникнути при ударі блискавки в електричні дроти або в безпосередній близькості від них, також при включенні і відключенні потужних електроприладів, порушеннях при проведенні зварювальних робіт (в місті рідко, в сільській місцевості частіше).
Перекіс напруги - одні електроприлади виявляються під підвищеним напругою, інші під зниженим. Такий режим виникає в результаті несправності в трифазній мережі, коли напруги на фазах мають різну величину.
Електрична потужність
Енергію, витрачену навантаженням, називають електричною потужністю. вимірюється у ВАТ. 1000 ват дорівнює 1 кіловат (кВт).
Споживачі можуть підключатися послідовно або паралельно, сумарна потужність все одно буде дорівнює сумі споживаних потужностей кожним споживачем.
S - повна потужність (здається), містить активну і реактивну складові, споживається від джерела електроенергії, вимірюється в вольт-амперах (ВА), ця величина вказується на табличках приладів змінного струму.
P - активна потужність (ефективна), пов'язана з тією електричною енергією, яка може бути перетворена в інші види енергії - теплову, світлову, механічну та ін. Вимірюється в ватах (Вт), являє собою корисну потужність, яку можна використовувати для виконання роботи.
P = IUcosф - для однофазної ланцюга, P = √3IUcosф - для трифазного ланцюга, P = U * I - в ланцюзі, де є тільки активний опір.
Q - реактивна потужність. пов'язана з обміном електричною енергією між джерелом і споживачем, вимірюється в вольт-амперах реактивних (вар), коли середнє значення потужності за період дорівнює нулю, активна потужність дорівнює нулю, енергія накопичена магнітним полем індуктивності, повертається назад до джерела, струм у ланцюзі не робить роботи, реактивний струм марно завантажує джерела енергії й проведення лінії передач. Джерелами реактивної енергії можуть бути елементи, що володіють індуктивністю - електродвигуни, трансформатори. Для того, щоб зменшити реактивну потужність на затискачах споживачів підключають конденсатори (послідовно або паралельно).
Q = IUsinф - для однофазної ланцюга, Q = √3IUsinф - для трифазного ланцюга.
Споживання електроенергії вимірюється в кіловат-годинах (кВт-ч).
Кількість спожитої електроенергії дорівнює добутку потужності електроприладу на час його роботи.
Зрушення по фазі між струмом і напругою позначається кутом φ. Коефіцієнт потужності - величина, що дорівнює відношенню активної потужності до повної, величина cosф рівна кутку зсуву фаз між напругою і струмом, чим він вищий, тим краще. Треба намагатися зробити навантаження такий, щоб cosф був близький до одиниці (на практиці 0,85 - 0,9, подальше підвищення до 1 економічно не виправдується).