Mis on pinge, vool ja takistus: kuidas neid praktikas kasutatakse

Elektrotehnikas kasutatakse elektriahelates toimuvate protsesside kirjeldamiseks mõisteid "vool", "pinge" ja "takistus". Igal neist on oma eesmärk ja spetsiifilised omadused.

Elekter

Seda sõna kasutatakse laetud osakeste (elektronid, augud, katioonid ja anioonid) liikumise iseloomustamiseks aine teatud keskkonnas. Laengukandjate suund ja arv määrab voolu tüübi ja tugevuse.

Voolu peamised omadused mõjutavad selle praktilist rakendamist

Laengute voolamise eelduseks on vooluringi või teisisõnu suletud ahela olemasolu, mis loob tingimused nende liikumiseks. Kui liikuvate osakeste sisse tekib tühimik, peatub nende suunaline liikumine koheselt.

Sellel põhimõttel töötavad kõik elektris kasutatavad lülitid ja kaitsed.Need eraldavad juhtivate osade liikuvad kontaktid ja katkestavad selle toimingu kaudu elektrivoolu voolu, lülitades seadme välja.

Energeetikas on kõige levinum meetod elektrivoolu tekitamine, mis on tingitud elektronide liikumisest metallide sees, mis on valmistatud juhtmete, rehvide või muude juhtivate osade kujul.

Lisaks sellele meetodile kasutatakse ka sisevoolu loomist:

1. elektronide või katioonide ja anioonide liikumisest tingitud gaasid ja elektrolüütilised vedelikud — positiivse ja negatiivse laengumärgiga ioonid;

2. vaakumist, õhust ja gaasidest koosnev keskkond, mis on allutatud termokiirguse nähtusest põhjustatud elektronide liikumisele;

3. elektronide ja aukude liikumisest tingitud pooljuhtmaterjalid.

Elektrilöök võib tekkida, kui:

• välise elektripotentsiaalide erinevuse rakendamine laetud osakestele;

• küttejuhtmed, mis ei ole praegu ülijuhid;

• uute ainete vabanemisega seotud keemiliste reaktsioonide kulg;

• juhtmele rakendatud magnetvälja mõju.

Elektrivoolu lainekuju võib olla:

1. konstant sirgjoone kujul ajateljel;

2. muutuv sinusoidne harmooniline, mida kirjeldavad trigonomeetrilised põhiseosed;

3. meander, umbkaudu siinuslainet meenutav, kuid teravate, väljendunud nurkadega, mida saab mõnel juhul hästi siluda;

4. pulseeriv, kui suund jääb muutumatuks samaks ja amplituud kõigub perioodiliselt nullist maksimumväärtuseni vastavalt täpselt määratletud seadusele.

Elektrivool võib olla inimesele kasulik, kui:

• muundatakse valguskiirguseks;

• loob termoelementide kuumutamise;

• teeb mehaanilisi töid, mis on tingitud liikuvate armatuuride tõmbamisest või tõrjumisest või laagritesse kinnitatud ajamiga rootorite pöörlemisest;

• tekitab mõnel muul juhul elektromagnetkiirgust.

Kui elektrivool läbib juhtmeid, võib kahjustusi põhjustada:

• voolu kandvate ahelate ja kontaktide liigne kuumenemine;

• haridust pöörisvoolud elektrimasinate magnetahelates;

• elektri kiirgus elektromagnetlained keskkonnas ja mõned sarnased nähtused.

Elektriseadmete projekteerijad ja erinevate vooluahelate arendajad arvestavad loetletud elektrivoolu võimalustega oma seadmetes. Näiteks leevendatakse pöörisvoolude kahjulikke mõjusid trafodes, mootorites ja generaatorites magnetvoogude edastamiseks kasutatavate südamike segamisega. Samal ajal kasutatakse pöörisvoolu edukalt keskkonna soojendamiseks induktsioonpõhimõttel töötavates elektriahjudes ja mikrolaineahjudes.

Sinusoidse lainekujuga vahelduvvoolul võib olla erinev võnkesagedus ajaühikus — sekundis. Elektripaigaldiste tööstuslik sagedus erinevates riikides on standarditud numbritega 50 või 60 hertsi. Muudel elektrotehnika ja raadioäri eesmärkidel kasutatakse signaale:

• madala sagedusega, madalamate väärtustega;

• kõrgsagedus, ületades oluliselt tööstusseadmete ulatust.

On üldtunnustatud seisukoht, et elektrivool tekib laetud osakeste liikumisel teatud makroskoopilises keskkonnas ja seda nimetatakse juhtivusvooluks... Makroskoopiliselt laetud kehade, näiteks vihmapiiskade liikumisel võib aga tekkida teist tüüpi vool, mida nimetatakse konvektsiooniks. .

Kuidas metallides tekib elektrivool

Elektronide liikumist neile rakendatava konstantse jõu mõjul võib võrrelda avatud varikatusega langevarjuri laskumisega. Mõlemal juhul saadakse ühtlaselt kiirendatud liikumine.

Langevarjuhüppaja liigub gravitatsiooni toimel maa poole, millele on vastu õhutakistusjõud. Elektrone mõjutab neile rakendatav jõud elektriväli, ja selle liikumist takistavad pidevad kokkupõrked teiste osakestega — kristallvõre ioonidega, mille tõttu osa rakendatud jõu mõjust kustub.

Mõlemal juhul saavutab langevarjuri ja elektronide liikumise keskmine kiirus konstantse väärtuse.

See loob üsna ainulaadse olukorra, kus kiirus:

• elektroni õige liikumise määrab väärtus suurusjärgus 0,1 millimeetrit sekundis;

• elektrivoolu vool vastab palju suuremale väärtusele — valguslainete levimiskiirusele: umbes 300 tuhat kilomeetrit sekundis.

Seega elektrivoolu vool tekib seal, kus elektronidele rakendatakse pinget ja selle tulemusena hakkavad nad juhtivas keskkonnas valguse kiirusel liikuma.

Kui elektronid liiguvad metalli kristallvõres, tekib veel üks huvitav seaduspärasus: see põrkab kokku umbes iga kümnenda vastasiooniga.See tähendab, et see väldib edukalt umbes 90% ioonide kokkupõrkest.

Seda nähtust ei saa seletada mitte ainult fundamentaalse klassikalise füüsika seadustega, nagu enamik inimesi tavaliselt mõistavad, vaid ka täiendavate toimimisseadustega, mida kirjeldab kvantmehaanika teooria.

Kui nende tegevust lühidalt väljendada, siis võib ette kujutada, et elektronide liikumist metallide sees takistavad rasked «kõikuvad» suured ioonid, mis annavad lisatakistust.

See efekt on eriti märgatav metallide kuumutamisel, kui raskete ioonide "kiik" suureneb ja vähendab juhtmete kristallvõre elektrijuhtivust.

Seetõttu suureneb metallide kuumutamisel nende elektritakistus alati ja jahutamisel nende juhtivus suureneb. Kui metalli temperatuur langeb absoluutse nulli lähedale kriitilistele väärtustele, ilmneb paljudes neist ülijuhtivuse nähtus.

Elektrivool, olenevalt selle väärtusest, on võimeline tegema erinevaid asju. Selle võimekuse kvantitatiivseks hindamiseks võetakse väärtus, mida nimetatakse voolutugevuseks. Selle suurus rahvusvahelises mõõtesüsteemis on 1 amper Voolutugevuse näitamiseks tehnilises kirjanduses kasutatakse indeksit «I».

Pinge

Seda terminit kasutatakse füüsikalise suuruse tunnusena, mis väljendab katseüksuse elektrilaengu ühest punktist teise ülekandmisel kulutatud tööd, muutmata seejuures ülejäänud laengute paiknemise olemust aktiivsetele väljaallikatele.

Kuna algus- ja lõpp-punktid on erineva energiapotentsiaaliga, on laengu ehk pinge liigutamiseks tehtav töö võrdne nende potentsiaalide vahe suhtega.

Sõltuvalt voolavatest vooludest kasutatakse pinge arvutamiseks erinevaid termineid ja meetodeid. Ei saa olla:

1. konstantne — elektrostaatilises ja püsivooluahelas;

2. vahelduv — vahelduv- ja siinusvooluga ahelates.

Teisel juhul kasutatakse selliseid täiendavaid omadusi ja pingeliike:

• amplituud — suurim kõrvalekalle abstsisstelje nullasendist;

• hetkväärtus, mida väljendatakse teatud ajahetkel;

• efektiivne, efektiivne või teisiti ruutkeskväärtus, mis on määratud ühe poolperioodi aktiivse tööga;

• alaldatud keskmine väärtus arvutatud modulo ühe harmoonilise perioodi alaldatud väärtus.

Pinge kvantitatiivseks hindamiseks võeti kasutusele rahvusvaheline ühik 1 volt ja selle tähiseks sai tähis «U».

Elektrienergia transportimisel õhuliinide kaudu sõltub tugede konstruktsioon ja nende mõõtmed kasutatava pinge väärtusest. Selle väärtust faaside juhtide vahel nimetatakse lineaarseks ja iga juhi ja maandusfaasi suhtes.

See reegel kehtib igat tüüpi lennufirmade kohta.

Meie riigi kodumaistes elektrivõrkudes on standardiks kolmefaasiline pinge 380/220 volti.

Elektritakistus

Seda terminit kasutatakse aine omaduste iseloomustamiseks, et nõrgendada seda läbiva elektrivoolu läbimist.Sel juhul saab valida erinevaid keskkondi, muuta aine temperatuuri või selle mõõtmeid.

Alalisvooluahelates teeb takistus aktiivset tööd, mistõttu seda nimetatakse aktiivseks. Iga sektsiooni puhul on see otseselt võrdeline rakendatud pingega ja pöördvõrdeline läbiva vooluga.

Vahelduvvooluskeemides võetakse kasutusele järgmised mõisted:

• impedants;

• lainetakistus.

Elektrilist impedantsi nimetatakse ka kompleks- või komponenttakistuseks:

• aktiivne;

• reaktiivne.

Reaktiivsus võib omakorda olla:

• mahtuvuslik;

• induktiivne.

Kirjeldatud on takistuse kolmnurga impedantsi komponentide vahelised ühendused.

Elektrodünaamika arvutuses määratakse elektriliini lainetakistus langeva laine pinge ja mööda lainejoont kulgeva voolu väärtuse suhtega.

Takistuse väärtust võetakse rahvusvahelise mõõtühikuna 1 oomi.

Voolu, pinge, takistuse seos

Klassikaline näide nende karakteristikute vahelise seose väljendamiseks on võrdlus hüdroahelaga, kus eluvoolu liikumisjõud (analoog - voolu suurus) sõltub kolvile rakendatava jõu väärtusest (loodud pinge) ja kitsendustest koosnevate voolujoonte iseloom (takistus).

Elektritakistuse, voolu ja pinge suhet kirjeldavad matemaatilised seadused avaldas ja patenteeris esmakordselt Georg Ohm. Ta tuletas seadused kogu elektriahela ahela ja selle lõigu kohta. Täpsemalt vaata siit: Ohmi seaduse rakendamine praktikas

Elektri põhikoguste mõõtmiseks kasutatakse ampermeetreid, voltmeetreid ja ohmmeetrit.

Ampermeeter mõõdab vooluahelat läbivat voolu.Kuna see ei muutu kogu suletud alal, asetatakse ampermeeter pingeallika ja kasutaja vahele, tekitades laengute läbipääsu läbi seadme mõõtepea.

Voltmeetrit kasutatakse pinge mõõtmiseks vooluallikaga ühendatud kasutaja klemmidel.

Oommeetriga takistuse mõõtmisi saab teha ainult siis, kui kasutaja on välja lülitatud. Seda seetõttu, et oommeeter väljastab kalibreeritud pinge ja mõõdab läbi testpea voolavat voolu, mis muundatakse oomideks, jagades pinge voolu väärtusega.

Igasugune välise väikese võimsusega pinge ühendamine mõõtmise ajal tekitab lisavoolu ja moonutab tulemust. Arvestades, et oommeetri sisemised ahelad on väikese võimsusega, siis ekslike takistuse mõõtmiste korral välise pinge rakendamisel läheb seade üsna sageli üles, kuna selle sisemine vooluahel põleb läbi.

Voolu, pinge, takistuse põhiomaduste ja nendevaheliste suhete tundmine võimaldab elektrikutel edukalt oma tööd teha ja elektrisüsteeme töökindlalt opereerida ning tehtud vead lõppevad väga sageli õnnetuste ja vigastustega.