Dòng điện, điện áp, công suất: các đặc trưng cơ bản của dòng điện

Điện từ lâu đã được con người sử dụng để thỏa mãn nhu cầu của mình nhưng nó vô hình, không cảm nhận được bằng giác quan nên rất khó hiểu. Để đơn giản hóa việc giải thích các quá trình điện, chúng thường được so sánh với các đặc tính thủy lực của chất lỏng chuyển động.

Ví dụ, cô ấy đến căn hộ của chúng tôi bằng điện Năng lượng điện từ máy phát điện từ xa và nước máy từ máy bơm áp lực. Tuy nhiên, công tắc tắt đèn và vòi nước đóng khiến nước không chảy ra ngoài vòi. Để thực hiện công việc, bạn cần bật công tắc và mở vòi.

Dòng điện tử tự do có hướng chạy qua dây dẫn sẽ lao tới dây tóc của bóng đèn (dòng điện chạy qua) sẽ phát ra ánh sáng. Nước chảy ra từ vòi sẽ chảy vào bồn rửa.

Sự tương tự này cũng giúp hiểu được các đặc tính định lượng, liên hệ cường độ dòng điện với tốc độ chuyển động của chất lỏng và ước tính các thông số khác.

Điện áp nguồn được so sánh với tiềm năng năng lượng của nguồn chất lỏng. Ví dụ, việc tăng áp suất thủy lực từ máy bơm trong đường ống sẽ tạo ra tốc độ cao của chuyển động chất lỏng và tăng điện áp (hoặc chênh lệch giữa điện thế của pha - dây đầu vào và điểm không làm việc - đầu ra) sẽ làm tăng độ nóng sáng của bóng đèn, cường độ bức xạ của nó .

Điện trở của mạch điện được so sánh với lực hãm của dòng thủy lực. Tốc độ dòng chảy bị ảnh hưởng bởi:

• độ nhớt của chất lỏng;

• tắc nghẽn và thay đổi trong mặt cắt ngang của các kênh. (Trong trường hợp vòi nước, vị trí của van điều khiển.)

Giá trị của điện trở bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố:

• cấu trúc của chất xác định sự hiện diện của các electron tự do trong một dây dẫn và ảnh hưởng đến sức chống cự; 

• tiết diện và chiều dài của dây dẫn hiện tại;

• nhiệt độ.

Công suất điện cũng được so sánh với thế năng của dòng chảy trong thủy lực và được ước tính từ công thực hiện trên một đơn vị thời gian. Công suất của một thiết bị điện được biểu thị bằng cường độ dòng điện và hiệu điện thế đặt vào (đối với mạch điện xoay chiều và một chiều).

Tất cả những đặc điểm này của điện đã được nghiên cứu bởi các nhà khoa học nổi tiếng, những người đã đưa ra các định nghĩa về dòng điện, điện áp, công suất, điện trở và mô tả các mối quan hệ hỗ tương giữa chúng bằng các phương pháp toán học.

Bảng sau đây cho thấy các mối quan hệ chung cho các mạch AC và DC có thể được sử dụng để phân tích hiệu suất của các mạch cụ thể.

Hãy xem xét một số ví dụ về việc sử dụng chúng.

Ví dụ 1. Cách tính điện trở và công suất

Giả sử bạn muốn chọn một bộ giới hạn dòng điện để cấp nguồn cho mạch chiếu sáng. Chúng tôi biết điện áp cung cấp của mạng trên bo mạch «U», bằng 24 vôn và mức tiêu thụ hiện tại «I» là 0,5 ampe, không được vượt quá. Theo biểu thức (9) của định luật Ohm, chúng tôi tính toán điện trở «R». R = 24/0,5 = 48 ôm.

Thoạt nhìn, giá trị của điện trở được xác định. Tuy nhiên, điều này là không đủ. Để sema hoạt động đáng tin cậy, cần tính toán công suất theo mức tiêu thụ hiện tại.

Theo hoạt động của định luật Joule-Lenz, công suất tác dụng «P» tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện «I» chạy qua dây dẫn và điện áp đặt vào «U». Mối quan hệ này được mô tả bằng công thức (11) trong bảng dưới.

Chúng tôi tính toán: P = 24 × 0,5 = 12 W.

Chúng tôi nhận được cùng một giá trị nếu chúng tôi sử dụng công thức (10) hoặc (12).

Tính công suất của điện trở theo mức tiêu thụ hiện tại của nó cho thấy rằng trong mạch đã chọn, cần sử dụng điện trở 48 Ohm và 12 W. Điện trở có công suất thấp hơn sẽ không chịu được tải áp dụng, nó sẽ nóng lên và cháy hết với thời gian hiện tại.

Ví dụ này cho thấy sự phụ thuộc của dòng điện tải và điện áp mạng ảnh hưởng đến nguồn điện của người dùng.

Ví dụ #2. Cách tính dòng điện

Đối với nhóm ổ cắm dùng để cấp nguồn cho các thiết bị điện gia dụng trong bếp, cần chọn cầu dao bảo vệ. Công suất của các thiết bị theo dữ liệu hộ chiếu là 2,0, 1,5 và 0,6 kW.

Trả lời. Căn hộ sử dụng mạng điện xoay chiều một pha 220 vôn. Tổng công suất của tất cả các thiết bị được kết nối để hoạt động đồng thời sẽ là 2,0 + 1,5 + 0,6 = 4,1 kW = 4100 W.

Sử dụng công thức (2), chúng tôi xác định tổng dòng điện của nhóm người tiêu dùng: 4100/220 = 18,64 A.

Bộ ngắt mạch định mức gần nhất có tốc độ ngắt là 20 ampe. Chúng tôi chọn nó. Máy có giá trị thấp hơn 16 A sẽ ngừng hoạt động vĩnh viễn do quá tải.

Sự khác nhau về các thông số của mạch điện trong dòng điện xoay chiều

Mạng một pha

Khi phân tích các thông số của thiết bị điện, cần tính đến đặc thù hoạt động của chúng trong mạch điện xoay chiều, khi do ảnh hưởng của tần số công nghiệp, tải điện dung xuất hiện trong tụ điện (chúng dịch chuyển vectơ dòng điện 90 độ trước vectơ điện áp) và trong cuộn dây của cuộn dây - cảm ứng (dòng điện lệch 90 độ so với điện áp). Trong kỹ thuật điện, chúng được gọi là tải phản kháng... Cùng nhau, chúng tạo ra tổn thất công suất phản kháng «Q» không sinh công hữu ích.

Với tải hoạt động, không có sự lệch pha giữa dòng điện và điện áp.

Theo cách này, một thành phần phản kháng được thêm vào giá trị hoạt động của công suất của thiết bị điện trong các mạch dòng điện xoay chiều, do đó tổng công suất tăng lên, thường được gọi là đầy và được biểu thị bằng chỉ số «S».

Dòng điện xoay chiều hình sin trong mạng một pha

Cường độ dòng điện và hiệu điện thế có tần số biến thiên theo thời gian theo dạng hình sin. Theo đó, có một sự thay đổi trong sức mạnh. Việc xác định các tham số của chúng tại các thời điểm khác nhau không có nhiều ý nghĩa. Do đó, các giá trị tổng (tích hợp) được chọn trong một khoảng thời gian nhất định, theo quy luật, chu kỳ dao động T.

Biết được sự khác biệt giữa các thông số của mạch điện xoay chiều và điện một chiều cho phép bạn tính toán chính xác công suất qua dòng điện và điện áp trong từng trường hợp cụ thể.

Mạng ba pha

Về cơ bản, chúng bao gồm ba mạch một pha giống hệt nhau, lệch nhau 120 độ so với nhau trên mặt phẳng phức. Chúng hơi khác nhau về tải trong mỗi pha, làm dịch chuyển dòng điện so với điện áp một góc phi. Do sự không đồng đều này, một dòng điện I0 được tạo ra trong dây trung tính.

Dòng điện xoay chiều hình sin trong mạng ba pha

Điện áp trong hệ thống này bao gồm điện áp pha (220 V) và điện áp đường dây (380 V).

Công suất của thiết bị dòng điện ba pha được kết nối với mạch là tổng của các thành phần trong mỗi pha. Nó được đo bằng các thiết bị đặc biệt: wattmeters (thành phần hoạt động) và varmeters (phản ứng). Có thể tính tổng mức tiêu thụ điện năng của thiết bị dòng điện ba pha dựa trên các phép đo oát kế và biến kế bằng công thức tam giác.

Ngoài ra còn có một phương pháp đo gián tiếp dựa trên việc sử dụng vôn kế và ampe kế với các phép tính tiếp theo của các giá trị thu được.

Bạn cũng có thể tính tổng mức tiêu thụ hiện tại, khi biết độ lớn của công suất biểu kiến ​​S. Để làm điều này, chỉ cần chia nó cho giá trị của điện áp đường dây là đủ.