KE03. Napięcie, prąd, rezystancja, moc, energia elektryczna

Napięcie a natężenie prądu

Czego się dowiesz

W tym artykule chciałbym poruszyć kwestie najważniejszych parametrów dotyczących elektryczności. Wszystkie te właściwości są silnie zależne od siebie, dlatego chcę je omówić na raz. Jak poczujesz wzajemne relacje i zależności między nimi to będzie Ci o wiele łatwiej rozumieć działanie układów elektronicznych. Cała elektronika to umiejętne manipulowanie napięciem i prądem. Twoim celem może być zwiększenie mocy wyjściowej lub zmniejszenie mocy strat. Może będziesz chciał zmniejszyć zużycie energii elektrycznej? Rezystancja pozwoli Ci kontrolować niektóre właściwości przepływającego prądu.

Co musisz umieć

Do orientacyjnego zrozumienia czym jest napięcie, natężenie, rezystancja, moc i energia elektryczna, nie musisz posiadać wiedzy wstępnej. Jeżeli jednak będziesz chciał w pełni wykorzystać tą wiedzę to będziesz potrzebował znać trochę matematyki. Obliczenia to zwykłe dodawanie, odejmowanie, mnożenie i dzielenie. Potrzebujesz jednak rozumieć wzory matematyczne i umieć podstawiać wartości do zmiennych. Przyda się też umiejętność przekształceń wzorów.

Napięcie i natężenie elektryczne

Aby intuicyjne zrozumieć różnicę pomiędzy napięciem a natężeniem prądu elektrycznego, warto go porównać do wody. Jeżeli wyobrazimy sobie zbiornik z wodą, to zauważymy, że możemy go napełnić trochę, do połowy lub do pełna. Poziom lustra wody będzie miał różną wysokość względem dna. Tak też należy rozumieć napięcie elektryczne. Jest to różnica potencjałów pomiędzy dwoma punktami. Przeważnie mamy punkt odniesienia, który jest dla nas zerem "0". To tak jak dno zbiornika. I w odniesieniu do tego punktu mierzymy napięcie.

Teraz wyobraźmy sobie, że na dole zbiornika znajduje się rura spustowa. Jeżeli będzie wąska, to popłynie przez nią mały strumień wody. Jeżeli jednak będzie szeroka to strumień będzie duży. Natężenie prądu możemy porównać do szerokości tej rury. Im większe natężenie tym większy strumień prądu przepływa przez przewodnik.

Napięcie a natężenie prądu

Napięcie elektryczne oznaczamy literką U. Mierzymy je w woltach [V].

W zależności od wysokości napięcia używamy przedrostków wielokrotności np.:

0,001 V 1 mV 1 miliwolt
1 V 1 V 1 wolt
1000V 1 kV 1 kilowolt
1000000 = 1 MV - 1 megawolt

Na rożnych urządzeniach mamy podane napięcie. Na źródłach prądu oznacza to, że takie napięcie jest dostarczane przez to źródło. Na odbiornikach podane jest napięcie jakim powinny być zasilane. Tu kilka przykładowych napięć z naszego otoczenia:

Akumulator AA:  1,2V
Bateria AA:  1,5 V
Ładowarka telefonu:  5 V
Akumulator samochodowy:  12 V
Napięcie sieciowe:  230 V

Aby uzyskać wyższe napięcie, możemy połączyć kilka źródeł szeregowo. Dla przykładu łącząc 2 baterie AA 1,5 V, uzyskamy łączne napięcie 3 V.

Powinno się łączyć źródła o zbliżonej wydajności prądowej.

Połączenie szeregowe napięć

Czasami układ elektroniczny wymaga zasilania symetrycznego. Oznacza to, że względem punktu odniesienia potrzebne jest zarówno dodatnie jak i ujemne napięcie. Możemy to osiągnąć łącząc w ten sposób źródła napięcia.

Połączenie symetryczne napięć

Natężenie elektryczne to „gęstość” strumienia prądu przepływającego przez przewodnik. Oznaczamy go literką I, a mierzymy w amperach [A].
W zależności od wysokości natężenia używamy przedrostków wielokrotności np.:

0,001 A 1 mA 1 miliamper
1 A 1 A 1 amper
1 000 A 1 kA 1 kiloamper

Natężenie elektryczne podane na tabliczce znamionowej zwykle oznacza maksymalne możliwe natężenie. To nie znaczy, że przez obwód płynie taki prąd cały czas. Przykładowe natężenia z tabliczek  urządzeń z naszego otoczenia:

Ładowarka telefonu:  1 A
Zasilacz:  10 A
Spawarka:  120 A

Aby uzyskać wyższe natężenie, możemy połączyć kilka źródeł równolegle. Dla przykładu łącząc 2 ładowarki 1 A, uzyskamy łączne natężenie 2 A.

Tu należy jednak uważać, bo niektóre źródła prądu mogą wymagać zabezpieczenia przed przepływem prądu z jednego ogniwa do drugiego.

Połączenie równoległe prądu

Rezystancja

Rezystancja to jest opór jaki napotyka prąd przepływający przez przewodnik. Oznaczamy ją literką R. Przepływ prądu przez rezystor powoduje spadek napięcia niezbędnego do pokonania tego oporu. Jednostką rezystancji jest [Om].

Tak samo jak poprzednio używamy przedrostków w zależności od wielkości rezystancji. Przyjęło się nie pisać jednostki. Wartości pojedynczych omów oznacza się literką R. Pozostałe tylko literami wielokrotności.

1 Om 1R 1 Om
1 000 Om 1k 1 kiloom
1 000 000 Om 1M 1 megaom

Symbolem rezystancji oznaczamy zarówno rezystory jako elementy, jak i rezystancję wewnętrzną innych elementów. Na przykład bardzo długi i wąski przewód miedziany też będzie miał dużą rezystancję, którą można oznaczyć na schemacie jako rezystor.

Rezystor

Rezystancję obliczamy ze wzoru:

Wzór na rezystancję

Jeżeli nie znamy rezystancji elementu to wystarczy, że zmierzymy napięcie na jego końcówkach i prąd przez niego płynący. Podstawiając do wzoru możemy obliczyć rezystancję. Na przykład:

Zmierzony rezystor

Zmierzyliśmy napięcie równe 1 V
oraz natężenie równe 0,1 A

Obliczamy rezystancję:

Obliczenie rezystancji

Przekształcając wzór na rezystancję otrzymamy wzory na napięcie i na natężenie prądu:

Wzory na napięcie i prąd

Napięcie, natężenie prądu i rezystancja są ze sobą nierozerwalnie związane ze sobą. Dzięki temu każdy obwód da się zaprojektować poprzez obliczenia. Często zmieniamy jedną lub dwie właściwości żeby uzyskać pożądany efekt w trzeciej właściwości.

Moc i energia elektryczna

Znowu wyobraźmy sobie zbiornik z wodą. Tym razem zwróćmy uwagę na to ile wody jest w zbiorniku - na jej objętość. Ilość wody reprezentuje nam energię elektryczną. I znów na dole zbiornika znajduje się rura spustowa. Tym razem szerokość rury reprezentuje nam moc. Jest to szerokość strumienia energii, którą pobieramy. Jeżeli otworzymy spust to wylanie całej wody zajmie pewną ilość czasu. Energia elektryczna zależna jest od mocy i czasu.

Moc a energia elektryczna

Moc możemy rozumieć jako przekrój strumienia energii. Możemy to porównać do średnicy rury, którą wypływa woda ze zbiornika, gdzie woda symbolizuje ilość energii. Jednostką mocy jest Wat [W].

Tak samo jak poprzednio używamy przedrostków w zależności od wielkości mocy:

0,001 W 1 mW 1 miliwat
1 W 1 W 1 wat
1 000 W 1 kW 1 kilowat
1 000 000 W 1 MW 1 megawat

W zależności od urządzenia, moc podana na tabliczce może oznaczać ciągle pobieraną moc, na przykład: żarówki, grzałki. Niektóre urządzenia mają podaną moc maksymalną. Zależy ona od stopnia obciążenia, na przykład: silniki elektryczne, elektrownie wiatrowe.  Przykładowa moc otaczających nas urządzeń:

Żarówka LED:  10 W
Grzałka czajnika:  1,5 kW
Silnik elektryczny:  5,5 kW
Elektrownia wiatrowa:  2 MW

Moc obliczamy ze wzoru:

Wzór na moc

Dla przykładu obliczymy moc wydzieloną na rezystancji, na której zmierzyliśmy napięcie i natężenie prądu:

Zmierzony rezystor

Zmierzyliśmy napięcie równe 1 V
oraz natężenie równe 0,1 A

Obliczamy moc:

Obliczenie mocy

Energia elektryczna

Energia elektryczna określa nam ilość energii jaką pobraliśmy, zużyliśmy lub zmagazynowaliśmy. Oznaczamy ją literką E. Jest ona związana z czasem, więc znając ilość energii możemy obliczyć jak długo będą pracowały nasze urządzenia lub ile zapłacimy za ich używanie. Jednostką energii elektrycznej jest watogodzina [Wh]. Obliczamy ją wzorem:

Wzór na energie elektryczną

Używane przedrostki w zależności od wielkości energii:

 

1 Wh 1 WW 1 watogodzina
1 000 Wh 1 kWh 1 kilowatogodzina
1 000 000 Wh 1 MWh 1 megawatogodzina

Z energią elektryczną mamy najczęściej do czynienia na rachunku za prąd. Często też bierze się pod uwagę energię elektryczną zmagazynowaną w akumulatorach.

Podsumowanie

Wszystkie wzory

Te wzory opisują prawa fizyczne rządzące elektrycznością. Jest to absolutna podstawa, którą należy znać jeżeli chce się wgłębić w świat elektroniki. Nie jest to skomplikowane. Warto sobie zapamiętać te zależności. Później już będziemy intuicyjnie rozumieć co się dzieje w układzie i dlaczego. Da nam to możliwość zmian w istniejącym układzie lub nawet zaprojektowanie swojego.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *