Corrente, tensione, potenza: caratteristiche fondamentali dell'elettricità

L'elettricità è stata a lungo utilizzata dall'uomo per soddisfare i propri bisogni, ma è invisibile, non percepita dai sensi, quindi di difficile comprensione. Per semplificare la spiegazione dei processi elettrici, vengono spesso paragonati alle caratteristiche idrauliche di un fluido in movimento.

Ad esempio, viene nel nostro appartamento tramite telegramma Energia elettrica da generatori remoti e acqua potabile da una pompa a pressione. Tuttavia, l'interruttore spegne le luci e il rubinetto dell'acqua chiuso impedisce all'acqua di fuoriuscire dal rubinetto. Per fare il lavoro, devi accendere l'interruttore e aprire il rubinetto.

Un flusso diretto di elettroni liberi attraverso i fili si precipiterà verso il filamento della lampadina (correrà una corrente elettrica) che emetterà luce. L'acqua che esce dal rubinetto si scaricherà nel lavandino.

Questa analogia permette anche di comprendere le caratteristiche quantitative, di mettere in relazione l'intensità della corrente con la velocità di movimento del liquido e di stimare altri parametri.

La tensione di rete viene confrontata con il potenziale energetico della sorgente liquida. Ad esempio, un aumento della pressione idraulica da una pompa in un tubo creerà un'elevata velocità di movimento del fluido e un aumento della tensione (o la differenza tra i potenziali della fase - il filo di ingresso e lo zero di lavoro - l'uscita) aumenterà l'incandescenza della lampadina, la forza della sua radiazione.

La resistenza del circuito elettrico viene confrontata con la forza frenante del flusso idraulico. La portata è influenzata da:

• viscosità del liquido;

• intasamento e cambiamento nella sezione trasversale dei canali. (Nel caso di un rubinetto dell'acqua, la posizione della valvola di controllo.)

Il valore della resistenza elettrica è influenzato da diversi fattori:

• la struttura della sostanza che determina la presenza di elettroni liberi in un conduttore e influisce resistenza; 

• area della sezione trasversale e lunghezza del conduttore di corrente;

• temperatura.

L'energia elettrica viene anche confrontata con il potenziale energetico del flusso in idraulica ed è stimata dal lavoro svolto per unità di tempo. La potenza di un apparecchio elettrico è espressa dalla corrente assorbita e dalla tensione applicata (per i circuiti in alternata e continua).

Tutte queste caratteristiche dell'elettricità sono state studiate da famosi scienziati che hanno dato definizioni di corrente, tensione, potenza, resistenza e descritto con metodi matematici le reciproche relazioni tra di loro.

La tabella seguente mostra le relazioni generali per i circuiti CA e CC che possono essere utilizzate per analizzare le prestazioni di circuiti specifici.

Diamo un'occhiata ad alcuni esempi del loro utilizzo.

Esempio 1. Come calcolare resistenza e potenza

Supponiamo di voler selezionare un limitatore di corrente per alimentare il circuito di illuminazione. Conosciamo la tensione di alimentazione della rete di bordo «U», pari a 24 volt e l'assorbimento di corrente «I» di 0,5 ampere, che non deve essere superato. Secondo l'espressione (9) della legge di Ohm, calcoliamo la resistenza «R». R = 24 / 0,5 = 48 ohm.

A prima vista, viene determinato il valore del resistore. Comunque, questo non è abbastanza. Per il funzionamento affidabile di sema, è necessario calcolare la potenza in base al consumo di corrente.

Secondo il funzionamento della legge Joule-Lenz, la potenza attiva «P» è direttamente proporzionale alla corrente «I» passante nel filo e alla tensione applicata «U». Questa relazione è descritta dalla formula (11) nella tabella sotto.

Calcoliamo: P = 24×0.5 = 12 W.

Otteniamo lo stesso valore se usiamo le formule (10) o (12).

Il calcolo della potenza del resistore in base al suo consumo di corrente mostra che nel circuito selezionato è necessario utilizzare una resistenza di 48 Ohm e 12 W. Un resistore con una potenza inferiore non resisterà ai carichi applicati, si surriscalda e si brucia con la corrente del tempo.

Questo esempio mostra la dipendenza di come la corrente di carico e la tensione di rete influenzano la potenza dell'utente.

Esempio #2. Come calcolare la corrente

Per un gruppo di prese destinate all'alimentazione di elettrodomestici in cucina, è necessario selezionare un interruttore di protezione. La potenza dei dispositivi secondo i dati del passaporto è di 2,0, 1,5 e 0,6 kW.

Risposta. L'appartamento utilizza una rete CA monofase da 220 volt. La potenza totale di tutti i dispositivi collegati per funzionare contemporaneamente sarà 2,0 + 1,5 + 0,6 = 4,1 kW = 4100 W.

Utilizzando la formula (2), determiniamo la corrente totale del gruppo di consumatori: 4100/220 = 18,64 A.

L'interruttore di circuito nominale più vicino ha una velocità di intervento di 20 ampere. Lo scegliamo. Una macchina con un valore inferiore a 16 A si spegnerà permanentemente per sovraccarico.

Differenze nei parametri dei circuiti elettrici in corrente alternata

Reti monofase

Quando si analizzano i parametri degli apparecchi elettrici, è necessario tenere conto delle peculiarità del loro funzionamento nei circuiti a corrente alternata, quando, a causa dell'influenza della frequenza industriale, nei condensatori compaiono carichi capacitivi (spostano il vettore corrente di 90 gradi davanti al vettore di tensione) e negli avvolgimenti della bobina - induttivo (la corrente è di 90 gradi dietro la tensione). Nell'ingegneria elettrica sono chiamati carichi reattivi... Insieme creano perdite di potenza reattiva «Q» che non svolgono alcun lavoro utile.

Con carichi attivi non c'è sfasamento tra corrente e tensione.

In questo modo, al valore attivo della potenza di un apparecchio elettrico nei circuiti a corrente alternata viene aggiunta una componente reattiva, per cui aumenta la potenza totale, che viene solitamente chiamata piena ed è indicata dall'indice «S».

Corrente sinusoidale alternata in una rete monofase

La corrente elettrica e la tensione di frequenza variano nel tempo in modo sinusoidale. Di conseguenza, c'è un cambio di potere. Determinare i loro parametri in momenti diversi nel tempo non ha molto senso. Pertanto, i valori totali (integranti) vengono selezionati per un certo periodo di tempo, di norma il periodo di oscillazione T.

Conoscere le differenze tra i parametri dei circuiti a corrente alternata e continua consente di calcolare correttamente la potenza attraverso corrente e tensione in ogni caso specifico.

Reti trifase

Fondamentalmente, sono costituiti da tre circuiti monofase identici, sfalsati l'uno rispetto all'altro sul piano complesso di 120 gradi. Differiscono leggermente nei carichi in ciascuna fase, spostando la corrente dalla tensione di un angolo phi. A causa di questa irregolarità, viene creata una corrente I0 nel conduttore neutro.

Corrente sinusoidale alternata in una rete trifase

La tensione in questo sistema è costituita da tensioni di fase (220 V) e tensioni di linea (380 V).

La potenza di un dispositivo di corrente trifase collegato al circuito è la somma dei componenti in ciascuna fase. Viene misurato utilizzando dispositivi speciali: wattmetri (componente attivo) e varmetri (reattivo). È possibile calcolare il consumo energetico totale di un dispositivo di corrente trifase in base alle misurazioni del wattmetro e del varmetro utilizzando la formula del triangolo.

Esiste anche un metodo di misurazione indiretto basato sull'utilizzo di un voltmetro e amperometro con successivi calcoli dei valori ottenuti.

Puoi anche calcolare il consumo di corrente totale, conoscendo l'entità della potenza apparente S. Per fare ciò, è sufficiente dividerlo per il valore della tensione di linea.