แรงดัน กระแส และความต้านทานคืออะไร: ใช้อย่างไรในทางปฏิบัติ

ในทางวิศวกรรมไฟฟ้า คำว่า "กระแส" "แรงดัน" และ "ความต้านทาน" ใช้เพื่ออธิบายกระบวนการที่เกิดขึ้นในวงจรไฟฟ้า แต่ละคนมีวัตถุประสงค์ของตัวเองโดยมีลักษณะเฉพาะ

ไฟฟ้า

คำนี้ใช้เพื่ออธิบายลักษณะการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุ (อิเล็กตรอน โฮล ไอออนบวก และประจุลบ) ผ่านตัวกลางของสสาร ทิศทางและจำนวนของพาหะจะกำหนดประเภทและความแรงของกระแสไฟฟ้า

ลักษณะสำคัญของกระแสส่งผลกระทบต่อการใช้งานจริง

ข้อกำหนดเบื้องต้นสำหรับการไหลของประจุคือการมีวงจรหรืออีกนัยหนึ่งคือวงจรปิดที่สร้างเงื่อนไขสำหรับการเคลื่อนที่ หากเกิดช่องว่างภายในอนุภาคที่กำลังเคลื่อนที่ ทิศทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคจะหยุดลงทันที

สวิตช์และการป้องกันทั้งหมดที่ใช้ในไฟฟ้าทำงานบนหลักการนี้พวกเขาสร้างการแยกระหว่างหน้าสัมผัสที่เคลื่อนไหวของชิ้นส่วนที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าและผ่านการกระทำนี้ขัดขวางการไหลของกระแสไฟฟ้าทำให้อุปกรณ์ปิดลง

ในด้านพลังงาน วิธีการทั่วไปคือการสร้างกระแสไฟฟ้าเนื่องจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนภายในโลหะที่ทำในรูปของสายไฟ ยางรถ หรือชิ้นส่วนนำไฟฟ้าอื่นๆ

นอกจากวิธีนี้แล้ว ยังใช้การสร้างกระแสภายในด้วย:

1. ก๊าซและของเหลวอิเล็กโทรไลต์เนื่องจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนหรือไอออนบวกและประจุลบ — ไอออนที่มีสัญญาณประจุบวกและลบ

2. สภาพแวดล้อมของสุญญากาศ อากาศ และก๊าซภายใต้การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่เกิดจากปรากฏการณ์ของรังสีความร้อน

3. วัสดุสารกึ่งตัวนำเนื่องจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนและโฮล

ไฟฟ้าช็อตอาจเกิดขึ้นได้เมื่อ:

• การใช้ความต่างศักย์ไฟฟ้าภายนอกกับอนุภาคที่มีประจุ

• ลวดความร้อนที่ไม่ใช่ตัวนำยิ่งยวดในปัจจุบัน

• ปฏิกิริยาเคมีที่เกี่ยวข้องกับการปล่อยสารใหม่

• ผลของสนามแม่เหล็กที่ใช้กับเส้นลวด

รูปคลื่นของกระแสไฟฟ้าสามารถเป็น:

1. ค่าคงที่ในรูปแบบของเส้นตรงบนไทม์ไลน์

2. ตัวแปรไซน์ฮาร์มอนิกที่อธิบายได้ดีโดยความสัมพันธ์ตรีโกณมิติพื้นฐาน

3. คดเคี้ยวคล้ายคลื่นไซน์ แต่มีมุมที่คมชัดซึ่งในบางกรณีสามารถทำให้เรียบได้ดี

4. การเต้นเป็นจังหวะเมื่อทิศทางยังคงเหมือนเดิมโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลง และแอมพลิจูดจะผันผวนเป็นระยะจากศูนย์ถึงค่าสูงสุดตามกฎหมายที่กำหนดไว้อย่างดี

กระแสไฟฟ้ามีประโยชน์ต่อบุคคลเมื่อ:

• แปลงเป็นรังสีแสง

• สร้างความร้อนขององค์ประกอบความร้อน

• ทำงานทางกลเนื่องจากการดึงดูดหรือการผลักของเกราะที่เคลื่อนที่ได้หรือการหมุนของโรเตอร์ด้วยไดรฟ์ที่ยึดอยู่กับตลับลูกปืน

• สร้างรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าในบางกรณี

เมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านสายไฟ ความเสียหายอาจเกิดจาก:

• ความร้อนที่มากเกินไปของวงจรและหน้าสัมผัสที่มีกระแสไฟฟ้า

• การศึกษา กระแสน้ำวน ในวงจรแม่เหล็กของเครื่องใช้ไฟฟ้า

• การแผ่รังสีของไฟฟ้า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ในสิ่งแวดล้อมและปรากฏการณ์บางอย่างที่คล้ายคลึงกัน

ผู้ออกแบบอุปกรณ์ไฟฟ้าและผู้พัฒนาวงจรต่าง ๆ คำนึงถึงความเป็นไปได้ของกระแสไฟฟ้าในอุปกรณ์ของตน ตัวอย่างเช่น ผลกระทบที่เป็นอันตรายของกระแสไหลวนในหม้อแปลง มอเตอร์ และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะลดลงโดยการผสมแกนที่ใช้ในการส่งฟลักซ์แม่เหล็ก ในขณะเดียวกัน กระแสไหลวนก็ถูกนำมาใช้เพื่อให้ความร้อนแก่ตัวกลางในเตาอบไฟฟ้าและเตาไมโครเวฟที่ทำงานบนหลักการเหนี่ยวนำได้สำเร็จ

กระแสไฟฟ้าสลับที่มีรูปคลื่นไซน์สามารถมีความถี่ของการสั่นที่แตกต่างกันต่อหนึ่งหน่วยเวลา — หนึ่งวินาที ความถี่อุตสาหกรรมของการติดตั้งไฟฟ้าในประเทศต่างๆ ถูกกำหนดมาตรฐานด้วยตัวเลข 50 หรือ 60 เฮิรตซ์ สำหรับวัตถุประสงค์อื่นของธุรกิจวิศวกรรมไฟฟ้าและวิทยุ จะใช้สัญญาณ:

• ความถี่ต่ำที่มีค่าต่ำกว่า

• ความถี่สูงเกินช่วงของอุปกรณ์อุตสาหกรรมอย่างมาก

เป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่ากระแสไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นโดยการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุในตัวกลางระดับมหภาคบางชนิด และเรียกว่า กระแสการนำไฟฟ้า... อย่างไรก็ตาม กระแสอีกประเภทหนึ่งที่เรียกว่า การพาความร้อน สามารถเกิดขึ้นได้เมื่อวัตถุที่มีประจุขนาดใหญ่เคลื่อนที่ เช่น เม็ดฝน .

กระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นในโลหะอย่างไร

การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนภายใต้อิทธิพลของแรงคงที่ที่ใช้กับพวกมันสามารถเปรียบเทียบได้กับการลงมาของนักกระโดดร่มชูชีพที่มีหลังคาเปิด ในทั้งสองกรณีจะได้รับการเคลื่อนไหวที่เร่งอย่างสม่ำเสมอ

นักดิ่งพสุธาเคลื่อนที่เนื่องจากแรงโน้มถ่วงสู่พื้นซึ่งต่อต้านโดยแรงต้านของอากาศ อิเล็กตรอนได้รับผลกระทบจากแรงที่กระทำต่อพวกมัน สนามไฟฟ้าและการเคลื่อนไหวของมันถูกขัดขวางโดยการชนอย่างต่อเนื่องกับอนุภาคอื่น ๆ - ไอออนของโครงตาข่ายคริสตัล เนื่องจากผลของแรงที่ใช้ส่วนหนึ่งดับลง

ในทั้งสองกรณี ความเร็วเฉลี่ยของนักกระโดดร่มชูชีพและการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจะมีค่าคงที่

สิ่งนี้สร้างสถานการณ์ที่ค่อนข้างพิเศษที่ความเร็ว:

• การเคลื่อนที่ที่เหมาะสมของอิเล็กตรอนถูกกำหนดโดยค่าลำดับ 0.1 มิลลิเมตรต่อวินาที

• การไหลของกระแสไฟฟ้าสอดคล้องกับค่าที่สูงกว่ามาก - ความเร็วของการแพร่กระจายของคลื่นแสง: ประมาณ 300,000 กิโลเมตรต่อวินาที

ดังนั้น, การไหลของกระแสไฟฟ้า ถูกสร้างขึ้นโดยใช้แรงดันไฟฟ้ากับอิเล็กตรอน และเป็นผลให้อิเล็กตรอนเริ่มเคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสงภายในตัวกลางนำ

เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่ในโครงผลึกของโลหะ ความสม่ำเสมอที่น่าสนใจอีกอย่างหนึ่งก็เกิดขึ้น: มันชนกับปฏิกริยาทุกๆ สิบส่วนนั่นคือสามารถหลีกเลี่ยงการชนกันของไอออนได้ประมาณ 90%

ปรากฏการณ์นี้สามารถอธิบายได้ไม่เพียงแค่โดยกฎของฟิสิกส์คลาสสิกพื้นฐานตามที่คนส่วนใหญ่เข้าใจกันโดยทั่วไปเท่านั้น แต่ยังอธิบายโดยกฎปฏิบัติการเพิ่มเติมที่อธิบายโดยทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมอีกด้วย

หากเราแสดงการกระทำของพวกเขาสั้น ๆ เราสามารถจินตนาการได้ว่าการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนภายในโลหะถูกขัดขวางโดยไอออนขนาดใหญ่ที่หนัก «แกว่ง» ซึ่งให้ความต้านทานเพิ่มเติม

ผลกระทบนี้จะสังเกตเห็นได้ชัดเจนโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อให้ความร้อนแก่โลหะเมื่อ "การแกว่ง" ของไอออนหนักเพิ่มขึ้นและลดการนำไฟฟ้าของโครงผลึกของสายไฟ

ดังนั้น เมื่อโลหะได้รับความร้อน ความต้านทานไฟฟ้าของโลหะจะเพิ่มขึ้นเสมอ และเมื่อเย็นลง ค่าการนำไฟฟ้าของโลหะจะเพิ่มขึ้น เมื่ออุณหภูมิของโลหะลดลงถึงค่าวิกฤตใกล้กับค่าศูนย์สัมบูรณ์ ปรากฏการณ์ของตัวนำยิ่งยวดจะเกิดขึ้นในหลายๆ ตัว

กระแสไฟฟ้าสามารถทำสิ่งต่าง ๆ ได้ขึ้นอยู่กับค่าของมัน สำหรับการประเมินความสามารถในเชิงปริมาณจะใช้ค่าที่เรียกว่าแอมแปร์ ขนาดในระบบการวัดระหว่างประเทศคือ 1 แอมแปร์ เพื่อระบุความแรงของกระแสในเอกสารทางเทคนิค ดัชนี «I» ถูกนำมาใช้

แรงดันไฟฟ้า

คำนี้ใช้เป็นลักษณะของปริมาณทางกายภาพที่แสดงงานที่ใช้ในการถ่ายโอนประจุไฟฟ้าของหน่วยทดสอบจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง โดยไม่เปลี่ยนลักษณะของการวางประจุที่เหลืออยู่บนแหล่งกำเนิดสนามที่ใช้งานอยู่

เนื่องจากจุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดมีศักย์พลังงานต่างกัน งานที่ทำเพื่อย้ายประจุหรือแรงดันจึงเท่ากับอัตราส่วนของความแตกต่างระหว่างศักย์เหล่านี้

คำศัพท์และวิธีการต่างๆ ใช้ในการคำนวณแรงดันไฟฟ้าขึ้นอยู่กับกระแสที่ไหล ไม่สามารถ:

1. ค่าคงที่ — ในวงจรไฟฟ้าสถิตและกระแสคงที่

2. กระแสสลับ — ในวงจรที่มีกระแสสลับและกระแสไซน์

สำหรับกรณีที่สอง จะใช้ลักษณะเพิ่มเติมและประเภทของความเครียดเป็น:

• แอมพลิจูด — ค่าเบี่ยงเบนที่ใหญ่ที่สุดจากตำแหน่งศูนย์ของแกน abscissa

• ค่าทันทีซึ่งแสดง ณ เวลาใดเวลาหนึ่ง

• มีประสิทธิภาพ ประสิทธิผล หรือเรียกอีกอย่างว่า ค่ากำลังสองของค่าเฉลี่ยรูต ซึ่งกำหนดโดยงานที่กำลังดำเนินอยู่ในช่วงครึ่งเวลาหนึ่ง

• ค่าเฉลี่ยการแก้ไขโมดูโลที่คำนวณค่าแก้ไขของหนึ่งช่วงฮาร์มอนิก

สำหรับการประเมินเชิงปริมาณของแรงดันไฟฟ้า หน่วยสากล 1 โวลต์ถูกนำมาใช้และสัญลักษณ์ «U» กลายเป็นชื่อของมัน

เมื่อขนส่งพลังงานไฟฟ้าผ่านเส้นเหนือศีรษะ การออกแบบส่วนรองรับและขนาดจะขึ้นอยู่กับค่าของแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ ค่าระหว่างตัวนำของเฟสเรียกว่าเส้นตรงและสัมพันธ์กับตัวนำแต่ละตัวและเฟสดิน

กฎนี้ใช้กับสายการบินทุกประเภท

ในเครือข่ายไฟฟ้าในประเทศของเรามาตรฐานคือแรงดันไฟฟ้าสามเฟส 380/220 โวลต์

ความต้านทานไฟฟ้า

คำนี้ใช้เพื่ออธิบายคุณสมบัติของสารที่ทำให้กระแสไฟฟ้าผ่านอ่อนลงในกรณีนี้ สามารถเลือกสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกัน อุณหภูมิของสารหรือขนาดของสารสามารถเปลี่ยนแปลงได้

ในวงจรไฟฟ้ากระแสตรง ความต้านทานจะทำงานแบบแอคทีฟ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงเรียกว่าแอคทีฟ สำหรับแต่ละส่วน จะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ และแปรผกผันกับกระแสที่ผ่าน

แนวคิดต่อไปนี้ถูกนำมาใช้ในแผนภาพกระแสสลับ:

• อิมพีแดนซ์;

• ความต้านทานคลื่น

อิมพีแดนซ์ไฟฟ้าเรียกอีกอย่างว่าอิมพีแดนซ์ที่ซับซ้อนหรือคอมโพเนนต์:

• คล่องแคล่ว;

• ปฏิกิริยา

ปฏิกิริยาสามารถ:

• ความจุ;

• อุปนัย

มีการอธิบายการเชื่อมต่อระหว่างส่วนประกอบอิมพีแดนซ์ของสามเหลี่ยมความต้านทาน

ในการคำนวณแบบอิเล็กโทรไดนามิกส์ อิมพีแดนซ์ของคลื่นของสายไฟถูกกำหนดโดยอัตราส่วนของแรงดันจากคลื่นที่ตกกระทบต่อค่าของกระแสที่ผ่านไปตามเส้นคลื่น

ค่าความต้านทานถือเป็นหน่วยสากลของการวัด 1 โอห์ม

ความสัมพันธ์ของกระแส แรงดัน ความต้านทาน

ตัวอย่างคลาสสิกของการแสดงความสัมพันธ์ระหว่างลักษณะเหล่านี้คือการเปรียบเทียบกับวงจรไฮดรอลิกซึ่งแรงเคลื่อนตัวของการไหลของชีวิต (อะนาล็อก - ขนาดของกระแส) ขึ้นอยู่กับค่าของแรงที่กระทำต่อลูกสูบ (สร้างขึ้น ความตึงเครียด) และลักษณะของเส้นการไหลที่ทำจากการหดตัว (ความต้านทาน)

กฎทางคณิตศาสตร์ที่อธิบายความสัมพันธ์ของความต้านทานไฟฟ้า กระแส และแรงดันได้รับการตีพิมพ์ครั้งแรกและจดสิทธิบัตรโดย Georg Ohm เขาได้รับกฎหมายสำหรับวงจรทั้งหมดของวงจรไฟฟ้าและส่วนของวงจร ดูที่นี่สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติม: การประยุกต์ใช้กฎของโอห์มในทางปฏิบัติ

แอมมิเตอร์ โวลต์มิเตอร์ และโอห์มมิเตอร์ใช้ในการวัดปริมาณไฟฟ้าพื้นฐานของกระแสไฟฟ้า

แอมมิเตอร์วัดกระแสที่ไหลผ่านวงจร เนื่องจากไม่มีการเปลี่ยนแปลงตลอดพื้นที่ปิด แอมมิเตอร์จึงถูกวางไว้ที่ใดก็ได้ระหว่างแหล่งจ่ายแรงดันและผู้ใช้ ทำให้เกิดการไหลผ่านของประจุผ่านหัววัดของอุปกรณ์

โวลต์มิเตอร์ใช้สำหรับวัดแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วของผู้ใช้ที่เชื่อมต่อกับแหล่งกระแส

การวัดความต้านทานด้วยโอห์มมิเตอร์สามารถทำได้โดยที่ผู้ใช้ปิดสวิตช์เท่านั้น นี่เป็นเพราะโอห์มมิเตอร์ส่งสัญญาณแรงดันที่ปรับเทียบแล้วและวัดกระแสที่ไหลผ่านหัวทดสอบ ซึ่งแปลงเป็นโอห์มโดยการหารแรงดันด้วยค่าปัจจุบัน

การเชื่อมต่อใดๆ ของแรงดันไฟต่ำภายนอกระหว่างการวัดจะสร้างกระแสเพิ่มเติมและบิดเบือนผลลัพธ์ เมื่อพิจารณาว่าวงจรภายในของโอห์มมิเตอร์มีพลังงานต่ำ ในกรณีของการวัดความต้านทานที่ผิดพลาดเมื่อใช้แรงดันไฟฟ้าภายนอก อุปกรณ์มักจะล้มเหลวเนื่องจากวงจรภายในไหม้

การรู้ลักษณะพื้นฐานของกระแส แรงดัน ความต้านทาน และความสัมพันธ์ระหว่างคุณสมบัติเหล่านี้ช่วยให้ช่างไฟฟ้าสามารถทำงานได้สำเร็จและใช้งานระบบไฟฟ้าได้อย่างน่าเชื่อถือ และความผิดพลาดที่เกิดขึ้นมักจะจบลงด้วยอุบัติเหตุและการบาดเจ็บ