Słów kilka o… elektryczności cz.2

Witaj w drugim wpisie o podstawach elektryczności. Dzisiaj rozwinę temat obwodu elektrycznego i odpowiem na dwa kolejne pytania w tym cyklu:

• Co się stanie (jakie będzie napięcie i natężenie prądu w obwodzie) jeśli zamiast jednej żarówki podepniemy dwie żarówki szeregowo, a co jeśli dwie równolegle?
• Czym jest i jak definiujemy moc pobieraną przez urządzenie elektryczne?

Krótkie przypomnienie

W poprzednim artykule przyrównałem obieg wodny do obwodu elektrycznego. Zademonstrowałem najprostszy obwód elektryczny składający się z zasilacza (źródło napięcia), włącznika światła (przerwa w obwodzie na życzenie) i żarówki (opornik elektryczny).

vs

Jako, że obwody oświetleniowe, które posiadamy w domach składają się (najczęściej) z większej liczby żarówek, omówię konsekwencje dołożenia kolejnej żarówki do naszego obwodu, oraz podam konkretne liczby (natężenie prądu, napięcie i opór) i co się z tymi wartościami dzieje, gdy żarówek (odbiorników) jest 2 lub więcej.

Łączymy szeregowo…

A więc mamy dwie żarówki. Możemy je wpiąć na dwa sposoby:

• szeregowo
• równolegle

Każdy rodzaj połączenia ma swoje konsekwencje. Podłączenie szeregowe odbiorników wygląda tak:

vs

Po lewej stronie mamy zamknięty obieg wodny z dwoma kołowrotami, o różnych oporach mechaniczncyh, po prawej otwarty obwód elektryczny z dwoma żarówkami o różnych oporach elektrycznych. W praktyce im żarówka ma mniejszy opór (płynie przez nią więcej prądu), tym jaśniej świeci. Dla celów poznawczych jednak założę, że obie żarówki podczas normalnej pracy świecą tak samo jasno.

Dobra! Otwieramy zawór i zamykamy obwód:

vs

Widzimy, że kołowrót 2 wolniej się obraca. Pomimo tego, że przepływa przez niego tyle samo wody co przez kołowrót 1, to ciśnienie (napór wody) na kołowrocie 2 (p2) jest mniejsze niż na kołowrocie 1 (p1). Z każdym dodanym oporem czy to będzie kołowrót, czy zmniejszona średnica rurki, ciśnienie będzie spadać. Tutaj założyłem, że ciśnienie za kołowrotem 2 spadło całkowicie.

Podobnie sytuacja wygląda w obwodzie elektrycznym. Podłączyliśmy do zasilacza o napięciu U = 12 Volt (czyli takiego, którego często stosujemy do podłączania żarówek / taśm LED) dwie żarówki, które do poprawnej pracy również potrzebują napięcia 12V. W przypadku takiego podłączenia, żadna żarówka nie będzie zasilona właściwym napięciem. Pierwsza żarówka wygeneruje bowiem spadek napięcia na poziomie 9.6V (12V – 2.4V). Do żarówki 2 „dotarło” jedynie napięcie U = 2.4V. Pomimo przepływającego prądu o natężeniu I = 0.4 Ampera, w rzeczywistości żarówka 2 prawdopodobnie nie zaświeci (tutaj ją trochę podkolorowałem).
Warty odnotowania jest fakt, że w całym obwodzie natężenie prądu jest takie same.

…a teraz równolegle

Zanim przejdę do kolejnej konfiguracji, prosty wniosek: w instalacjach domowych podłączanie urządzeń elektrycznych w sposób szeregowy w 99.9% przypadków jest niepoprawne. Tak nie robimy, kropka.

Teraz pokażę jak powinno być dobrze czyli równolegle.

vs

Zawór (włącznik światła) znajduje się na dopływie do obu kołowrotów (żarówek), stąd też odkręcenie zaworu (załączenie włącznika) spowoduje uruchomienie obu kołowrotów naraz (obie żarówki się zaświecą). Przeniesienie wyłącznika światła do któregoś z odgałęzień umożliwi sterowanie tylko jedną żarówką.

Pstryk:

vs

Okej, przyjrzyjmy się naszym kołowrotom. Pompa pompuje wodę o określonym ciśnieniu. Skoro przed kołowrotami nie ma żadnych oporów to ciśnienie jest identyczne przed kołowrotem 1 i przed kołowrotem 2. Różnica jest w przepływie. Z pompy wypływa określona ilość wody w ciągu minuty (przepływ F), część wody przepłynie przez kołowrót 1 (F1), a w tym samym czasie część z podanej przez pompę wody przepłynie przez kołowrót 2 (F2). Zasada jest taka, że przez kołowrót który stawia mniejszy opór przepłynie więcej wody. Za kołowrotami strumienie wody się łączą i do pompy wpływa w ciągu założonej minuty tyle samo wody co z niej wypłynęło.

Analogicznie w obwodzie elektrycznym. Napięcie na żarówkach jest identyczne! O to właśnie chodziło. U = 12V. Przez żarówkę 2 przepłynie prąd o większym natężeniu (przepłynie większy prąd) niż przez żarówkę 1, ponieważ żarówka 2 stawia mniejszy opór elektryczny.
Dodatkowo, prąd wypływający z zasilacza I = 2.5 Ampera, co prawda rozpływa się w dwóch kierunkach (I1 = 0.5A i I2 = 2A), ale ostatecznie „za” żarówkami sumuje się i do zasilacza dopływa prąd o takim samym natężeniu co z niego wypłynął. I to jest bardzo ważna zasada!

Podsumowując:

• Łącząc urządzenia szeregowo nie kontrolujemy wielkości napięcia dostarczanego do urządzenia.
• Połączenie równoległe jest właściwe. Napięcie jest identyczne na każdym urządzeniu.
  W mieszkaniu / domu posiadamy gniazdka elektryczne o napięciu 230V, stąd też wiadomo że każde gniazdko jest podpięte równolegle w stosunku do źródła napięcia.
• Ile prądu wpłynie do węzła (rozgałęzienia), tyle z niego musi wypłynąć. Super ważne!

Niech moc będzie z tobą

W naszych rozważaniach posuniemy się teraz o krok dalej i opowiemy sobie o tym czym jest moc w obwodach elektrycznych. A więc, moc to nic innego jak ilość energii jaka podczas normalnej pracy urządzeń jest dostarczona do urządzenia elektrycznego.

W urządzeniach domowego użytku najmniej energii zużywają ładowarki do telefonów, żarówki energooszczędne / LED, a najwięcej elementy, które mają za zadanie wytworzyć dużą ilość ciepła czyli czajniki, płyty grzejne, piekarniki itd.

Jak ją wyznaczamy?

Wzór jest prosty: MOC = NAPIĘCIE * PRĄD czyli P = U * I.

Jednostką mocy (czynnej) jest dobrze znany wszystkim Wat.

Jakiej zatem mocy były żarówki z przykładu równoległego połączenia żarówek? Policzmy.
Żarówka 1:
P = 12V * 0.5A = 6 Wat

Żarówka 2:
P = 12V * 2A = 24 Wat

Żarówka nr 2 pobiera większą moc ze źródła więc (w teorii) powinna świecić jaśniej.

Z ilości pobranej mocy jesteśmy rozliczani w zakładzie energetycznym. Dla zainteresowanych, ten gościu przygotował w Excelu kalkulator do przeliczania Watów (W) na kilowatogodziny (kWh). (Nie, nie mam z tego tytułu żadnych przychodów 🙂 ).

Ciąg dalszy podstaw elektryczności w dalszym odcinku.
Pozdrowienia 🙂

PS. Wiem, że w obwodach prądu przemiennego do wzoru na moc dochodzi jeden współczynnik, jednak nie ma to teraz znaczenia. Omówię tą kwestię bliżej, gdy będę opisywał prąd o napięciu 230V~.

PS2. Jeśli masz kłopot z przetrawieniem tej porcji wiedzy, spróbuj powrócić do części pierwszej artykułu. Jeśli to nie pomoże, zawsze możesz napisać komentarz lub skorzystać z maila.

PS3. Jeśli szukasz potwierdzenia i rozwinięcia powyższych dywagacji z matematycznego punktu widzenia w formie lekkostrawnej, proponuję, żebyś zajrzał do artykułu O sile elektromotorycznej, czyli drugie prawo Kirchhoffa znajdującego się na blogu elektroniczny.eu.