Osnove elektrotehnike

• Friderik Back :: 8. avg 2005

Pogosto slišimo pojme, kot so električna napetost, tok, moč, in še veliko drugih, pa ne vemo, kaj pomenijo. Zato smo za vas pripravili kratek članek, v katerem bomo spoznali najpomembnejše pojme elektrotehnike.

Električna napetost

Suhoparna definicija pravi: Električna napetost je razlika dveh potencialov. In kaj naj bi to pomenilo?

Električno napetost bi lahko primerjali z nadmorsko višino, ta predstavlja razdaljo med morsko gladino in višino posameznega kraja. Tako lahko rečemo, da je kraj A 500 m visoko nad morjem, vrh hriba B pa 1200 m nad morjem. Lahko tudi rečemo, da je vrh hriba 700 m nad krajem A, kar pa ni preveč praktično, saj bi se višina hriba navidezno spreminjala v odvisnosti od kraja, s katerim bi hrib primerjali. Iz tega razloga se višine v geografiji merijo iz enotne osnove, to je morska gladina (razen v primerih, kadar je to posebej navedeno). Nadmorska višina ima lahko tudi negativen predznak, v primerih, ko merimo globino morskega dna na nekem mestu ali pa kraj, ki leži v depresiji.




Pri elektriki je podobno, le da tu gladino morja zamenjuje napetost tal. Vsa električna omrežja imajo en vodnik povezan s tlemi, tako meritve opravljamo med tlemi in tisto točko, ki ji želimo izmeriti napetost. Vodnik v omrežjih, ki je spojen z zemljo, se imenuje ničelni vodnik ali po domače nula.

Kadar v sistemu, katerega napetost nas zanima, ena od merilnih točk niso tla, morata biti za določanje napetosti znani obe merilni točki (npr. med pozitivnim in negativnim polom baterije). Enota za električno napetost je volt, označimo jo z veliko tiskano črko V.

Električni tok

Električni tok je usmerjeno gibanje električnih delcev skozi vodnik od enega napetostnega potenciala k drugemu. Enako kot voda, ki teče iz višjeležeče posode v nižjeležečo, teče električni tok od pozitivnega potenciala k negativnemu, kar je sicer v nasprotju z gibanjem elektronov (ti se gibljejo od negativnega pola k pozitivnemu), ampak takšen je dogovor v fiziki. Enota za električni tok je amper, označimo pa jo z veliko tiskano črko A.

Električna upornost

Upornost je lastnost snovi, ki nam pove, kako sposobna se je upirati prehodu električnega toka. Ponovno lahko naredimo primerjavo z vodnim tokom. Če vodo pretakamo iz ene posode v drugo po slamici, je bomo v enakem času pretočili precej manj, kot če uporabimo cev za zalivanje vrta. Upornost slamice je torej večja od upornosti vrtne cevi.




Kovine imajo majhno električno upornost (zato se tudi uporabljajo za električne vodnike), oglje večjo, plastične mase in porcelan pa tako veliko, da lahko govorimo o električnih izolatorjih - snoveh, ki električnega toka praktično ne prevajajo. Merska enota za električno upornost je ohm (izg. om), simbol pa je velika grška črka Omega (Ω).

Povezava med napetostjo, tokom in upornostjo

Preden spoznamo povezavo med napetostjo, tokom in upornostjo, poglejmo še, kako fiziki označujejo posamezne električne količine:

U - napetost v voltih
I - tok v amperih
R - upornost v ohmih

Najbrž ste že iz prejšnjih opisov in naših primerov s pretakanjem vode zaslutili, da so napetost, tok in upornost med seboj povezani - povezava med njimi je Ohmov zakon, ki velja za abecedo elektotehnike in se glasi:

Velikost električnega toka je sorazmerna z električno napetostjo in obratno sorazmerna z električno upornostjo.

Oziroma v obliki formule:

I = U / R

Električna moč in delo

Omenjena pojma v običajnem življenju pogosto zamenjujemo, posledično pa prihaja do nesporazumov.

Električna moč

Ponovno lahko potegnemo vzporednice z vodo. Moč vodnega toka reke je odvisna od njenega padca in količine vode, moč električnega toka pa je odvisna od napetosti in toka (je njun zmnožek). Označimo jo z veliko tiskano črko P, merska enota je watt (oznaka - velika tiskana črka W)

P = U * I

Moč lahko tudi izpeljemo iz Ohmovega zakona:

P = U² / R
ali
P = I² * R

Električno delo

Električno delo kot količina nam pove, koliko časa neka moč dejansko opravlja delo. Za primer - če v mrzlo sobo postavimo kalorifer z močjo 2000 W in ga ne priklopimo, soba ne bo nič bolj topla, kar pomeni, da kalorifer ni opravil nobenega dela, čeprav ima moč 2000 W. Še en primer - kalorifer z močjo 2000 W, ki dela 30 minut, opravi enako količino dela kot drug kalorifer z močjo 1000 W, ki je dela celo uro. Oba oddata enako količino toplote in oba porabita enako količino elektrike.

A = P * t

Osnovna enota za električno delo je wattsekunda (oznaka Ws), iz vsakdanjega življenja pa najbolj poznamo večjo, bolj praktično enoto - kilowattura (oznaka kWh).

Viri električne napetosti

Za uporabo električne energije potrebujemo vire le-te. V njih se ponavadi energija druge vrste (mehanska - generator ali dinamo, kemična - baterije in akumulatorji, toplotna in svetlobna - sončne celice) spreminja v električno energijo zahtevane napetosti, toka in frekvence. Poznamo tudi vire, v katere že pride električna energija in jo ti samo preoblikujejo oz. spremenijo njene značilnosti (računalniški napajalnik, transformator, frekvenčni pretvornik, ...).

Električni porabnik

Porabnik navidezno porabi električno energijo, v bistvu pa jo spremeni v neko drugo obliko (toploto - kalorifer, svetlobo - luč, mehansko delo - elektromotor, zvok - zvočnik).

Električni vodnik

Vodniki pripeljejo električni tok od vira do porabnika. Običajno gre za kovinske žice, obdane s snovjo visoke upornosti, ki skrbi za izolacijo. Vodniki imajo lastno (sicer relativno majhno) upornost, zato so istočasno tudi porabniki, kar lahko povzroči neželeno izgubo energije. Iz tega razloga je določena največja določena tokovna obremenitev vsakega vodnika, da omenjene izgube, ki se kažejo v obliki gretja, niso prevelike.

Izmenični tok in napetost

Kot smo že izvedeli, teče električni tok samo od pozitivnega potenciala k negativnemu, kar imenujemo enosmerni tok. Poznamo pa tudi drugo vrsto, in sicer izmenični tok. Do njega pride, če se polariteta potencialov neprestano izmenjuje, saj se posledično izmenjuje tudi smer toka. Tok torej ne teče več le v eno smer, ampak v obe, zato odpadejo pozitivne in negativne oznake potencialov, spoznamo pa novo količino - frekvenco.

Pri izmeničnem električnem toku izraz frekvenca pomeni število sprememb smeri toka v 1 sekundi. Enota za frekvenco je hertz, oznaka pa Hz.

Predpone enot

Zapisovanje fizikalnih količin v obliki nekajmestnih števil ali števil z mnogo decimalnimi mesti je nepregledno, pogosto pa tudi vodi v napake. Da se izognemo tem težavam, uporabljamo predpone, ki jih dodamo osnovni enoti in s tem za nekajkrat povečamo ali zmanjšamo njeno vrednost.

T (tera) = 10¹² = 1.000.000.000.000
G (giga) = 10⁹ = 1.000.000.000
M (mega) = 10⁶ = 1.000.000
k (kilo) = 10³ = 1.000
Osnovna enota
m (mili) = 10^-3 =1 / 1.000
u (mikro)= 10^-6 =1 / 1.000.000
n (nano) = 10^-9 =1 / 1.000.000.000
p (piko) = 10^-12=1 / 1.000.000.000.000

Tako pomeni:

1 pW = 0,000.000.000.001 W
1 mA = 0,001 A
1 kV = 1000 V
1 MΩ= 1000000Ω

Na predpone moramo biti pozorni pri računanju, sicer lahko pri mešanju enot z različnimi predponami pridemo do povsem napačnih rezultatov.

Osnovna električna vezja

Električno vezje je sestavljeno iz najmanj enega vira električne energije, enega porabnika in vodnikov, ki povezujejo porabnik in vir. Če je vezje sklenjeno, v njem teče električni tok.

Vzporedna vezava

Če se v neki točki vezje razdeli na več krakov ali vej, je vsota vseh tokov, ki izhajajo iz te točke enaka vsoti toka, ki priteče do te točke. Takšno vezavo imenujemo vzporedna.




Za primer vzamimo vzporedno vezane upornike, kjer velja še, da so napetosti na uporih enake in da je dovodni tok enak odvodnemu.




V takšnem vezju lahko izračunamo tudi nadomestno upornost. To je navidezna upornost, ki bi jo moral imeti en sam upornik, da bi nadomestil obstoječe upornike v vezju. Za izračun nadomestne upornosti uporabimo naslednjo formulo:

1/R = 1 / R1 + 1 / R2 + 1 / R3 + ... + 1 / Rn

Obstaja tudi enostavnejša oblika formule, ki je uporabna samo v primeru, ko računamo nadomestno upornost zgolj dvema upornikoma.

R = R1 * R2 / (R1 + R2)

Zaporedna vezava

Pri zaporedno vezanih porabnikih je tok skozi njih vedno enak, seštevek padcev napetosti pa je enak napetosti električnega vira.





Nadomestna upornost je v primeru zaporedno vezanih porabnikov preprosto enaka seštevku njihovih posameznih upornosti.

R = R1 + R2 + ... + Rn

Simboli za risanje elektronskih vezij

Navedeni simboli so eni najpogostejših, ki jih uporabljamo pri risanju shem elektronskih vezij. Vsakemu od njih lahko na načrtu pripišemo podrobnejše podatke (napetost, tok, moč, upornost, kataloška oznaka, ...), ki bolj natančno opisujejo element, katerega simbol predstavlja. Če za risanje lastnih shem potrebujete simbole, jih lahko elegantno snamete od tukaj.

Varnost pri delu z električnim tokom

Električni tok ima moč, ki opravlja mnoga koristna dela, v neveščih ali malomarnih rokah pa lahko postane njegova moč zelo nevarna, pogosto tudi morilska. Vsi viri, katerih napetost je višja od 50 V in tok od 20 mA, so za ljudi smrtno nevarni. Za domače živali so lahko usodne že pol manjše količine.

10 napotkov za varno delo:

1. Vedno, ko delate na električnih napravah, jih odklopite iz električnega omrežja in se prepričajte, da niso pod napetostjo.

2. Če morate neko napravo preizkusiti pod napetostjo, nikar ne šarite po njeni notranjosti.

3. Tudi če naprava ni priključena na napetost, lahko ostanejo kondenzatorji v njej še enkaj časa nabiti, zato se ne dotikajte elementov takoj po izklopu, raje za deset minut odložite delo.

4. Poskrbite za dobro razsvetljavo delovnega prostora.

5. Poskusite pridobiti čimveč informacij o postopku, ki ga boste opravljali na električnih napravah.

6. Uporabljajte kvalitetna orodja in to samo za postopke, katerim so namenjena.

7. Del se nikoli ne lotevajte utrujeni, čustveno nabiti ter pod vplivom zdravil in/ali opojnih substanc.

8. Uporabljajte zaščitno opremo: očala, rokavice, masko proti prahu, ...

9. V primeru dela na višini ali drugače nevarnem mestu najprej poskrbite za lastno varnost.

10. Pri delu z električnimi napravami se ne šalite in igrajte, da ne bo prišlo do resnih posledic.