Warto przeczytać

Tabliczka znamionowa to trwale przymocowany do urządzenia element, który zawiera podstawowe informacje na jego temat, w tym dotyczące parametrów jego pracy. Przykład wraz z opisem znajdziesz na rysunku obok.

RzWz5khNWwiFK
Rys. a. Tabliczka znamionowa urządzenia elektrycznego z opisem.
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0. Licencja: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.pl.

Tabliczka na rysunku dotyczy silnika elektrycznego zasilanego trójfazowym prądem przemiennym. W tym e‑materiale zajmiemy się łatwiejszymi przypadkami: urządzeniami jednofazowymi, dla których można stosować reguły rządzące przepływem prądu stałego (czyli tak, jakby były zwykłymi opornikami). Będziemy więc brali pod uwagę następujące parametry, spośród występujących na tabliczkach znamionowych:

  1. napięcie znamionowe,

  2. natężenie prądu,

  3. moc pobierana z sieci elektrycznej,

  4. moc użyteczna urządzenia.

W praktyce codziennej, interesuje nas najczęściej:

  1. w jaki sposób możemy bezpiecznie łączyć urządzenia elektryczne,

  2. ile urządzeń możemy podłączyć, by nie przeciążyć instalacji,

  3. do jakiego rodzaju prądu można podłączyć urządzenie 4. stałego, czy przemiennego.

Ucząc się fizyki, możemy też być poproszeni o obliczenie oporu elektrycznego urządzenia lub  pracy wykonanej przez nie w określonym czasie.

Równoległe i szeregowe łączenie urządzeń

Domowe urządzenia elektryczne łączy się do sieci równolegle, czyli tak, jak pokazano na Rys. 1.

RIemz8J71gOUE
Rys. 1. Równoległe połączenie odbiorników w domowej instalacji elektrycznej.
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0. https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.pl.

Dzięki temu, każde z nich zasilane jest takim samym napięciem, 230 V. Natężenia prądów przepływających przez różne elementy mają wtedy różne wartości, a wszystkie sumują się do natężenia prądu przepływającego przez źródło.

Czasami występuje jednak potrzeba szeregowego połączenia odbiorników tak, jak na Rys. 2. Przykładem mogą być lampki choinkowe starszego typu.

RSFjZmJdPdQg7
Rys. 2. Szeregowe połączenie odbiorników (na przykład lampek choinkowych).
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0. https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.pl.

Przy takim połączeniu, przez każdy element przepływa prąd o jednakowym natężeniu, a spadki napięć na nich sumują się.

Jeżeli napięcie znamionowe każdej żaróweczki choinkowej (czyli napięcie, do którego należy ją podłączać) wynosi 3V, to w jednym zestawie powinniśmy ich połączyć 77:

(1)230 V3 V=76,7.

Połączenie większej ich liczby spowoduje, że każda będzie świeciła słabiej, gdyż panujące na jej końcach napięcie będzie mniejsze, niż znamionowe (zalecane przez producenta). Połączenie mniejszej liczby może być niebezpieczne, gdyż wtedy zbyt wysokie napięcie na każdej żarówce może spowodować jej przepalenie.

Wadą takiego połączenia jest fakt, że przy awarii choćby jednej żarówki w szeregu następuje przerwanie obwodu elektrycznego i nie świeci wtedy żadna z nich.

Obliczanie natężenia prądu

Załóżmy, że włączamy do domowej instalacji elektrycznej suszarkę do włosów. Na jej tabliczce znamionowej zapisano, że ma ona moc 1600 W. Obliczmy, jakie jest natężenie prądu przepływającego przez nią. Wykorzystamy wzór, który wyprowadzono w e‑materiale „Jak definiuje się moc prądu elektrycznego?”:

(2)P=UI,

gdzie literą P oznaczyliśmy moc urządzenia, U to napięcie znamionowe sieci (230 V), a I to szukane natężenie prądu. Mamy więc:

(3)I=PU=1600W230V=7,0A.

Wynik zaokrągliliśmy do dwóch cyfr znaczących.

Ile takich suszarek możemy podłączyć jednocześnie, by nie przeciążyć instalacji zabezpieczonej bezpiecznikiem o wartości 16 A? Prosty rachunek pokazuje, że takich suszarek mogą w domu używać jednocześnie tylko dwie osoby.

Odczytywanie rodzaju prądu

W domowej sieci elektrycznej płynie prąd przemienny. Akumulatory trzeba ładować prądem stałym. Niektóre urządzenia, na przykład żarówki lub grzejniki, mogą być zasilanie obydwoma rodzajami prądu. Na Rys. 3. pokazano oznaczenia, jakie stosuje się na tabliczkach znamionowych do wskazania rodzaju prądu, do jakiego należy podłączyć urządzenie.

RBKx6WEAVhQ3N
Rys. 3. Oznaczenie prądu przemiennego i stałego na tabliczce znamionowej.
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0. https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.pl.

Obliczanie oporu urządzenia

Znając moc P i napięcie znamionowe U urządzenia elektrycznego, możemy obliczyć jego opór R. Korzystając ze wzoru (2) i prawa Ohma, mamy:

(4)P=UI=UUR=U2R,

a więc

(5)R=U2P.

Obliczanie pracy

Czasami zachodzi konieczność obliczenia pracy W, jaką wykonało urządzenie elektryczne pracując w czasie t. Pamiętając o tym, że moc (z definicji) równa jest pracy wykonanej w jednostce czasu (czyli moc, to szybkość, z jaką wykonywana jest praca), możemy napisać:

(6)W=Pt.

Przy obliczaniu ciepła właściwego wody podgrzewanej w czajniku przyjmujemy, że praca wykonana przez prąd elektryczny, obliczona według wzoru (6), została zamieniona na ciepło dostarczone wodzie i dzięki temu możemy zastosować wzory kalorymetryczne do dalszych obliczeń. Założenie to jest przybliżone, gdyż wiadomo, że nie ma urządzeń pracujących ze sprawnościąsprawnośćsprawnością wynoszącą 100%. W rzeczywistości, musimy odróżniać moc elektryczną pobieraną przez urządzenie z sieci od mocy użytecznej, jaką wykorzystuje urządzenie do wykonania pracy.

Warto na koniec wspomnieć o informacjach dotyczących bezpieczeństwa użytkowania, umieszczonych na tabliczkach znamionowych urządzeń elektrycznych. Najczęściej są to:

  1. stopień ochrony – czyli zabezpieczenie przed dostępem do części umieszczonych wewnątrz i wnikaniem obcych ciał stałych oraz cieczy (tzw. kod IP);

  2. klasa izolacji (ochronności) – czyli stopień zabezpieczenia przed porażeniem prądem;

  3. certyfikat bezpieczeństwa CE – obowiązkowe w państwach Unii Europejskiej poświadczenie jakości zgodnej z odpowiednimi dyrektywami.

Słowniczek

sprawność
sprawność

(ang.: efficiency) wielkość bezwymiarowa, podawana zwykle w procentach, określająca w jakim stopniu energia wejściowa urządzenia zamieniana jest na energię wyjściową.