W naszych domach jest na ogół dużo różnych odbiorników energii elektrycznej: oświetlenie, sprzęt RTV i AGD, komputery i inne urządzenia.
R1GxvG19Ph6uU
Rys. 1. Na zdjęciu przedstawiono salon mieszkania wraz z fragmentem korytarza. Widoczne są kanapa z poduszkami, stolik kawowy, fotel, dywan, szafki na ścianie, telewizor, lampki, rośliny w doniczkach oraz rzeźby i inne ozdoby.
Rys. 1. W domu używamy wielu odbiorników prądu jednocześnie
Źródło: dostępny w internecie: https://www.pexels.com/photo/living-room-3797991/ [dostęp 12.07.2022].
Wiele z nich użytkujemy jednocześnie, a każde wymaga zasilania napięciem sieciowym, czyli 230 V. Aby spełnić to wymaganie, musimy wszystkie urządzenia połączyć równolegle, czyli tak, jak na Rys. 2.
RDzqPhGeOO48Y
Rys. 2. Na rysunku przedstawiono różne urządzenia elektryczne. Są one ułożone w pionie, jedno pod drugim. Patrząc od góry, jest to lodówka, pralka, mała żarówka, duża żarówka i czajnik elektryczny. Z lewego i prawego boku każdego urządzenia wychodzą linie symbolizujące przewody elektryczne. Wszystkie linie z lewej strony zbiegają się w jednym czarnym punkcie po lewej stronie urządzeń, tak samo wszystkie linie z prawej strony urządzeń zbiegają się w jednym czarnym punkcie po prawej. Od obydwu czarnych punktów wyprowadzone są pionowe linie w dół. Pionowe linie kończą się białymi punktami. Pomiędzy punktami zapisano tylda 230 V, co symbolizuje napięcie w domowej sieci elektrycznej. Rysunek obrazuje że każde urządzenie elektryczne w domu jest podłączone na osobnej gałęzi.
Rys. 2.Sposób połączenia urządzeń w domowej instalacji elektrycznej
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0. https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.pl.
Obwód zasilania rozgałęzia się na kilka innych obwodów. Takie rozgałęzienie przewodów nazywamy węzłem. Prąd wpływający z przewodu zasilającego rozdziela się na kilka innych z zachowaniem zasady sumowania natężeń prądów, czyli I prawa KirchhoffaI prawo KirchhoffaI prawa Kirchhoffa. Na temat tego prawa możesz przeczytać na przykład w e‑materiale „Poznajemy I prawo Kirchhoffa”.
Rysując schematy elektryczne zakładamy, że opór przewodów połączeniowych jest pomijalnie mały. Możemy wiec zmieniać ich przebieg tak, by rysunek był jak najbardziej czytelny (patrz – Rys. 3).
R1KYN2FbpYwZJ
Rys. 3. Na rysunku przedstawiono tę samą informację, co na rysunku 2, lecz w bardziej schematyczny sposób. Pionowo w linii ułożono jedno pod drugim kilka urządzeń oznaczonych za pomocą symboli. Na samej górze znajduje się prostokąt z napisem lodówka, pod nim prostokąt z napisem pralka, pod nim koło ze znakiem X, będące symbolem żarówki, obok którego napisano żarówka 12 W, poniżej drugie koło ze znakiem X obok którego napisano żarówka 23 W, poniżej prostokąt z napisem czajnik, a poniżej dwa puste koła ułożone względem siebie poziomo w linii. Pomiędzy kołami zapisano tylda 230 V. Z obu stron każdego prostokąta i kół wychodzą poziome linie w lewo i w prawo. Poziome linie są ze sobą połączone przez dwie pionowe linie po lewej i po prawej. Pionowe linie biegną do dwóch pustych kół na dole, po jednej do każdego.
Rys. 3. Równoległe połączenie odbiorników domowej instalacji elektrycznej
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0. https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.pl.
Ten rodzaj połączenia odbiorników nazywamy równoległym. Można o nim przeczytać w kilku innych e‑materiałach, np. „Jak obliczyć opór zastępczy układu oporników połączonych równolegle?”.
W praktyce, przewody elektryczne biegnące w ścianach naszych domów prowadzi się kablami, zawierającymi dwie lub trzy żyły (patrz Rys. 4a. i 4b.), od punktów połączeniowych, do których doprowadzone jest zasilanie 230 V do punktów odbioru energii (gniazdek lub punktów świetlnych, służących do podłączenia lamp). Przykład wykonania takiej instalacji pokazano na Rys. 5.
RD6m5Vo1ggVj1
Rys. 4a. Zdjęcie przedstawia kabel dwużyłowy. Składa się on z zewnętrznej, gumowej otoczki w kolorze białym. Wewnątrz otoczki znajdują się dwa przewody miedziane. Jeden otoczony jest gumową izolacją w kolorze brązowym, drugi w kolorze niebieskim.
Rys. 4a. Kabel dwużyłowy, używany w domowych instalacjach elektrycznych
Źródło: Politechnika Warszawska, Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.
RuYvmpyrVDhII
Rys. 4b. Zdjęcie przedstawia kabel trójżyłowy. Składa się on z zewnętrznej, gumowej otoczki w kolorze białym. Wewnątrz otoczki znajdują się trzy przewody miedziane. Jeden otoczony jest gumową izolacją w kolorze brązowym, drugi w kolorze niebieskim, trzeci w kolorze zielono‑żółtym.
Rys. 4b. Kabel trójżyłowy, używany w domowych instalacjach elektrycznych
Źródło: dostępny w internecie: https://pl.wikipedia.org/wiki/Plik:Electric_guide_3%C3%972.5_mm.jpg [dostęp 7.11.2022], licencja: CC BY-SA 4.0.
RyL3ZLJT7xJWC
Rys. 5. Zdjęcie przedstawia instalację elektryczną położoną domu, podczas jego budowy. Na ceglanej ścianie widoczne jest kilka przewodów. Główny przewód poprowadzony jest pionowo od sufitu do podłogi. Odchodzą od niego rozgałęzienia, w których zostaną potem zamontowane gniazdka lub postawione urządzenia elektryczne, jak np. telewizor. Część przewodów rozgałęzia się także po podłodze.
Rys. 5. Przykład wykonania domowej instalacji elektrycznej
Źródło: dostępny w internecie: https://en.wikipedia.org/wiki/File:Installing_electrical_wiring.jpg [dostęp 7.11.2022], domena publiczna.
Schematy domowych instalacji elektrycznych przedstawia się najczęściej odzwierciedlając przebieg przewodów, czyli tak, jak na Rys. 6.
RbwBDiW5rROyJ
Rys. 6. Rysunek przedstawia bardziej skomplikowany schemat rzeczywistej domowej instalacji elektrycznej. Na samej górze po lewej stronie znajduje się rozłącznik, tzw. modułowy. Łączą się w nim przewody instalacji domowej z połączeniem z instalacją energetyczną z elektrowni. Wyłączenie tego rozłącznika pozwala odciąć napięcie w całym domu, np. na czas remontu instalacji elektrycznej. Przez rozłącznik przechodzą trzy linie w kolorze czerwonym i jedna niebieska. Bezpośrednio pod rozłącznikiem linie rozgałęziają się i tworzą dwa takie same zestawy. Jeden zestaw linii idzie do tzw. wyłącznika nadprądowego, którego zadaniem jest wyłączanie prądu, w sytuacji, gdy natężenie prądu w instalacji przekracza bezpieczną wartość. Przewody idą następnie do ogranicznika przeciwprzepięciowego, którego zadaniem jest ochrona przed przepięciami, czyli gwałtownymi skokami napięcia, np. w wyniku uderzenia pioruna. Z ogranicznika wychodzi tylko jedna zielona linia, która prowadzi do uziemienia instalacji. Drugi komplet linii wychodzących z rozłącznika rozgałęzia się jeszcze raz. W ten sposób powstają kolejne gałęzie do których będą podłączane kolejne urządzenia w domu. Jeden cały komplet złożony z trzech czerwonych i jednego niebieskiego przewodu przechodzi przez wyłącznik różnicowoprądowy. Wyłącznik różnicowoprądowy wyłącza prąd, jeśli prąd wpływający przez niego jest inny niż prąd wypływający, co ma np. miejsce gdy człowiek zostaje porażony prądem z instalacji. Trzy czerwone linie przechodzą następnie przez wyłącznik nadprądowy, linia niebieska nie przechodzi przez niego i biegnie obok. Komplet czterech przewodów zbiega się przy symbolu kuchenki z piekarnikiem. Trzeci komplet przewodów otrzymany po drugim rozgałęzieniu rozgałęzia się dalej, ale już w inny sposób. Każda pojedyncza linia czerwona z kompletu rozgałęzia się na inne pojedyncze czerwone, a pojedyncza linia niebieska rozgałęzia się na kolejne pojedyncze niebieskie. Łącznie powstają cztery rozgałęzienia. Każda para – jeden przewód czerwony i niebieski przechodzi przez wyłączniki różnicowoprądowe. Po przejściu przez wyłączniki, cztery linie czerwone przechodzą przez cztery wyłączniki nadprądowe, a cztery linie niebieskie biegną obok. Linie z pierwszej gałęzi zbiegają się w gniazdku, do którego podłączona jest pralka. Linie z drugiej gałęzi zbiegają się w gniazdku, do którego podłączona jest lodówka. Linie z trzeciej gałęzi po przejściu przez wyłącznik rozgałęzia się na trzy kolejne gałęzie, po jednym przewodzie czerwonym i niebieskim. Linie czerwone przechodzą przez trzy wyłączniki nadprądowe, a linie niebieskie biegną obok. Linie zbiegają się ponownie w trzech gniazdkach. Linia z czwartej gałęzi po przejściu przez wyłącznik różnicowoprądowy rozgałęzia się na cztery kolejne gałęzie, z których czerwone przewody przechodzą przez wyłączniki nadprądowe, a niebieskie biegną obok. Przewody spotykają się ponownie przy czterech włącznikach światła, do których podłączone są żarówki. Kolejne rozgałęzienia, kolejne wyłączniki i urządzenia są umieszczane na prawo od istniejących, by zachować czytelność schematu. Z kuchenki, gniazdek i żarówek są dodatkowo wyprowadzone zielone linie, które łączą się w jedną prowadzącą do uziemienia.
Rys. 6. Fragment schematu domowej instalacji elektrycznej
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0. https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.pl.
Podsumowanie wiedzy zawartej w innych e‑materiałach na temat równoległego połączenia odbiorników.
Napięcie panujące na każdym z odbiorników jest takie samo.
Natężenie prądu wpływającego do rozgałęzienia (węzła) jest równe sumie natężeń prądów wypływających z niego.
Odwrotność oporu zastępczego wszystkich odbiorników połączonych równolegle jest sumą odwrotności ich oporów elektrycznych.
MocmocMoc wydzielana w całym połączeniu jest sumą mocy wydzielanych w poszczególnych gałęziach.
Słowniczek
I prawo Kirchhoffa
I prawo Kirchhoffa
(ang.: Kirchhoff's first law) Natężenie prądu wpływającego do rozgałęzienia (węzła) jest równe sumie natężeń prądów wypływających z niego.
Moc
Moc
(ang.: power) wielkość fizyczna określająca pracę wykonaną w jednostce czasu. Jednostką mocy jest wat (W). Moc elektryczna urządzenia to iloczyn napięcia panującego na jego końcach i natężenia przepływającego przezeń prądu.