O co chodzi z woltami i amperami?

Majster Guru: - No to spróbuję w kilku słowach przypomnieć kilka podstawowych pojęć. Na nasze potrzeby pominę różnice pomiędzy prądem stałym, uzyskiwanym np. z akumulatora samochodowego, a przemiennym, jaki płynie w domowej instalacji elektrycznej. No właśnie - płynie, bo prąd elektryczny to uporządkowany ruch (przepływ) elektronów w przewodniku. Proszę spojrzeć tu na rysunek obwodu elektrycznego. Jak widać, mamy tu źródło prądu, odbiornik oraz przewody, które ten obwód zamykają. Bez zamknięcia obwodu nie ma przepływu prądu.

Dlatego właśnie, chociażby ręczna latarka ma łącznik. Jednym pstryknięciem mogę zamknąć lub otworzyć obwód, odpowiednio ją załączając lub wyłączając. Odbiornikiem prądu jest w tym przypadku oczywiście żarówka, zaś źródłem prądu bateria. Proszę zauważyć, że taka bateria lub samochodowy akumulator ma zawsze dwa bieguny oznaczone "+" i "-". Na jednym biegunie mamy nadmiar, a na drugim niedobór elektronów. Po zamknięciu obwodu elektrony zaczynają płynąć, dążąc do wyrównania. Ta różnica pomiędzy biegunami, tzw. różnica potencjałów, to właśnie napięcie elektryczne, które podajemy w woltach (V).

Na nasze potrzeby wystarczy, aby Pan pamiętał, że w domowej instalacji elektrycznej, gdzie najczęściej korzysta się z tzw. prądu jednofazowego, różnica potencjałów występuje pomiędzy przewodem fazowym oznaczanym literą "L" oraz neutralnym - "N", który ma teoretycznie potencjał ziemi, określany jako zerowy. Różnica pomiędzy nimi wynosi 230 V. Tak na marginesie, to wiele osób używa nadal tradycyjnych pojęć "faza" i "zero".

Amper (A) jest z kolei jednostką natężenia prądu elektrycznego. Mówiąc obrazowo, natężenie informuje nas o intensywności przepływu. Z praktycznego punktu widzenia, dla Pana ważne jest to, że moc przesyłana w danym obwodzie jest iloczynem napięcia i natężenia prądu. W domowej instalacji napięcie się nie zmienia, tak więc zwiększenie obciążenia - podłączenie większej liczby urządzeń - oznacza automatycznie zwiększenie natężenia prądu. Jeśli np. podłączy Pan do gniazdka grzejnik elektryczny o mocy 2 kW (2000 W), wówczas natężenie prądu wyniesie:

I = P : U
I = 2000 W : 230 V
I = 8,7 A
I - natężenie prądu [A];
P - moc [W];
U - napięcie [V].

To bardzo ważna zależność, bo każdy przewód elektryczny można bezpiecznie obciążać prądem tylko do pewnego natężenia. Po przekroczeniu tej bezpiecznej granicy będzie się nadmiernie nagrzewał, może ulec uszkodzeniu i nawet wywołać pożar. O ile wcześniej nie zadziałają zabezpieczenia nadmiarowoprądowe w rozdzielnicy.

- A widzi Pan. Najpewniej wszystkie gniazda w mieszkaniu to był jeden obwód. W starych instalacjach to dość powszechne. Teraz robi się to inaczej i dla urządzeń o większej mocy powinien Pan mieć w nowym domu wydzielone obwody - po jednym dla każdego takiego urządzenia.

Znam zresztą i taki przypadek, że człowiekowi mieszkającemu w takiej starej kamienicy, ktoś doradził, aby wymienił bezpieczniki na dostosowane do obciążenia większym prądem, czy może nawet ich "naprawienie" kawałkiem drutu. Efekt był taki, że bezpieczniki wytrzymały, ale przewód w ścianie się spalił. Dobrze, że nie powstał z tego pożar...

- To efekt uboczny przepływu prądu w przewodniku. Nawet dobry przewodnik, jakim jest miedź używana na przewody, powoduje pewien opór przepływu. Towarzyszy temu wydzielanie ciepła, a także pewien spadek napięcia. Stopień rozgrzania rośnie ze wzrostem natężenia prądu, maleje zaś wraz z powiększeniem pola przekroju przewodnika. W praktyce oznacza to, że gdy jakiś przewód ma być mocno obciążony prądem, to powiększa się jego przekrój.

Przykładowo obwody oświetleniowe w domach układa się przewodami o przekroju żył zaledwie 1,5 mm2, bo z założenia ich obciążenie jest dość niewielkie. Na obwody gniazd stosuje się już przewody 2,5 mm2, zaś ze złącza do domu układa się np. kabel z żyłami o przekroju 10 mm2 każda. Może wrócę do wcześniejszej analogii z przepływem wody w rurach. Wodociąg zaopatrujący wiele domów ma zawsze dużą średnicę, główne przyłącze domu wykonuje się już cieńszą rurą, a w budynku kolejne odgałęzienia są jeszcze cieńsze. Z przewodami elektrycznymi jest dokładnie tak samo. To, jaki przewód trzeba doprowadzić prąd do domu zależy właśnie od zapotrzebowania na moc, o którym teraz pomówimy.

- Niekoniecznie. Proszę sobie przypomnieć, co mówiliśmy o zużyciu prądu - liczonym w kWh oraz o mocy, którą mierzymy w kW. Duże zapotrzebowanie na moc oraz duże zużycie prądu wcale nie muszą być z sobą zbieżne.

- Właśnie wpadł Pan w typową pułapkę tzw. zdroworozsądkowego myślenia: duża moc urządzenia to automatycznie duże zużycie prądu. Jednak to duże zapotrzebowanie na moc może występować tylko chwilowo, a w efekcie - zużycie prądu wcale nie będzie duże. Wrócę do przykładu z przepływowym ogrzewaczem wody. Do komfortowego wzięcia prysznica potrzebujemy urządzenia o mocy ok. 20 kW. Woda leci z niego, dajmy na to, przez 15 minut. Zużywa więc w tym czasie: 20 kW × 0,25 h = 5 kWh

Tak czy inaczej, obecność takiego podgrzewacza w domu oznacza, że całkowita moc przyłączeniowa będzie musiała wynieść ok. 30 kW, bo przecież w czasie jego działania mogą też pracować różne inne urządzenia.

A proszę sobie teraz wyobrazić inny dom, ogrzewany grzejnikami elektrycznymi o łącznej mocy np. 8 kW, lecz wyposażony w zasobnik c.w.u. z grzałką o mocy 2 kW. Chwilowe zapotrzebowanie na moc będzie mniejsze, nie przekroczy raczej 20 kW: 8 kW (grzejniki) + 2 kW (grzałka) + 10 kW (inne urządzenia) = 20 kW

Ale z całą pewnością zużycie prądu w tym ogrzewanym elektrycznością domu będzie większe.