Sobre el corrent elèctric, la tensió i la potència d'un llibre infantil soviètic: senzill i clar
A la Unió Soviètica, que va aconseguir èxits molt seriosos en el desenvolupament de la ciència i la tecnologia, el moviment radioaficionat es va generalitzar. Molts milers de joves ciutadans han estudiat enginyeria radiofònica sota la direcció d'instructors de cercles de ràdio i clubs de ràdio que disposen de literatura tècnica especial, eines i instruments. Molts d'ells en el futur es van convertir en enginyers, dissenyadors i científics qualificats.
Es va publicar literatura científica popular per a aquests circuits de ràdio, en la qual s'explicaven diversos temes de física, mecànica, enginyeria elèctrica i electrònica amb un llenguatge senzill amb un gran nombre d'il·lustracions.
Un dels exemples d'aquests llibres és el llibre de Cheslov Klimchevsky "The Alphabet of a Radio Amateur", publicat per l'editorial "Svyazizdat" el 1962. La primera secció del llibre s'anomena "Enginyeria elèctrica", la segona secció és "Ràdio". Enginyeria", la tercera és "Assessorament pràctic". , la quarta secció — «Ens instal·lem».
El llibre en si es pot descarregar aquí: L'alfabet de ràdio amateur (salvatge)
Aquest tipus de llibres als anys 60 no pertanyien a la literatura altament especialitzada.Es van publicar en tiratges de desenes de milers d'exemplars i estaven destinats a un lector massiu.
La ràdio Raz es va aplicar tan completament a la vida diària de la gent, així que en aquell moment es creia que no es podia limitar només per la capacitat de girar els botons. I tota persona educada hauria d'estudiar ràdio per entendre com es duu a terme la transmissió i la recepció de ràdio, per familiaritzar-se amb els fenòmens elèctrics i magnètics bàsics que són la clau de la teoria de l'enginyeria radiofònica. També cal, en general, familiaritzar-se amb els sistemes i el disseny dels dispositius receptors.
Mirem junts i jutgem com en aquell moment sabien explicar coses complexes amb imatges senzilles.
Un radioaficionat novell del nostre temps:
Sobre el corrent elèctric
Totes les substàncies del món i, en conseqüència, tots els objectes que ens envolten, muntanyes, mars, aire, plantes, animals, persones, estan formats per partícules, molècules incommensurablement petites, i aquestes darreres, al seu torn, d'àtoms. Un tros de ferro, una gota d'aigua, una quantitat insignificant d'oxigen, són una acumulació de milers de milions d'àtoms, un tipus en ferro, un altre en aigua o oxigen.
Si mireu el bosc de lluny, sembla una franja fosca que és d'una sola peça (compareu-la, per exemple, amb una peça de ferro). A mesura que s'acosten a la vora del bosc, es poden veure arbres individuals (en un tros de ferro: àtoms de ferro). Un bosc està format per arbres; de la mateixa manera, una substància (com el ferro) està formada per àtoms.
En un bosc de coníferes, els arbres són diferents que en un bosc caducifoli; així mateix, les molècules de cada element químic estan formades per àtoms diferents de les molècules d'altres elements químics. Per tant, els àtoms de ferro són diferents de, per exemple, els àtoms d'oxigen.
Apropant-nos encara més als arbres, veiem que cadascun d'ells consta d'un tronc i fulles. De la mateixa manera, els àtoms de la substància consisteixen en els anomenats Nucli (tronc) i electrons (fulles).
El tronc és pesat i el nucli és pesat; representa la càrrega elèctrica positiva (+) de l'àtom. Les fulles són llum i els electrons són llum; formen una càrrega elèctrica negativa (-) a l'àtom.
Els diferents arbres tenen troncs amb un nombre diferent de branques i el nombre de fulles no és el mateix. Així mateix, un àtom, segons l'element químic que representi, està format (en la seva forma més simple) per un nucli (tronc) amb diverses càrregues positives — els anomenats protons (branques) i una sèrie de càrregues negatives: electrons (fulls).
Al bosc, a terra entre els arbres, s'acumulen moltes fulles caigudes. El vent aixeca aquestes fulles del terra i circulen entre els arbres. Així, en una substància (per exemple, un metall) entre àtoms individuals hi ha una certa quantitat d'electrons lliures que no pertanyen a cap dels àtoms; aquests electrons es mouen aleatòriament entre els àtoms.
Si connecteu els cables procedents d'una bateria elèctrica als extrems d'una peça de metall (per exemple, un ganxo d'acer): connecteu-ne un extrem al més de la bateria; porteu l'anomenat potencial elèctric positiu (+) a ell, i l'altre extrem al menys de la bateria: aporta potencial elèctric negatiu (-), aleshores els electrons lliures (càrregues negatives) començaran a moure's entre els àtoms de l'interior del metall, corrent cap al costat positiu de la bateria.
Això s'explica per la següent propietat de les càrregues elèctriques: càrregues oposades, és a dir, càrregues positives i negatives s'atrauen; com les càrregues, és a dir, positives o negatives, al contrari, es repel·len mútuament.
Els electrons lliures (càrregues negatives) del metall són atrets pel terminal de càrrega positiva (+) de la bateria (font de corrent) i per tant es mouen al metall ja no de manera aleatòria, sinó cap al costat positiu de la font de corrent.
Com ja sabem, un electró és una càrrega elèctrica. Un gran nombre d'electrons que es mouen en una direcció dins del metall formen el flux d'electrons, és a dir. càrregues elèctriques. Aquestes càrregues elèctriques (electrons) que es mouen en el metall formen un corrent elèctric.
Com ja s'ha esmentat, els electrons es mouen al llarg dels cables de menys a més. Tanmateix, vam acordar considerar que el corrent flueix en sentit contrari: de més a menys, és a dir, com si no fossin negatives, però les càrregues positives es mouen al llarg dels cables (aquestes càrregues positives serien atretes pel menys de la font actual) .
Com més fulles del bosc són impulsades pel vent, més espesses omplen l'aire; de la mateixa manera, com més càrregues flueixin al metall, més gran serà la quantitat de corrent elèctric.
No totes les substàncies poden transportar un corrent elèctric amb la mateixa facilitat. Els electrons lliures es mouen fàcilment, per exemple en els metalls.
Els materials en què les càrregues elèctriques es mouen fàcilment s'anomenen conductors del corrent elèctric. Alguns materials, anomenats aïllants, no tenen electrons lliures i, per tant, no hi circula corrent elèctric pels aïllants. Els aïllants inclouen, entre altres materials, vidre, porcellana, mica, plàstics.
Els electrons lliures que estan presents en una substància que condueix un corrent elèctric també es poden comparar amb les gotes d'aigua.
Les gotes individuals en repòs no creen un flux d'aigua. Un gran nombre d'ells en moviment formen un rierol o riu que flueix en una direcció. Les gotes d'aigua d'aquest rierol o riu es mouen en un cabal la força del qual és més gran, més gran és la diferència de nivells de la llera al llarg del seu recorregut i, per tant, més gran és la diferència de "potencials" (altures) de l'individu. segments individuals d'aquest camí.
La magnitud del corrent elèctric
Per entendre els fenòmens provocats pel corrent elèctric, compareu-lo amb el flux d'aigua. Petites quantitats d'aigua flueixen als rierols, mentre que grans masses d'aigua flueixen als rius.
Suposem que el valor del cabal d'aigua a la riera és igual a 1; Prenem per exemple el valor del cabal al riu com a 10. Finalment, per a un riu potent, el valor del cabal d'aigua és, per exemple, 100, és a dir, cent vegades el valor del cabal al rierol.
Un corrent feble d'aigua només pot accionar la roda d'un molí. Prenem el valor d'aquest flux igual a 1.
El doble de cabal d'aigua pot impulsar dos d'aquests molins. En aquest cas, el valor del cabal d'aigua és igual a 2.
Cinc vegades el corrent d'aigua pot impulsar cinc molins idèntics; el valor del cabal d'aigua és ara 5. Es pot observar el cabal del cabal d'aigua al riu; El corrent elèctric circula per cables invisibles als nostres ulls.
La figura següent mostra un motor elèctric (motor elèctric) accionat per corrent elèctric. Prenem en aquest cas el valor del corrent elèctric igual a 1.
Quan un corrent elèctric impulsa dos d'aquests motors elèctrics, aleshores la quantitat de corrent que flueix pel cable principal serà el doble, és a dir, igual a 2.Finalment, quan un corrent elèctric alimenta cinc dels mateixos motors elèctrics, aleshores el corrent al cable principal és cinc vegades més gran que en el primer cas; per tant, la seva magnitud és 5.
Una unitat pràctica per mesurar la quantitat de cabal d'aigua o un altre líquid (és a dir, la quantitat que flueix per unitat de temps, per exemple, per segon, a través de la secció transversal d'un llit, canonada, etc.) litre per segon.
Per mesurar la magnitud del corrent elèctric, és a dir, la quantitat de càrregues que flueixen per la secció transversal del cable per unitat de temps, es pren l'ampere com a unitat pràctica, per tant, la magnitud del corrent elèctric es determina en amperes. L'ampere abreujat s'indica amb la lletra a.
La font de corrent elèctric pot ser, per exemple, una bateria galvànica o un acumulador elèctric.
La mida de la bateria o acumulador determina la quantitat de corrent elèctric que poden proporcionar i la durada de la seva acció.
Per mesurar la magnitud del corrent elèctric en enginyeria elèctrica, utilitzeu dispositius especials, amperímetres (A). Els diferents dispositius elèctrics transporten diferents quantitats de corrent elèctric.
Voltatge
La segona magnitud elèctrica estretament relacionada amb la magnitud del corrent és la tensió. Per entendre més fàcilment quina és la tensió d'un corrent elèctric, comparem-la amb la diferència de nivells del canal (la caiguda de l'aigua al riu), de la mateixa manera que hem comparat el corrent elèctric amb el cabal d'aigua. Amb una petita diferència de nivells de canal, prendrem la diferència igual a 1.
Si la diferència de nivells dels canals és més significativa, la caiguda d'aigua és corresponentment més gran. Suposem, per exemple, que és igual a 10, és a dir, deu vegades més que en el primer cas.Finalment, amb una diferència encara més gran en els nivells de caiguda d'aigua, és, per exemple, 100.
Si el corrent d'aigua cau des d'una alçada petita, només pot conduir un molí. En aquest cas, agafarem una gota d'aigua igual a 1.
El mateix corrent que cau des del doble de l'alçada pot fer girar les rodes de dos molins semblants. En aquest cas, la gota d'aigua és igual a 2.
Si la diferència de nivells de canal és cinc vegades més gran, llavors el mateix flux impulsa cinc molins d'aquest tipus. La gota d'aigua és de 5.
S'observen fenòmens similars quan es considera la tensió elèctrica. N'hi ha prou amb substituir el terme «gota d'aigua» pel terme «tensió elèctrica» per entendre què significa en els exemples següents.
Deixeu que només cremi un llum. Suposem que se li aplica una tensió igual a 2.
Perquè cinc bombetes connectades de la mateixa manera es cremin, la tensió ha de ser igual a 10.
Quan s'encenen dues bombetes idèntiques connectades en sèrie entre si (ja que les bombetes solen connectar-se a les garlandes d'arbres de Nadal), la tensió és de 4.
En tots els casos considerats, per cada bombeta passa un corrent elèctric de la mateixa magnitud i a cadascuna d'elles s'aplica la mateixa tensió, que forma part de la tensió total (tensió de la bateria), que és diferent en cada exemple individual.
Deixeu que el riu desemboqui al llac. Condicionalment, prendrem el nivell de l'aigua al llac com a zero. Aleshores, el nivell del canal del riu prop del segon arbre en relació amb el nivell de l'aigua del llac és igual a 1 m, i el nivell del canal del riu prop del tercer. l'arbre serà de 2 m. El nivell del canal prop del tercer arbre és 1 m més alt que el seu nivell prop del segon arbre, és a dir. entre aquests arbres és igual a 1 m.
La diferència de nivells de canal es mesura en unitats de longitud, per exemple, com vam fer nosaltres, en metres. En enginyeria elèctrica, el nivell del llit del riu en qualsevol punt respecte a un cert nivell zero (en el nostre exemple el nivell de l'aigua del llac) correspon a un potencial elèctric.
La diferència de potencial elèctric s'anomena tensió. El potencial elèctric i el voltatge es mesuren amb la mateixa unitat: el volt, abreujat amb la lletra c. Per tant, la unitat per mesurar la tensió elèctrica és el volt.
Per mesurar la tensió elèctrica s'utilitzen dispositius de mesura especials anomenats voltímetres (V).
Una font de corrent elèctric com una bateria és àmpliament coneguda. Una cel·la de l'anomenada bateria de plom-àcid (en la qual les plaques de plom es submergeixen en una solució aquosa d'àcid sulfúric) quan es carrega té una tensió d'uns 2 volts.
Una bateria d'ànode, que s'utilitza per alimentar ràdios de bateries amb corrent elèctric, normalment consta de diverses dotzenes de cèl·lules galvàniques seques, cadascuna amb una tensió d'uns 1,5 V.
Aquests elements estan connectats seqüencialment (és a dir, el més del primer element està connectat amb el menys del segon, el més del segon, amb el menys del tercer, etc.). En aquest cas, la tensió total de la bateria és igual a la suma de les tensions de les cèl·lules de les quals està formada.
Per tant, una bateria de 150 V conté 100 d'aquestes cèl·lules connectades en sèrie entre elles.
A l'endoll de la xarxa d'il·luminació amb una tensió de 220 V, podeu connectar una bombeta incandescent dissenyada per a una tensió de 220 V o 22 llums d'arbre de Nadal idèntics connectats en sèrie, cadascun dels quals està dissenyat per a una tensió de 10 V.En aquest cas, cada bombeta tindrà només 1/22 de la tensió de línia, és a dir, 10 volts.
La tensió que actua sobre un dispositiu elèctric determinat, en el nostre cas una bombeta, s'anomena caiguda de tensió. Si una bombeta de 220 V consumeix el mateix corrent que una bombeta de 10 V, aleshores el corrent total extret de la xarxa per la garlanda serà la mateixa en magnitud que el corrent que circula per la bombeta de 220 V.
Pel que s'ha dit, queda clar que, per exemple, es poden connectar dues bombetes idèntiques de 110 volts a una xarxa de 220 V, connectades en sèrie entre elles.
És possible escalfar tubs de ràdio dissenyats per a una tensió de 6,3 V, per exemple, a partir d'una bateria formada per tres cel·les connectades en sèrie; Les làmpades dissenyades per a una tensió de filament de 2 V poden ser alimentades per una sola cèl·lula.
La tensió del filament dels tubs radioelèctrics s'indica en forma arrodonida al començament del símbol del llum: 1,2 V — amb el número 1; 4,4 polzades — número 4; 6,3 polzades — número 6; 5 c — número 5.
Per la causa que provoca corrent elèctric
Si dues zones de la superfície terrestre, fins i tot molt allunyades, es troben a diferents nivells, es pot produir un flux d'aigua. L'aigua fluirà del punt més alt al més baix.
També ho és el corrent elèctric. Només pot fluir si hi ha una diferència de nivells elèctrics (potencials). En un mapa meteorològic, el nivell baromètric més alt (alta pressió) està marcat amb un signe "+" i el nivell més baix amb un signe "-".
Els nivells s'alinearan en la direcció de la fletxa. El vent bufarà en direcció a la zona amb el nivell baromètric més baix. Quan la pressió s'iguala, el moviment de l'aire s'aturarà. Així, el flux de corrent elèctric s'aturarà si els potencials elèctrics s'igualeixen.
Durant una tempesta es produeix una igualació de potencials elèctrics entre els núvols i el terra o entre els núvols. Apareix en forma de llamp.
També hi ha una diferència de potencial entre els terminals (pols) de cada pila galvànica o bateria. Per tant, si hi connecteu, per exemple, una bombeta, hi passarà corrent. Amb el temps, la diferència de potencial disminueix (es produeix una igualació de potencial) i la quantitat de corrent que flueix també disminueix.
Si connecteu una bombeta a la xarxa elèctrica, també hi passarà un corrent elèctric, ja que hi ha una diferència de potencial entre els endolls de la presa. Tanmateix, a diferència d'una pila o bateria galvànica, aquesta diferència de potencial es manté constantment, sempre que la central elèctrica estigui en funcionament.
Energia elèctrica
Hi ha una estreta relació entre la tensió elèctrica i el corrent. La quantitat d'energia elèctrica depèn de la quantitat de tensió i corrent. Expliquem-ho amb els exemples següents.
La cirera cau des d'una alçada baixa: Altura baixa - lleugera tensió. Força d'impacte baixa - baixa potència elèctrica.
Un coco cau des d'una alçada petita (en relació a on va pujar el nen): Objecte gran - corrent gran. Baixa altitud: baix estrès. Força d'impacte relativament alta: potència relativament alta.
Un test petit cau des d'una gran alçada: Un petit objecte és un petit corrent. La gran alçada de la caiguda és un gran estrès. Força d'impacte alta - alta potència.
Allau que cau des d'una gran alçada: grans masses de neu: un gran corrent. La gran alçada de la caiguda és un gran estrès. El gran poder destructiu d'una allau és una gran potència elèctrica.
A alt corrent i alt voltatge, s'obté una gran potència elèctrica.Però la mateixa potència es pot obtenir amb una intensitat més alta i, corresponentment, una tensió més baixa o, per contra, amb una intensitat més baixa i una tensió més alta.
La potència elèctrica de corrent continu és igual al producte dels valors de tensió i corrent. La potència elèctrica s'expressa en watts i s'indica amb les lletres W.
Ja s'ha dit que un cabal d'aigua d'una certa magnitud pot impulsar un molí, el doble de cabal -dos molins, quatre vegades el cabal - quatre molins, etc., malgrat que la caiguda d'aigua (tensió) serà la mateixa. .
La figura mostra un petit cabal d'aigua (corresponent a un corrent elèctric) fent girar les rodes de quatre molins pel fet que la gota d'aigua (corresponent a una tensió elèctrica) és prou gran.
Les rodes d'aquests quatre molins poden girar amb el doble de cabal d'aigua a la meitat de l'alçada de la caiguda. Aleshores els molins estarien disposats una mica diferent, però el resultat seria el mateix.
La figura següent mostra dues làmpades connectades en paral·lel a una xarxa d'il·luminació de 110 V. Per cadascun d'ells circula un corrent d'1 A. El corrent que circula per les dues làmpades és un total de 2 amperes.
El producte dels valors de tensió i corrent determina la potència que consumeixen aquestes làmpades de la xarxa.
110V x 2a = 220W.
Si la tensió de la xarxa d'il·luminació és de 220 V, s'han de connectar les mateixes làmpades en sèrie, no en paral·lel (com en l'exemple anterior), de manera que la suma de la caiguda de tensió sobre elles sigui igual a la tensió del xarxa. El corrent que circula en aquest cas per les dues làmpades és d'1 A.
El producte dels valors de la tensió i el corrent que circula pel circuit ens donarà la potència consumida per aquestes làmpades 220 V x 1a = 220 W, és a dir, la mateixa que en el primer cas.Això és comprensible, ja que en el segon cas el corrent extret de la xarxa és el doble, però el doble de la tensió a la xarxa.
Watt, quilowatt, quilowatt hora
Qualsevol aparell o màquina elèctrica (campana, bombeta, motor elèctric, etc.) consumeix una determinada quantitat d'energia elèctrica de la xarxa d'enllumenat.
Per mesurar l'energia elèctrica s'utilitzen dispositius especials anomenats vatímetres.
La potència, per exemple, d'un llum d'il·luminació, un motor elèctric, etc., es pot determinar sense l'ajuda d'un vatímetre, si la tensió de la xarxa i la quantitat de corrent que circula pel consumidor d'energia elèctrica connectada a la xarxa són conegut.
De la mateixa manera, si es coneixen el consum d'energia de la xarxa i la tensió de la xarxa, es pot determinar la quantitat de corrent que flueix pel consumidor.
Per exemple, una xarxa d'il·luminació de 110 volts inclou una làmpada de 50 watts. Quin corrent hi circula?
Com que el producte de la tensió expressada en volts i el corrent expressat en amperes és igual a la potència expressada en watts (per a corrent continu), després de fer el càlcul invers, és a dir, dividiu el nombre de watts pel nombre de volts ( tensió de xarxa), obtenim la quantitat de corrent en amperes que flueix a través del llum,
a = w / b,
el corrent és de 50 W / 110 V = 0,45 A (aprox.).
Així, per la làmpada circula un corrent d'uns 0,45 A, que consumeix 50 W d'energia i està connectada a una xarxa elèctrica de 110 V.
Si un canelobre amb quatre bombetes de 50 watts, un llum de taula amb una bombeta de 100 watts i una planxa de 300 watts s'inclouen a la xarxa d'il·luminació de l'habitació, la potència de tots els consumidors d'energia és de 50 W x 4 + 100 W. + 300 W = 600 W.
Com que la tensió de la xarxa és de 220 V, un corrent elèctric igual a 600 W / 220 V = 2,7 A (aproximadament) flueix pels cables d'il·luminació comuns adequats per a aquesta habitació.
Que el motor elèctric consumeixi 5000 watts de potència de la xarxa, o, com diuen, 5 quilowatts.
1000 watts = 1 quilowatt, igual que 1000 grams = 1 quilogram. Els quilowatts s'abreuen com a kW. Per tant, podem dir del motor elèctric que consumeix una potència de 5 kW.
Per determinar quanta energia consumeix qualsevol dispositiu elèctric, cal tenir en compte el temps durant el qual es va consumir aquesta energia.
Si una bombeta de 10 watts està encesa durant dues hores, el consum d'energia elèctrica és de 100 watts x 2 hores = 200 watts-hora o 0,2 quilowatts-hora. Si una bombeta de 100 watts està encesa durant 10 hores, la quantitat d'energia consumida és de 100 watts x 10 hores = 1000 watts-hora o 1 quilowatt-hora. Els quilowatts-hora s'abreuen com a kWh.
En aquest llibre hi ha moltes més coses interessants, però fins i tot aquests exemples mostren amb quina responsabilitat i sinceritat els autors d'aquella època van abordar la seva obra, sobretot en el cas de l'ensenyament dels nens.