A proposito di corrente elettrica, tensione e potenza da un libro per bambini sovietico: semplice e chiaro
Nell'Unione Sovietica, che ha ottenuto successi molto seri nello sviluppo della scienza e della tecnologia, il movimento radioamatoriale si è diffuso. Molte migliaia di giovani cittadini hanno studiato ingegneria radiofonica sotto la guida di istruttori in circoli radiofonici e club radiofonici che dispongono di letteratura, strumenti e strumenti tecnici speciali. Molti di loro in futuro sono diventati ingegneri, designer, scienziati qualificati.
Per tali circuiti radio è stata pubblicata letteratura scientifica popolare, in cui sono state spiegate in un linguaggio semplice con un gran numero di illustrazioni varie questioni di fisica, meccanica, ingegneria elettrica ed elettronica.
Uno degli esempi di tali libri è il libro di Cheslov Klimchevsky "The Alphabet of a Radio Amateur", pubblicato dalla casa editrice "Svyazizdat" nel 1962. La prima sezione del libro si chiama "Electrical Engineering", la seconda sezione è "Radio Engineering", la terza è "Consigli pratici". , la quarta sezione — «Ci installiamo da soli».
Il libro stesso può essere scaricato qui: L'alfabeto dei radioamatori (selvaggio)
Questo tipo di libro negli anni '60 non apparteneva alla letteratura altamente specializzata.Sono stati emessi in tirature di decine di migliaia di copie ed erano destinati a un lettore di massa.
La radio Raz è stata applicata così completamente nella vita quotidiana delle persone, quindi all'epoca si credeva che non si potesse essere limitati solo dalla capacità di girare le manopole Nika. E ogni persona istruita dovrebbe studiare la radio per capire come vengono effettuate la trasmissione radio e la ricezione radio, per conoscere i fenomeni elettrici e magnetici di base che sono la chiave della teoria dell'ingegneria radio. È inoltre necessario, in generale, acquisire familiarità con i sistemi e il design dei dispositivi riceventi.
Guardiamo insieme e giudichiamo come in quel momento sapessero spiegare cose complesse con immagini semplici.
Un radioamatore alle prime armi del nostro tempo:
A proposito di corrente elettrica
Tutte le sostanze nel mondo e, di conseguenza, tutti gli oggetti che ci circondano, montagne, mari, aria, piante, animali, persone, sono costituiti da particelle incommensurabilmente piccole, molecole e queste ultime, a loro volta, da atomi. Un pezzo di ferro, una goccia d'acqua, una quantità insignificante di ossigeno, sono un accumulo di miliardi di atomi, un tipo nel ferro, un altro nell'acqua o nell'ossigeno.
Se guardi la foresta da lontano, sembra una striscia scura che è un pezzo unico (confrontalo, ad esempio, con un pezzo di ferro). Mentre si avvicinano al bordo della foresta, si possono vedere singoli alberi (in un pezzo di ferro - atomi di ferro). Una foresta è composta da alberi; allo stesso modo, una sostanza (come il ferro) è costituita da atomi.
In una foresta di conifere, gli alberi sono diversi che in una foresta di latifoglie; allo stesso modo, le molecole di ciascun elemento chimico sono composte da atomi diversi dalle molecole di altri elementi chimici. Quindi, gli atomi di ferro sono diversi, diciamo, dagli atomi di ossigeno.
Avvicinandoci ancora di più agli alberi, vediamo che ognuno di essi è costituito da un tronco e foglie. Allo stesso modo, gli atomi della sostanza sono costituiti dai cosiddetti Nucleo (tronco) ed elettroni (fogli).
Il tronco è pesante e il nucleo è pesante; rappresenta la carica elettrica positiva (+) dell'atomo. Le foglie sono leggere e gli elettroni sono leggeri; formano una carica elettrica negativa (-) sull'atomo.
Alberi diversi hanno tronchi con un numero diverso di rami e il numero di foglie non è lo stesso, allo stesso modo un atomo, a seconda dell'elemento chimico che rappresenta, è costituito (nella sua forma più semplice) da un nucleo (tronco) con più cariche positive — i cosiddetti protoni (rami) e una serie di cariche negative - elettroni (fogli).
Nella foresta, sul terreno tra gli alberi, si accumulano molte foglie cadute. Il vento solleva queste foglie da terra e queste circolano tra gli alberi. Quindi in una sostanza (ad esempio un metallo) tra i singoli atomi c'è una certa quantità di elettroni liberi che non appartengono a nessuno degli atomi; questi elettroni si muovono casualmente tra gli atomi.
Se colleghi i fili provenienti da una batteria elettrica alle estremità di un pezzo di metallo (ad esempio un gancio d'acciaio): collegane un'estremità al positivo della batteria - porta il cosiddetto potenziale elettrico positivo (+) ad esso, e l'altra estremità al meno della batteria - porta un potenziale elettrico negativo (-), quindi gli elettroni liberi (cariche negative) inizieranno a muoversi tra gli atomi all'interno del metallo, correndo verso il lato positivo della batteria.
Ciò è spiegato dalla seguente proprietà delle cariche elettriche: cariche opposte, cioè cariche positive e negative si attraggono; come le cariche, cioè positive o negative, al contrario, si respingono.
Gli elettroni liberi (cariche negative) nel metallo sono attratti dal terminale caricato positivamente (+) della batteria (sorgente di corrente) e quindi si muovono nel metallo non più in modo casuale, ma verso il lato positivo della sorgente di corrente.
Come già sappiamo, un elettrone è una carica elettrica. Un gran numero di elettroni che si muovono in una direzione all'interno del metallo costituiscono il flusso di elettroni, cioè cariche elettriche. Queste cariche elettriche (elettroni) che si muovono nel metallo formano una corrente elettrica.
Come già accennato, gli elettroni si muovono lungo i fili da meno a più. Tuttavia, abbiamo concordato di considerare che la corrente scorre nella direzione opposta: da più a meno, cioè come se cariche non negative, ma positive si muovessero lungo i fili (tali cariche positive sarebbero attratte dal meno della sorgente di corrente) .
Più foglie nella foresta sono spinte dal vento, più fitte riempiono l'aria; allo stesso modo, più cariche fluiscono nel metallo, maggiore è la quantità di corrente elettrica.
Non tutte le sostanze possono trasportare una corrente elettrica con la stessa facilità. Gli elettroni liberi si muovono facilmente, per esempio nei metalli.
I materiali in cui le cariche elettriche si muovono facilmente sono chiamati conduttori di corrente elettrica. Alcuni materiali, chiamati isolanti, non hanno elettroni liberi e quindi nessuna corrente elettrica scorre attraverso gli isolanti. Gli isolanti includono, tra gli altri materiali, vetro, porcellana, mica, plastica.
Gli elettroni liberi presenti in una sostanza che conduce una corrente elettrica possono anche essere paragonati a gocce d'acqua.
Le singole goccioline a riposo non creano un flusso d'acqua. Un gran numero di loro in movimento forma un ruscello o un fiume che scorre in una direzione. Le gocce d'acqua di questo torrente o fiume si muovono in un flusso la cui forza è tanto maggiore quanto maggiore è il dislivello del canale lungo il suo percorso e, quindi, tanto maggiore è il dislivello delle "potenziali" (altezze) dell'individuo singoli segmenti di questo percorso.
L'entità della corrente elettrica
Per comprendere i fenomeni causati dalla corrente elettrica, confrontatela con il flusso dell'acqua. Piccole quantità d'acqua scorrono nei torrenti, mentre grandi masse d'acqua scorrono nei fiumi.
Supponiamo che il valore del flusso d'acqua nel torrente sia uguale a 1; Prendiamo ad esempio il valore della portata nel fiume come 10. Infine, per un fiume potente il valore della portata dell'acqua è, diciamo, 100, cioè cento volte il valore della portata nel torrente.
Un debole flusso d'acqua può azionare la ruota di un solo mulino. Prenderemo il valore di questo flusso uguale a 1.
Il doppio del flusso d'acqua può azionare due di questi mulini. In questo caso il valore della portata d'acqua è pari a 2.
Cinque volte il flusso d'acqua può azionare cinque mulini identici; il valore del flusso d'acqua è ora 5. Si può osservare il flusso del flusso d'acqua nel fiume; la corrente elettrica scorre attraverso fili invisibili ai nostri occhi.
La figura seguente mostra un motore elettrico (motore elettrico) azionato da corrente elettrica. Prendiamo in questo caso il valore di corrente elettrica pari a 1.
Quando una corrente elettrica aziona due di questi motori elettrici, la quantità di corrente che scorre attraverso il filo principale sarà doppia, cioè uguale a 2.Infine, quando una corrente elettrica alimenta cinque degli stessi motori elettrici, allora la corrente sul filo principale è cinque volte superiore rispetto al primo caso; quindi la sua grandezza è 5.
Un'unità pratica per misurare la quantità di flusso di acqua o altro liquido (ovvero, la quantità di esso che scorre per unità di tempo, ad esempio, al secondo, attraverso la sezione trasversale di un letto di fiume, tubo, ecc.) è litro al secondo.
Per misurare la grandezza della corrente elettrica, cioè la quantità di cariche che fluiscono attraverso la sezione trasversale del filo per unità di tempo, l'ampere viene preso come unità pratica.Così, la grandezza della corrente elettrica è determinata in ampere. L'ampere abbreviato è indicato dalla lettera a.
La fonte di corrente elettrica può essere, ad esempio, una batteria galvanica o un accumulatore elettrico.
La dimensione della batteria o dell'accumulatore determina la quantità di corrente elettrica che possono fornire e la durata della loro azione.
Per misurare l'entità della corrente elettrica nell'ingegneria elettrica, utilizzare dispositivi speciali, amperometri (A). Diversi dispositivi elettrici trasportano diverse quantità di corrente elettrica.
Voltaggio
La seconda grandezza elettrica strettamente correlata alla grandezza della corrente è la tensione. Per capire più facilmente qual è la tensione di una corrente elettrica, confrontiamola con la differenza di livello del canale (la caduta dell'acqua nel fiume), così come abbiamo confrontato la corrente elettrica con il flusso dell'acqua. Con una piccola differenza nei livelli del canale, prenderemo la differenza uguale a 1.
Se la differenza nei livelli del canale è più significativa, la caduta dell'acqua è corrispondentemente maggiore. Supponiamo, ad esempio, che sia uguale a 10, cioè dieci volte di più rispetto al primo caso.Infine, con una differenza ancora maggiore nei livelli di caduta dell'acqua, è, diciamo, 100.
Se il flusso d'acqua cade da una piccola altezza, può guidare solo un mulino. In questo caso, prenderemo una goccia d'acqua pari a 1.
Lo stesso ruscello che cade da un'altezza doppia può far girare le ruote di due mulini simili. In questo caso, la goccia d'acqua è uguale a 2.
Se la differenza nei livelli del canale è cinque volte maggiore, lo stesso flusso aziona cinque di questi mulini. La goccia d'acqua è 5.
Fenomeni simili si osservano quando si considera la tensione elettrica. Basta sostituire il termine «goccia d'acqua» con il termine «tensione elettrica» per capire cosa significa negli esempi che seguono.
Lascia che una sola lampada bruci. Supponiamo che gli venga applicata una tensione pari a 2.
Affinché cinque di queste lampadine collegate allo stesso modo possano bruciare, la tensione deve essere uguale a 10.
Quando due lampadine identiche collegate in serie tra loro sono accese (come le lampadine sono solitamente collegate nelle ghirlande degli alberi di Natale), la tensione è 4.
In tutti i casi considerati, una corrente elettrica della stessa entità attraversa ciascuna lampadina e ad ognuna di esse viene applicata la stessa tensione, che fa parte della tensione totale (tensione di batteria), che è diversa in ogni singolo esempio.
Lascia che il fiume scorra nel lago. Condizionalmente, prenderemo il livello dell'acqua nel lago come zero, quindi il livello del canale del fiume vicino al secondo albero in relazione al livello dell'acqua nel lago è uguale a 1 m, e il livello del canale del fiume vicino al terzo albero sarà di 2 m. Il livello del canale vicino al terzo albero è 1 m più alto del suo livello vicino al secondo albero, cioè tra questi alberi è pari a 1 m.
La differenza nei livelli dei canali è misurata in unità di lunghezza, ad esempio, come abbiamo fatto noi, in metri. In elettrotecnica, il livello dell'alveo in qualsiasi punto rispetto ad un certo livello zero (nel nostro esempio il livello dell'acqua del lago) corrisponde ad un potenziale elettrico.
La differenza di potenziale elettrico si chiama tensione. Il potenziale elettrico e la tensione sono misurati dalla stessa unità: il volt, abbreviato con la lettera c. Pertanto, l'unità di misura della tensione elettrica è il volt.
Speciali dispositivi di misurazione chiamati voltmetri (V) vengono utilizzati per misurare la tensione elettrica.
Una tale fonte di corrente elettrica come una batteria è ampiamente nota. Una cella della cosiddetta batteria al piombo (in cui le piastre di piombo sono immerse in una soluzione acquosa di acido solforico) quando caricata ha una tensione di circa 2 volt.
Una batteria anodica, utilizzata per alimentare le radio a batteria con corrente elettrica, è solitamente composta da diverse dozzine di celle galvaniche a secco, ciascuna con una tensione di circa 1,5 V.
Questi elementi sono collegati in sequenza (ovvero, il più del primo elemento è collegato al meno del secondo, il più del secondo - al meno del terzo, ecc.). In questo caso la tensione totale della batteria è pari alla somma delle tensioni delle celle che la compongono.
Pertanto, una batteria da 150 V contiene 100 di tali celle collegate in serie tra loro.
Nella presa della rete di illuminazione con una tensione di 220 V, è possibile collegare una lampadina a incandescenza progettata per una tensione di 220 V o 22 luci dell'albero di Natale identiche collegate in serie, ciascuna delle quali è progettata per una tensione di 10 V.In questo caso, ogni lampadina avrà solo 1/22 della tensione di linea, ovvero 10 volt.
La tensione che agisce su un particolare dispositivo elettrico, nel nostro caso una lampadina, si chiama caduta di tensione. Se una lampadina da 220 V consuma la stessa corrente di una lampadina da 10 V, la corrente totale assorbita dalla rete dalla ghirlanda sarà uguale in grandezza alla corrente che scorre attraverso la lampadina da 220 V.
Da quanto detto si evince che, ad esempio, si possono collegare ad una rete a 220 V due lampadine identiche da 110 volt, collegate in serie tra loro.
È possibile riscaldare tubi radio progettati per una tensione di 6,3 V, ad esempio, da una batteria composta da tre celle collegate in serie; le lampade progettate per una tensione di filamento di 2 V possono essere alimentate da una singola cella.
La tensione del filamento dei tubi radioelettrici è indicata in forma arrotondata all'inizio del simbolo della lampada: 1,2 V — con il numero 1; 4,4 pollici - numero 4; 6,3 pollici - numero 6; 5 c - numero 5.
Per la causa che causa la corrente elettrica
Se due aree della superficie terrestre, anche distanti, si trovano a livelli diversi, può verificarsi un flusso d'acqua. L'acqua scorrerà dal punto più alto a quello più basso.
Così è la corrente elettrica. Può fluire solo se c'è una differenza nei livelli elettrici (potenziali). Su una mappa meteorologica, il livello barometrico più alto (alta pressione) è contrassegnato con un segno "+" e il livello più basso con un segno "-".
I livelli saranno allineati nella direzione della freccia. Il vento soffierà in direzione della zona con il livello barometrico più basso. Quando la pressione si equalizza, il movimento dell'aria si interrompe. Pertanto, il flusso di corrente elettrica si interrompe se i potenziali elettrici si equalizzano.
Durante un temporale c'è un'equalizzazione dei potenziali elettrici tra le nuvole e il suolo o tra le nuvole. Appare sotto forma di fulmine.
Esiste anche una differenza di potenziale tra i terminali (poli) di ciascuna cella o batteria galvanica. Pertanto, se colleghi, ad esempio, una lampadina ad essa, la corrente scorrerà attraverso di essa. Nel tempo, la differenza di potenziale diminuisce (si verifica l'equalizzazione del potenziale) e diminuisce anche la quantità di corrente che scorre.
Se si collega una lampadina alla rete elettrica, anche la corrente elettrica scorrerà attraverso di essa, poiché esiste una differenza di potenziale tra le prese della presa. Tuttavia, a differenza di una cella galvanica o di una batteria, questa differenza di potenziale viene mantenuta costantemente, finché la centrale è in funzione.
Energia elettrica
Esiste una stretta relazione tra tensione elettrica e corrente. La quantità di energia elettrica dipende dalla quantità di tensione e corrente. Spieghiamo questo con i seguenti esempi.
La ciliegia cade da un'altezza bassa: altezza bassa - leggera tensione. Bassa forza d'urto - bassa potenza elettrica.
Una noce di cocco cade da una piccola altezza (rispetto a dove è salito il ragazzo): oggetto grande - grande corrente. Bassa quota - basso stress. Forza d'urto relativamente alta - potenza relativamente alta.
Un piccolo vaso di fiori cade da una grande altezza: un piccolo oggetto è una piccola corrente. La grande altezza della caduta è un grande stress. Elevata forza d'urto — elevata potenza.
Valanga caduta da una grande altezza: Grandi masse di neve - una grande corrente. La grande altezza della caduta è un grande stress. Il grande potere distruttivo di una valanga è un grande potere elettrico.
Ad alta corrente e alta tensione, si ottiene una grande potenza elettrica.Ma la stessa potenza può essere ottenuta con una corrente più alta e una tensione corrispondentemente più bassa o, viceversa, con una corrente più bassa e una tensione più alta.
La potenza elettrica in corrente continua è uguale al prodotto dei valori di tensione e corrente. La potenza elettrica è espressa in watt ed è indicata con le lettere W.
È già stato detto che un flusso d'acqua di una certa entità può azionare un mulino, il doppio del flusso - due mulini, quattro volte il flusso - quattro mulini, ecc., Nonostante il fatto che la goccia d'acqua (tensione) sarà la stessa .
La figura mostra un piccolo flusso d'acqua (corrispondente ad una corrente elettrica) che fa girare le ruote di quattro mulini dovuto al fatto che la goccia d'acqua (corrispondente ad una tensione elettrica) è abbastanza grande.
Le ruote di questi quattro mulini possono girare con il doppio del flusso d'acqua a metà dell'altezza della caduta. Quindi i mulini sarebbero disposti in modo leggermente diverso, ma il risultato sarebbe lo stesso.
La figura seguente mostra due lampade collegate in parallelo ad una rete di illuminazione a 110V. Ciascuna di esse è attraversata da una corrente di 1 A. La corrente che attraversa le due lampade è complessivamente di 2 ampere.
Il prodotto dei valori di tensione e corrente determina la potenza che queste lampade consumano dalla rete.
110V x 2a = 220W.
Se la tensione della rete di illuminazione è 220 V, le stesse lampade devono essere collegate in serie, non in parallelo (come era nell'esempio precedente), in modo che la somma delle cadute di tensione su di esse sia uguale alla tensione delle rete. La corrente che scorre in questo caso attraverso le due lampade è di 1 A.
Il prodotto dei valori della tensione e della corrente che scorre nel circuito ci darà la potenza consumata da queste lampade 220 V x 1a = 220 W, cioè la stessa del primo caso.Ciò è comprensibile, poiché nel secondo caso la corrente prelevata dalla rete è due volte inferiore, ma il doppio della tensione nella rete.
Watt, chilowattora, chilowattora
Qualsiasi dispositivo o macchina elettrica (campanello, lampadina, motore elettrico, ecc.) consuma una certa quantità di energia elettrica dalla rete di illuminazione.
Dispositivi speciali chiamati wattmetri vengono utilizzati per misurare la potenza elettrica.
La potenza, ad esempio, di una lampada di illuminazione, di un motore elettrico, ecc., può essere determinata senza l'ausilio di un wattmetro, se la tensione di rete e la quantità di corrente che scorre attraverso l'utenza di energia elettrica collegata alla rete sono conosciuto.
Allo stesso modo, se il consumo di energia e la tensione di rete sono noti, è possibile determinare la quantità di corrente che scorre attraverso l'utenza.
Ad esempio, una rete di illuminazione da 110 volt include una lampada da 50 watt. Quale corrente lo attraversa?
Poiché il prodotto della tensione espressa in volt e della corrente espressa in ampere è uguale alla potenza espressa in watt (per la corrente continua), allora dopo aver effettuato il calcolo inverso, cioè dividere il numero di watt per il numero di volt ( tensione di rete), otteniamo la quantità di corrente in ampere che scorre attraverso la lampada,
un = w / b,
la corrente è 50 W / 110 V = 0,45 A (circa).
Pertanto, una corrente di circa 0,45 A scorre attraverso la lampada, che consuma 50 W di energia ed è collegata a una rete elettrica da 110 V.
Se nella rete di illuminazione della stanza sono inclusi un lampadario con quattro lampadine da 50 watt, una lampada da tavolo con una lampadina da 100 watt e un ferro da stiro da 300 watt, la potenza di tutti i consumatori di energia è di 50 W x 4 + 100 W + 300 W = 600 W.
Poiché la tensione di rete è di 220 V, nei comuni fili di illuminazione adatti a questa stanza scorre una corrente elettrica pari a 600 W / 220 V = 2,7 A (circa).
Lascia che il motore elettrico consumi 5000 watt di potenza dalla rete o, come si suol dire, 5 kilowatt.
1000 watt = 1 kilowatt, proprio come 1000 grammi = 1 chilogrammo. I kilowatt sono abbreviati in kW. Pertanto, possiamo dire del motore elettrico che consuma una potenza di 5 kW.
Per determinare quanta energia viene consumata da qualsiasi dispositivo elettrico, è necessario tenere conto del periodo di tempo durante il quale tale energia è stata consumata.
Se una lampadina da 10 watt rimane accesa per due ore, il consumo di energia elettrica è di 100 watt x 2 ore = 200 wattora o 0,2 chilowattora. Se una lampadina da 100 watt rimane accesa per 10 ore, la quantità di energia consumata è 100 watt x 10 ore = 1000 wattora o 1 chilowattora. I chilowattora sono abbreviati in kWh.
Ci sono molte altre cose interessanti in questo libro, ma anche questi esempi mostrano quanto responsabilmente e sinceramente gli autori dell'epoca si avvicinassero al loro lavoro, soprattutto nel caso dell'insegnamento ai bambini.