Ce sunt tensiunea, curentul și rezistența: cum sunt utilizate în practică

În inginerie electrică, termenii „curent”, „tensiune” și „rezistență” sunt folosiți pentru a descrie procesele care au loc în circuitele electrice. Fiecare dintre ele are propriul său scop cu caracteristici specifice.

Electricitate

Cuvântul este folosit pentru a caracteriza mișcarea particulelor încărcate (electroni, găuri, cationi și anioni) printr-un anumit mediu al unei substanțe. Direcția și numărul purtătorilor de sarcină determină tipul și puterea curentului.

Principalele caracteristici ale curentului afectează aplicarea sa practică

O condiție prealabilă pentru fluxul sarcinilor este prezența unui circuit sau, cu alte cuvinte, a unei bucle închise care creează condiții pentru mișcarea acestora. Dacă se formează un gol în interiorul particulelor în mișcare, mișcarea lor direcțională se oprește imediat.

Toate comutatoarele și protecțiile utilizate în electricitate funcționează pe acest principiu.Ele creează o separare între contactele în mișcare ale părților conductoare și prin această acțiune întrerup fluxul curentului electric, oprind dispozitivul.

În energie, cea mai comună metodă este crearea unui curent electric datorită mișcării electronilor în interiorul metalelor realizate sub formă de fire, anvelope sau alte părți conductoare.

În plus față de această metodă, se folosește și crearea de curent în interior:

1. gaze și lichide electrolitice datorate mișcării electronilor sau cationilor și anionilor — ioni cu semne de sarcină pozitive și negative;

2. un mediu de vid, aer și gaze supus mișcării electronilor cauzate de fenomenul de radiație termoionică;

3. materiale semiconductoare datorită mișcării electronilor și a găurilor.

Un șoc electric poate apărea atunci când:

• aplicarea unei diferențe de potențial electric extern la particulele încărcate;

• fire de încălzire care nu sunt în prezent supraconductoare;

• cursul reacțiilor chimice legate de eliberarea de noi substanțe;

• efectul unui câmp magnetic aplicat firului.

Forma de undă a curentului electric poate fi:

1. o constantă sub formă de linie dreaptă pe linia timpului;

2. o armonică sinusoidală variabilă bine descrisă de relaţiile trigonometrice de bază;

3. meandre, asemănător aproximativ cu o undă sinusoidală, dar cu unghiuri ascuțite, pronunțate, care în unele cazuri pot fi bine netezite;

4. pulsatorie, când direcția rămâne aceeași fără modificare, iar amplitudinea fluctuează periodic de la zero la valoarea maximă după o lege bine definită.

Curentul electric poate fi util unei persoane atunci când:

• transformat în radiație luminoasă;

• creează încălzirea elementelor termice;

• execută lucrări mecanice datorită atracției sau respingerii armăturilor mobile sau rotației rotoarelor cu antrenări fixate în rulmenți;

• generează radiații electromagnetice în alte cazuri.

Când curentul electric trece prin fire, daunele pot fi cauzate de:

• încălzirea excesivă a circuitelor și contactelor purtătoare de curent;

• educaţie curenți turbionari în circuitele magnetice ale mașinilor electrice;

• radiatii de electricitate undele electromagnetice în mediu şi unele fenomene similare.

Proiectanții de dispozitive electrice și dezvoltatorii diferitelor circuite iau în considerare posibilitățile enumerate de curent electric în dispozitivele lor. De exemplu, efectele nocive ale curenților turbionari în transformatoare, motoare și generatoare sunt atenuate prin amestecarea nucleelor ​​utilizate pentru transmiterea fluxurilor magnetice. În același timp, curentul turbionar este folosit cu succes pentru a încălzi mediul în cuptoarele electrice și cuptoarele cu microunde care funcționează pe principiul inducției.

Un curent electric alternativ cu o formă de undă sinusoidală poate avea o frecvență diferită de oscilație pe unitatea de timp - o secundă. Frecvența industrială a instalațiilor electrice din diferite țări este standardizată cu numerele de 50 sau 60 de herți. Pentru alte scopuri de inginerie electrică și afaceri radio, semnalele sunt utilizate:

• joasă frecvență, cu valori mai mici;

• de înaltă frecvență, depășind semnificativ gama de dispozitive industriale.

Este în general acceptat că un curent electric este creat de mișcarea particulelor încărcate într-un anumit mediu macroscopic și se numește curent de conducere... Totuși, un alt tip de curent numit convecție poate apărea atunci când corpurile încărcate macroscopic se mișcă, de exemplu, picăturile de ploaie .

Cum se formează curentul electric în metale

Mișcarea electronilor sub influența unei forțe constante aplicate acestora poate fi comparată cu coborârea unui parașutist cu un baldachin deschis. În ambele cazuri, se obține o mișcare uniform accelerată.

Parașutătorul se deplasează datorită gravitației către sol, căruia i se opune forța de rezistență a aerului. Electronii sunt afectați de forța aplicată acestora câmp electric, iar mișcarea sa este împiedicată de ciocniri continue cu alte particule - ioni ai rețelelor cristaline, datorită cărora o parte din efectul forței aplicate este stinsă.

În ambele cazuri, viteza medie a parașutistului și mișcarea electronilor atinge o valoare constantă.

Acest lucru creează o situație destul de unică în care viteza:

• mișcarea proprie a unui electron este determinată de o valoare de ordinul a 0,1 milimetri pe secundă;

• fluxului de curent electric corespunde unei valori mult mai mari — viteza de propagare a undelor luminoase: aproximativ 300 de mii de kilometri pe secundă.

Prin urmare, fluxul de curent electric este creat acolo unde se aplică o tensiune electronilor și, ca urmare, aceștia încep să se miște cu viteza luminii în interiorul mediului conductor.

Când electronii se mișcă în rețeaua cristalină a unui metal, apare o altă regularitate interesantă: se ciocnește cu aproximativ fiecare al zecelea contraion.Adică evită cu succes aproximativ 90% din ciocnirile ionice.

Acest fenomen poate fi explicat nu numai prin legile fizicii clasice fundamentale, așa cum sunt înțelese în mod obișnuit de majoritatea oamenilor, ci și prin legile operaționale suplimentare descrise de teoria mecanicii cuantice.

Dacă le exprimăm pe scurt acțiunea, atunci ne putem imagina că mișcarea electronilor în interiorul metalelor este împiedicată de ioni mari „oscilanți” grei care oferă rezistență suplimentară.

Acest efect este vizibil mai ales la încălzirea metalelor, când „oscilația” ionilor grei crește și reduce conductivitatea electrică a rețelelor cristaline ale firelor.

Prin urmare, atunci când metalele sunt încălzite, rezistența lor electrică crește întotdeauna, iar atunci când sunt răcite, conductivitatea lor crește. Când temperatura metalului scade la valori critice apropiate de valoarea zero absolut, în multe dintre ele apare fenomenul de supraconductivitate.

Curentul electric, în funcție de valoarea sa, este capabil să facă lucruri diferite. Pentru o evaluare cantitativă a capacităților sale, se ia o valoare numită amperaj. Mărimea sa în sistemul internațional de măsurare este de 1 amper.Pentru a indica puterea curentă în literatura tehnică, se adoptă indicele «I».

Voltaj

Acest termen este folosit ca o caracteristică a unei mărimi fizice care exprimă munca cheltuită în transferul unei sarcini electrice a unei unități de testare dintr-un punct în altul fără a schimba natura plasării sarcinilor rămase pe sursele de câmp activ.

Deoarece punctele de început și de sfârșit au potențiale energetice diferite, munca efectuată pentru a muta sarcina sau tensiunea este egală cu raportul dintre diferența dintre aceste potențiale.

Diferiți termeni și metode sunt utilizați pentru a calcula tensiunea în funcție de curenții care circulă. Nu poate fi:

1. constantă — în circuite electrostatice și de curent constant;

2. alternant — în circuite cu curent alternativ și sinusoidal.

Pentru al doilea caz, astfel de caracteristici suplimentare și tipuri de stres sunt utilizate ca:

• amplitudine — cea mai mare abatere de la poziția zero a axei absciselor;

• valoare instantanee, care este exprimată la un anumit moment în timp;

• valoarea efectivă, efectivă sau, altfel numită, valoarea medie pătrată, determinată de munca activă efectuată pentru o jumătate de perioadă;

• valoarea medie rectificată calculată modulo valoarea rectificată a unei perioade armonice.

Pentru evaluarea cantitativă a tensiunii, a fost introdusă unitatea internațională de 1 volt și simbolul «U» a devenit denumirea acesteia.

La transportul energiei electrice prin linii aeriene, proiectarea suporturilor si dimensiunile acestora depind de valoarea tensiunii utilizate. Valoarea sa între conductoarele fazelor se numește liniară și relativă la fiecare conductor și fază de pământ.

Această regulă se aplică tuturor tipurilor de companii aeriene.

În rețelele electrice domestice ale țării noastre, standardul este o tensiune trifazată de 380/220 volți.

Rezistență electrică

Termenul este folosit pentru a caracteriza proprietățile unei substanțe de a slăbi trecerea unui curent electric prin ea.În acest caz, pot fi alese diferite medii, temperatura substanței sau dimensiunile acesteia pot fi modificate.

În circuitele de curent continuu, rezistența lucrează activ, motiv pentru care este numită activă. Pentru fiecare secțiune, este direct proporțională cu tensiunea aplicată și invers proporțională cu curentul de trecere.

În schemele de curent alternativ sunt introduse următoarele concepte:

• impedanta;

• rezistența la val.

Impedanța electrică se mai numește și impedanță complexă sau componentă:

• activ;

• reactiv.

Reactivitatea, la rândul ei, poate fi:

• capacitiv;

• inductiv.

Sunt descrise conexiunile dintre componentele de impedanță ale triunghiului de rezistență.

Într-un calcul electrodinamic, impedanța undei a unei linii electrice este determinată de raportul dintre tensiunea de la unda incidentă și valoarea curentului care trece de-a lungul liniei de undă.

Valoarea rezistenței este luată ca unitate internațională de măsură de 1 Ohm.

Relația dintre curent, tensiune, rezistență

Un exemplu clasic de exprimare a relației dintre aceste caracteristici este o comparație cu un circuit hidraulic, în care forța de mișcare a fluxului de viață (analogic - mărimea curentului) depinde de valoarea forței aplicate pistonului (creat). tensiune) şi caracterul liniilor de curgere, alcătuite din constrângeri (rezistenţă).

Legile matematice care descriu relația dintre rezistența electrică, curentul și tensiunea au fost pentru prima dată publicate și brevetate de Georg Ohm. El a derivat legile pentru întregul circuit al circuitului electric și secțiunea acestuia. Vezi aici pentru mai multe detalii: Aplicarea în practică a legii lui Ohm

Ampermetrele, voltmetrele și ohmmetrele sunt folosite pentru a măsura cantitățile electrice de bază ale energiei electrice.

Un ampermetru măsoară curentul care curge prin circuit, deoarece nu se modifică în întreaga zonă închisă, ampermetrul este plasat oriunde între sursa de tensiune și utilizator, creând o trecere a sarcinilor prin capul de măsurare al dispozitivului.

Un voltmetru este utilizat pentru a măsura tensiunea la bornele utilizatorului conectate la sursa de curent.

Măsurătorile rezistenței cu un ohmmetru pot fi făcute numai cu utilizatorul oprit. Acest lucru se datorează faptului că ohmetrul emite o tensiune calibrată și măsoară curentul care curge prin capul de testare, care este convertit în ohmi prin împărțirea tensiunii la valoarea curentului.

Orice conectare a unei tensiuni externe de putere redusă în timpul măsurării va crea curenți suplimentari și va distorsiona rezultatul. Având în vedere că circuitele interne ale ohmmetrului sunt de putere mică, atunci în cazul măsurătorilor de rezistență eronate la aplicarea unei tensiuni externe, dispozitivul eșuează destul de des din cauza faptului că circuitul său intern se arde.

Cunoașterea caracteristicilor de bază ale curentului, tensiunii, rezistenței și relațiilor dintre ele le permite electricienilor să-și desfășoare activitatea cu succes și să opereze în mod fiabil sistemele electrice, iar greșelile făcute foarte des se termină cu accidente și răni.