Qué son el voltaje, la corriente y la resistencia: cómo se usan en la práctica

En ingeniería eléctrica, los términos "corriente", "voltaje" y "resistencia" se utilizan para describir los procesos que ocurren en los circuitos eléctricos. Cada uno de ellos tiene su propio propósito con características específicas.

Electricidad

La palabra se utiliza para caracterizar el movimiento de partículas cargadas (electrones, huecos, cationes y aniones) a través de un determinado medio de una sustancia. La dirección y el número de portadores de carga determina el tipo y la fuerza de la corriente.

Las principales características de la corriente afectan su aplicación práctica.

Un requisito previo para el flujo de cargas es la presencia de un circuito o, en otras palabras, un circuito cerrado que crea las condiciones para su movimiento. Si se forma un vacío dentro de las partículas en movimiento, su movimiento direccional se detiene inmediatamente.

Todos los interruptores y protecciones utilizados en electricidad funcionan según este principio.Crean una separación entre los contactos móviles de las partes conductoras y mediante esta acción interrumpen el flujo de corriente eléctrica, apagando el dispositivo.

En energía, el método más común es la creación de una corriente eléctrica debido al movimiento de electrones dentro de metales hechos en forma de alambres, llantas u otras partes conductoras.

Además de este método, también se utiliza la creación de corriente en el interior:

1. gases y líquidos electrolíticos debido al movimiento de electrones o cationes y aniones — iones con signos de carga positiva y negativa;

2. un ambiente de vacío, aire y gases sometidos al movimiento de electrones provocado por el fenómeno de la radiación termoiónica;

3. materiales semiconductores debido al movimiento de electrones y huecos.

Una descarga eléctrica puede ocurrir cuando:

• aplicar una diferencia de potencial eléctrico externo a partículas cargadas;

• hilos calefactores que actualmente no son superconductores;

• el curso de las reacciones químicas relacionadas con la liberación de nuevas sustancias;

• el efecto de un campo magnético aplicado al alambre.

La forma de onda de la corriente eléctrica puede ser:

1. una constante en forma de línea recta en la línea de tiempo;

2. un armónico sinusoidal variable bien descrito por las relaciones trigonométricas básicas;

3. meandro, más o menos parecido a una onda sinusoidal, pero con ángulos agudos y pronunciados, que en algunos casos pueden suavizarse bien;

4. pulsante, cuando la dirección permanece igual sin cambio, y la amplitud fluctúa periódicamente desde cero hasta el valor máximo de acuerdo con una ley bien definida.

La corriente eléctrica puede ser útil para una persona cuando:

• convertido en radiación de luz;

• crea calentamiento de elementos térmicos;

• realiza trabajo mecánico debido a la atracción o repulsión de armaduras móviles o la rotación de rotores con accionamientos fijos en cojinetes;

• genera radiación electromagnética en algunos otros casos.

Cuando la corriente eléctrica pasa a través de los cables, el daño puede ser causado por:

• calentamiento excesivo de circuitos y contactos que transportan corriente;

• educación corrientes de Foucault en los circuitos magnéticos de máquinas eléctricas;

• radiación de electricidad ondas electromagnéticas en el medio ambiente y algunos fenómenos similares.

Los diseñadores de dispositivos eléctricos y desarrolladores de varios circuitos tienen en cuenta las posibilidades enumeradas de corriente eléctrica en sus dispositivos. Por ejemplo, los efectos nocivos de las corrientes de Foucault en transformadores, motores y generadores se mitigan mezclando los núcleos utilizados para transmitir flujos magnéticos. Al mismo tiempo, la corriente de Foucault se utiliza con éxito para calentar el medio en hornos eléctricos y hornos de microondas que funcionan según el principio de inducción.

Una corriente eléctrica alterna con una forma de onda sinusoidal puede tener una frecuencia de oscilación diferente por unidad de tiempo: un segundo. La frecuencia industrial de las instalaciones eléctricas en los diferentes países está normalizada con los números 50 o 60 hercios. Para otros fines de ingeniería eléctrica y negocios de radio, las señales se utilizan:

• baja frecuencia, con valores más bajos;

• alta frecuencia, superando significativamente la gama de dispositivos industriales.

Generalmente se acepta que una corriente eléctrica es creada por el movimiento de partículas cargadas en un determinado medio macroscópico y se llama corriente de conducción... Sin embargo, otro tipo de corriente llamada convección puede ocurrir cuando se mueven cuerpos cargados macroscópicamente, por ejemplo, gotas de lluvia. .

Cómo se forma la corriente eléctrica en los metales

El movimiento de electrones bajo la influencia de una fuerza constante que se les aplica puede compararse con el descenso de un paracaidista con un paracaídas abierto. En ambos casos se obtiene un movimiento uniformemente acelerado.

El paracaidista se mueve debido a la gravedad hacia el suelo, a lo que se opone la fuerza de la resistencia del aire. Los electrones se ven afectados por la fuerza que se les aplica. campo eléctrico, y su movimiento se ve obstaculizado por colisiones continuas con otras partículas: iones de redes cristalinas, por lo que parte del efecto de la fuerza aplicada se extingue.

En ambos casos, la velocidad media del paracaidista y el movimiento de los electrones alcanza un valor constante.

Esto crea una situación bastante única en la que la velocidad:

• el movimiento propio de un electrón está determinado por un valor del orden de 0,1 milímetro por segundo;

• el flujo de corriente eléctrica corresponde a un valor mucho más alto — la velocidad de propagación de las ondas de luz: unos 300 mil kilómetros por segundo.

De este modo, flujo de corriente electrica se crea cuando se aplica un voltaje a los electrones y, como resultado, comienzan a moverse a la velocidad de la luz dentro del medio conductor.

Cuando los electrones se mueven en la red cristalina de un metal, surge otra regularidad interesante: choca con aproximadamente uno de cada diez contraiones.Es decir, evita con éxito alrededor del 90% de las colisiones de iones.

Este fenómeno puede explicarse no solo por las leyes de la física clásica fundamental, tal como la entiende la mayoría de la gente, sino también por las leyes operativas adicionales descritas por la teoría de la mecánica cuántica.

Si expresamos brevemente su acción, entonces podemos imaginar que el movimiento de electrones dentro de los metales se ve obstaculizado por grandes iones pesados ​​​​que "oscilan" que proporcionan una resistencia adicional.

Este efecto es especialmente notable cuando se calientan metales, cuando la "oscilación" de los iones pesados ​​aumenta y reduce la conductividad eléctrica de las redes cristalinas de los cables.

Por tanto, cuando los metales se calientan, su resistencia eléctrica siempre aumenta, y cuando se enfrían, aumenta su conductividad. Cuando la temperatura del metal desciende a valores críticos cercanos al valor del cero absoluto, se produce en muchos de ellos el fenómeno de la superconductividad.

La corriente eléctrica, dependiendo de su valor, es capaz de hacer diferentes cosas. Para una evaluación cuantitativa de sus capacidades, se toma un valor llamado amperaje. Su tamaño en el sistema de medición internacional es de 1 amperio Para indicar la intensidad actual en la literatura técnica, se adopta el índice «I».

Voltaje

Este término se usa como una característica de una cantidad física que expresa el trabajo invertido en transferir una carga eléctrica de una unidad de prueba de un punto a otro sin cambiar la naturaleza de la ubicación de las cargas restantes en las fuentes de campo activas.

Dado que los puntos inicial y final tienen diferentes potenciales de energía, el trabajo realizado para mover la carga, o voltaje, es igual a la relación de la diferencia entre estos potenciales.

Se utilizan diferentes términos y métodos para calcular el voltaje dependiendo de las corrientes que fluyen. No puede ser:

1. constante — en circuitos electrostáticos y de corriente constante;

2. alterna — en circuitos con corriente alterna y sinusoidal.

Para el segundo caso, se utilizan características adicionales y tipos de estrés como:

• amplitud — la mayor desviación de la posición cero del eje de abscisas;

• valor instantáneo, que se expresa en un momento determinado;

• efectivo, efectivo o, de otro modo, valor cuadrático medio, determinado por el trabajo activo realizado durante un medio período;

• valor medio rectificado calculado módulo el valor rectificado de un período armónico.

Para la evaluación cuantitativa del voltaje, se introdujo la unidad internacional de 1 voltio y el símbolo «U» se convirtió en su designación.

En el transporte de energía eléctrica a través de líneas aéreas, el diseño de los soportes y sus dimensiones dependen del valor de la tensión utilizada. Su valor entre los conductores de las fases se denomina lineal y relativo a cada conductor y fase de tierra.

Esta regla se aplica a todo tipo de aerolíneas.

En las redes eléctricas domésticas de nuestro país, el estándar es un voltaje trifásico de 380/220 voltios.

Resistencia eléctrica

El término se utiliza para caracterizar las propiedades de una sustancia para debilitar el paso de una corriente eléctrica a través de ella.En este caso, se pueden elegir diferentes ambientes, se puede cambiar la temperatura de la sustancia o sus dimensiones.

En los circuitos de CC, la resistencia realiza un trabajo activo, por lo que se denomina activa. Para cada sección, es directamente proporcional al voltaje aplicado e inversamente proporcional a la corriente que pasa.

En los esquemas de corriente alterna se introducen los siguientes conceptos:

• impedancia;

• resistencia de onda

La impedancia eléctrica también se denomina impedancia compleja o componente:

• activo;

• reactivo.

La reactividad, a su vez, puede ser:

• capacitivo;

• inductivo.

Se describen las conexiones entre los componentes de impedancia del triángulo de resistencia.

En un cálculo electrodinámico, la impedancia de onda de una línea eléctrica está determinada por la relación entre el voltaje de la onda incidente y el valor de la corriente que pasa a lo largo de la línea de onda.

El valor de la resistencia se toma como unidad de medida internacional de 1 Ohm.

La relación de corriente, voltaje, resistencia.

Un ejemplo clásico de expresar la relación entre estas características es una comparación con un circuito hidráulico, donde la fuerza de movimiento del flujo de vida (analógico - la magnitud de la corriente) depende del valor de la fuerza aplicada al pistón (creado tensión) y el carácter de las líneas de flujo, hechas de constricciones (resistencia).

Las leyes matemáticas que describen la relación de la resistencia eléctrica, la corriente y el voltaje fueron publicadas y patentadas por primera vez por Georg Ohm. Derivó las leyes para todo el circuito del circuito eléctrico y su sección. Ver aquí para más detalles: Aplicación de la ley de Ohm en la práctica

Los amperímetros, voltímetros y óhmetros se utilizan para medir las cantidades eléctricas básicas de electricidad.

Un amperímetro mide la corriente que fluye a través del circuito. Dado que no cambia en el área cerrada, el amperímetro se coloca en cualquier lugar entre la fuente de voltaje y el usuario, creando un paso de cargas a través del cabezal de medición del dispositivo.

Se utiliza un voltímetro para medir el voltaje en los terminales del usuario conectados a la fuente de corriente.

Las mediciones de resistencia con un ohmímetro solo se pueden realizar con el usuario apagado. Esto se debe a que el ohmímetro emite un voltaje calibrado y mide la corriente que fluye a través del cabezal de prueba, que se convierte en ohmios dividiendo el voltaje por el valor actual.

Cualquier conexión de un voltaje externo de baja potencia durante la medición creará corrientes adicionales y distorsionará el resultado. Teniendo en cuenta que los circuitos internos del ohmímetro son de baja potencia, en el caso de mediciones de resistencia erróneas al aplicar un voltaje externo, el dispositivo falla con bastante frecuencia debido a que su circuito interno se quema.

Conocer las características básicas de corriente, voltaje, resistencia y las relaciones entre ellas permite a los electricistas realizar su trabajo con éxito y operar de manera confiable los sistemas eléctricos, y los errores cometidos muy a menudo terminan en accidentes y lesiones.