Sobre corriente eléctrica, voltaje y potencia de un libro infantil soviético: simple y claro
En la Unión Soviética, que logró éxitos muy serios en el desarrollo de la ciencia y la tecnología, el movimiento de radioaficionados se generalizó. Muchos miles de ciudadanos jóvenes han estudiado ingeniería de radio bajo la guía de instructores en círculos de radio y clubes de radio que tienen literatura, herramientas e instrumentos técnicos especiales. Muchos de ellos en el futuro se convirtieron en ingenieros, diseñadores y científicos calificados.
Se publicó literatura científica popular para tales circuitos de radio, en la que se explicaban varios temas de física, mecánica, ingeniería eléctrica y electrónica en un lenguaje sencillo con una gran cantidad de ilustraciones.
Uno de los ejemplos de tales libros es el libro de Cheslov Klimchevsky "El alfabeto de un radioaficionado", publicado por la editorial "Svyazizdat" en 1962. La primera sección del libro se llama "Ingeniería eléctrica", la segunda sección es "Radio Ingeniería", el tercero es "Consejos prácticos". , la cuarta sección — «Nosotros mismos nos instalamos».
El libro en sí se puede descargar aquí: El alfabeto de radioaficionados (salvaje)
Este tipo de libro en la década de 1960 no pertenecía a la literatura altamente especializada.Se publicaron en circulaciones de decenas de miles de copias y estaban destinados a un lector masivo.
La radio Raz se aplicó de manera tan completa en la vida cotidiana de las personas, por lo que en ese momento se creía que no podía estar limitado solo por la capacidad de girar las perillas Nika. Y toda persona culta debería estudiar radio para comprender cómo se lleva a cabo la transmisión y recepción de radio, para familiarizarse con los fenómenos eléctricos y magnéticos básicos que son la clave de la teoría de la ingeniería de radio. También es necesario, en general, familiarizarse con los sistemas y el diseño de los dispositivos de recepción.
Miremos juntos y juzguemos cómo en ese momento sabían explicar cosas complejas con imágenes simples.
Un radioaficionado novato de nuestro tiempo:
Sobre la corriente eléctrica
Todas las sustancias en el mundo y, en consecuencia, todos los objetos que nos rodean, montañas, mares, aire, plantas, animales, personas, consisten en partículas inconmensurablemente pequeñas, moléculas y estas últimas, a su vez, en átomos. Un trozo de hierro, una gota de agua, una cantidad insignificante de oxígeno, son una acumulación de miles de millones de átomos, uno en el hierro, otro en el agua o en el oxígeno.
Si miras el bosque de lejos, parece una franja oscura de una sola pieza (compáralo, por ejemplo, con un trozo de hierro). A medida que se acercan al borde del bosque, se pueden ver árboles individuales (en una pieza de hierro: átomos de hierro). Un bosque consta de árboles; De manera similar, una sustancia (como el hierro) está formada por átomos.
En un bosque de coníferas, los árboles son diferentes a los de un bosque caducifolio; asimismo, las moléculas de cada elemento químico están compuestas por átomos diferentes a las moléculas de otros elementos químicos. Entonces, los átomos de hierro son diferentes de, digamos, los átomos de oxígeno.
Al acercarnos aún más a los árboles, vemos que cada uno de ellos consta de un tronco y hojas. De la misma manera, los átomos de la sustancia consisten en los llamados Núcleo (tronco) y electrones (láminas).
El tronco es pesado y el núcleo es pesado; representa la carga eléctrica positiva (+) del átomo. Las hojas son luz y los electrones son luz; forman una carga eléctrica negativa (-) en el átomo.
Diferentes árboles tienen troncos con diferente número de ramas y el número de hojas no es el mismo.Así mismo, un átomo, dependiendo del elemento químico que representa, consta (en su forma más simple) de un núcleo (tronco) con varias cargas positivas: los llamados protones (ramas) y una serie de cargas negativas — electrones (láminas).
En el bosque, en el suelo entre los árboles, se acumulan muchas hojas caídas. El viento levanta estas hojas del suelo y circulan entre los árboles. Entonces, en una sustancia (por ejemplo, un metal) entre los átomos individuales hay una cierta cantidad de electrones libres que no pertenecen a ninguno de los átomos; estos electrones se mueven al azar entre los átomos.
Si conecta los cables que provienen de una batería eléctrica a los extremos de una pieza de metal (por ejemplo, un gancho de acero): conecte un extremo al positivo de la batería: traiga el llamado potencial eléctrico positivo (+) hacia él, y el otro extremo hacia el menos de la batería: traiga un potencial eléctrico negativo (-), luego los electrones libres (cargas negativas) comenzarán a moverse entre los átomos dentro del metal, corriendo hacia el lado positivo de la batería.
Esto se explica por la siguiente propiedad de las cargas eléctricas: las cargas opuestas, es decir, las cargas positivas y negativas se atraen; cargas iguales, es decir, positivas o negativas, por el contrario, se repelen.
Los electrones libres (cargas negativas) en el metal son atraídos por el terminal positivo (+) de la batería (fuente de corriente) y, por lo tanto, ya no se mueven en el metal al azar, sino hacia el lado positivo de la fuente de corriente.
Como ya sabemos, un electrón es una carga eléctrica. Una gran cantidad de electrones que se mueven en una dirección dentro del metal forman el flujo de electrones, es decir, cargos electricos. Estas cargas eléctricas (electrones) que se mueven en el metal forman una corriente eléctrica.
Como ya se mencionó, los electrones se mueven a lo largo de los cables de menos a más. Sin embargo, acordamos considerar que la corriente fluye en la dirección opuesta: de más a menos, es decir, como si no fueran negativas, pero las cargas positivas se mueven a lo largo de los cables (tales cargas positivas serían atraídas por el menos de la fuente de corriente) .
Cuantas más hojas en el bosque son impulsadas por el viento, más espesas llenan el aire; asimismo, mientras más cargas fluyan en el metal, mayor será la cantidad de corriente eléctrica.
No todas las sustancias pueden transportar una corriente eléctrica con la misma facilidad. Los electrones libres se mueven con facilidad, por ejemplo en los metales.
Los materiales en los que las cargas eléctricas se mueven con facilidad se denominan conductores de corriente eléctrica. Algunos materiales, llamados aisladores, no tienen electrones libres y, por lo tanto, no fluye corriente eléctrica a través de los aisladores. Los aisladores incluyen, entre otros materiales, vidrio, porcelana, mica, plásticos.
Los electrones libres que están presentes en una sustancia que conduce una corriente eléctrica también se pueden comparar con las gotas de agua.
Las gotas individuales en reposo no crean un flujo de agua. Un gran número de ellos en movimiento forman un arroyo o río que fluye en una dirección. Las gotas de agua en este arroyo o río se mueven en un flujo cuya fuerza es mayor cuanto mayor es la diferencia de niveles del cauce a lo largo de su recorrido y, por lo tanto, mayor es la diferencia de los "potenciales" (alturas) del individuo segmentos individuales de este camino.
La magnitud de la corriente eléctrica
Para comprender los fenómenos causados por la corriente eléctrica, compárelo con el flujo de agua. Pequeñas cantidades de agua fluyen en los arroyos, mientras que grandes masas de agua fluyen en los ríos.
Suponga que el valor del flujo de agua en la corriente es igual a 1; Tomemos el valor del caudal en el río, por ejemplo, como 10. Finalmente, para un río poderoso, el valor del caudal del agua es, digamos, 100, es decir, cien veces el valor del caudal en la corriente.
Un chorro débil de agua puede mover la rueda de un solo molino. Tomaremos el valor de esta corriente igual a 1.
El doble de caudal de agua puede impulsar dos de estos molinos. En este caso, el valor del caudal de agua es igual a 2.
Cinco veces la corriente de agua puede mover cinco molinos idénticos; el valor del caudal de agua ahora es 5. Se puede observar el caudal del caudal de agua en el río; la corriente eléctrica fluye a través de cables invisibles a nuestros ojos.
La siguiente figura muestra un motor eléctrico (motor eléctrico) accionado por corriente eléctrica. Tomemos en este caso el valor de la corriente eléctrica igual a 1.
Cuando una corriente eléctrica impulsa dos de estos motores eléctricos, la cantidad de corriente que fluye a través del cable principal será el doble, es decir, igual a 2.Finalmente, cuando una corriente eléctrica alimenta cinco motores eléctricos iguales, entonces la corriente en el cable principal es cinco veces mayor que en el primer caso; por lo tanto su magnitud es 5.
Una unidad práctica para medir la cantidad de flujo de agua u otro líquido (es decir, la cantidad que fluye por unidad de tiempo, por ejemplo, por segundo, a través de la sección transversal del lecho de un río, tubería, etc.) es litro por segundo
Para medir la magnitud de la corriente eléctrica, es decir, la cantidad de cargas que fluyen a través de la sección transversal del alambre por unidad de tiempo, se toma como unidad práctica el amperio, por lo que la magnitud de la corriente eléctrica se determina en amperios. El amperio abreviado se indica con la letra a.
La fuente de corriente eléctrica puede ser, por ejemplo, una batería galvánica o un acumulador eléctrico.
El tamaño de la batería o acumulador determina la cantidad de corriente eléctrica que pueden proporcionar y la duración de su acción.
Para medir la magnitud de la corriente eléctrica en ingeniería eléctrica, use dispositivos especiales, amperímetros (A). Diferentes dispositivos eléctricos transportan diferentes cantidades de corriente eléctrica.
Voltaje
La segunda cantidad eléctrica estrechamente relacionada con la magnitud de la corriente es el voltaje. Para entender más fácilmente cuál es el voltaje de una corriente eléctrica, comparémoslo con la diferencia de niveles del canal (la caída del agua en el río), tal como comparamos la corriente eléctrica con el flujo de agua. Con una pequeña diferencia en los niveles de los canales, tomaremos la diferencia igual a 1.
Si la diferencia en los niveles del canal es más significativa, entonces la caída de agua es correspondientemente mayor. Supongamos, por ejemplo, que es igual a 10, es decir, diez veces más que en el primer caso.Finalmente, con una diferencia aún mayor en los niveles de caída de agua, es, digamos, 100.
Si la corriente de agua cae desde una altura pequeña, solo puede impulsar un molino. En este caso, tomaremos una gota de agua igual a 1.
La misma corriente que cae desde el doble de la altura puede hacer girar las ruedas de dos molinos similares. En este caso, la gota de agua es igual a 2.
Si la diferencia en los niveles de los canales es cinco veces mayor, entonces el mismo flujo impulsa cinco de esos molinos. La gota de agua es 5.
Se observan fenómenos similares cuando se considera el voltaje eléctrico. Basta reemplazar el término «gota de agua» por el término «voltaje eléctrico» para entender lo que significa en los siguientes ejemplos.
Deja que solo una lámpara arda. Supongamos que se le aplica un voltaje igual a 2.
Para que cinco de estas bombillas conectadas de la misma manera se quemen, el voltaje debe ser igual a 10.
Cuando se encienden dos bombillas idénticas conectadas en serie (como se conectan normalmente las bombillas en las guirnaldas de árboles de Navidad), el voltaje es 4.
En todos los casos considerados, por cada foco pasa una corriente eléctrica de la misma magnitud y en cada uno de ellos se aplica el mismo voltaje, que forma parte del voltaje total (voltaje de la batería), que es diferente en cada ejemplo individual.
Deja que el río fluya hacia el lago. Condicionalmente, tomaremos el nivel del agua en el lago como cero Entonces el nivel del canal del río cerca del segundo árbol en relación con el nivel del agua en el lago es igual a 1 m, y el nivel del canal del río cerca del tercero el árbol será de 2 m. El nivel del canal cerca del tercer árbol es 1 m más alto que su nivel cerca del segundo árbol, es decir entre estos árboles es igual a 1 m.
La diferencia en los niveles de los canales se mide en unidades de longitud, por ejemplo, como hicimos nosotros, en metros. En ingeniería eléctrica, el nivel del lecho del río en cualquier punto con respecto a cierto nivel cero (en nuestro ejemplo, el nivel del agua del lago) corresponde a un potencial eléctrico.
La diferencia de potencial eléctrico se llama voltaje. El potencial eléctrico y el voltaje se miden con la misma unidad: el voltio, abreviado con la letra c. Por lo tanto, la unidad para medir el voltaje eléctrico es el voltio.
Se utilizan dispositivos de medición especiales llamados voltímetros (V) para medir el voltaje eléctrico.
Una fuente de corriente eléctrica como una batería es ampliamente conocida. Una celda de la llamada batería de plomo-ácido (en la que las placas de plomo se sumergen en una solución acuosa de ácido sulfúrico) cuando está cargada tiene un voltaje de aproximadamente 2 voltios.
Una batería de ánodo, que se utiliza para alimentar radios de batería con corriente eléctrica, generalmente consta de varias docenas de celdas galvánicas secas, cada una con un voltaje de aproximadamente 1,5 V.
Estos elementos están conectados secuencialmente (es decir, el más del primer elemento está conectado al menos del segundo, el más del segundo al menos del tercero, etc.). En este caso, el voltaje total de la batería es igual a la suma de los voltajes de las celdas que la componen.
Por lo tanto, una batería de 150 V contiene 100 celdas de este tipo conectadas en serie entre sí.
En el enchufe de la red de iluminación con un voltaje de 220 V, puede enchufar una bombilla incandescente diseñada para un voltaje de 220 V o 22 luces de árbol de Navidad idénticas conectadas en serie, cada una de las cuales está diseñada para un voltaje de 10 V.En este caso, cada bombilla tendrá solo 1/22 del voltaje de línea, es decir, 10 voltios.
El voltaje que actúa sobre un dispositivo eléctrico en particular, en nuestro caso una bombilla, se denomina caída de voltaje. Si una bombilla de 220 V consume la misma corriente que una bombilla de 10 V, entonces la corriente total extraída de la red por la guirnalda será de la misma magnitud que la corriente que fluye a través de la bombilla de 220 V.
De lo dicho se desprende que, por ejemplo, se pueden conectar dos bombillas idénticas de 110 voltios a una red de 220 V, conectadas en serie entre sí.
Es posible calentar tubos de radio diseñados para un voltaje de 6,3 V, por ejemplo, a partir de una batería que consta de tres celdas conectadas en serie; las lámparas que están diseñadas para un voltaje de filamento de 2 V pueden ser alimentadas por una sola celda.
La tensión de filamento de los tubos radioeléctricos se indica en forma redondeada al comienzo del símbolo de la lámpara: 1,2 V — con el número 1; 4,4 pulgadas - número 4; 6,3 pulgadas - número 6; 5 c - número 5.
Por la causa que causa la corriente eléctrica.
Si dos áreas de la superficie terrestre, incluso muy alejadas, se encuentran a diferentes niveles, entonces puede ocurrir un flujo de agua. El agua fluirá desde el punto más alto al más bajo.
Así es la corriente eléctrica. Puede fluir solo si hay una diferencia en los niveles eléctricos (potenciales). En un mapa meteorológico, el nivel barométrico más alto (alta presión) está marcado con un signo "+" y el nivel más bajo con un signo "-".
Los niveles se alinearán en la dirección de la flecha. El viento soplará en la dirección del área con el nivel barométrico más bajo. Cuando la presión se iguale, el movimiento del aire se detendrá. Por lo tanto, el flujo de corriente eléctrica se detendrá si los potenciales eléctricos se igualan.
Durante una tormenta hay una igualación de potenciales eléctricos entre las nubes y el suelo o entre las nubes. Aparece en forma de rayo.
También existe una diferencia de potencial entre los terminales (polos) de cada celda galvánica o batería. Por lo tanto, si le coloca, por ejemplo, una bombilla, la corriente fluirá a través de ella. Con el tiempo, la diferencia de potencial disminuye (se produce la igualación de potencial) y la cantidad de corriente que fluye también disminuye.
Si conecta una bombilla a la red eléctrica, también fluirá una corriente eléctrica a través de ella, ya que existe una diferencia de potencial entre los enchufes de la toma de corriente. Sin embargo, a diferencia de una celda o batería galvánica, esta diferencia de potencial se mantiene constantemente, siempre que la planta de energía esté funcionando.
Energía eléctrica
Existe una estrecha relación entre la tensión eléctrica y la corriente. La cantidad de energía eléctrica depende de la cantidad de voltaje y corriente. Expliquemos esto con los siguientes ejemplos.
Cereza cae desde poca altura: Baja altura - ligera tensión. Baja fuerza de impacto: baja potencia eléctrica.
Un coco cae desde una altura pequeña (relativa a donde subió el niño): Objeto grande - corriente grande. Baja altitud: bajo estrés. Fuerza de impacto relativamente alta: potencia relativamente alta.
Una pequeña maceta cae desde una gran altura: Un pequeño objeto es una pequeña corriente. La gran altura de la caída es un gran estrés. Gran fuerza de impacto — alta potencia.
Avalancha que cae desde una gran altura: Grandes masas de nieve: una gran corriente. La gran altura de la caída es un gran estrés. El gran poder destructivo de una avalancha es una gran potencia eléctrica.
A alta corriente y alto voltaje, se obtiene una gran potencia eléctrica.Pero se puede obtener la misma potencia con una corriente más alta y un voltaje correspondientemente más bajo o, por el contrario, con una corriente más baja y un voltaje más alto.
La potencia eléctrica de corriente continua es igual al producto de los valores de voltaje y corriente. La potencia eléctrica se expresa en vatios y se denota con las letras W.
Ya se ha dicho que un caudal de agua de cierta magnitud puede impulsar un molino, el doble de caudal - dos molinos, el cuádruple de caudal - cuatro molinos, etc., a pesar de que la caída de agua (tensión) será la misma .
La figura muestra un pequeño flujo de agua (correspondiente a una corriente eléctrica) haciendo girar las ruedas de cuatro molinos debido a que la gota de agua (correspondiente a un voltaje eléctrico) es lo suficientemente grande.
Las ruedas de estos cuatro molinos pueden girar con el doble de caudal de agua a la mitad de la altura de la caída. Entonces los molinos estarían dispuestos de forma ligeramente diferente, pero el resultado sería el mismo.
La siguiente figura muestra dos lámparas conectadas en paralelo a una red de alumbrado de 110V. Por cada uno de ellos circula una corriente de 1 A. La corriente que circula por las dos lámparas es un total de 2 amperios.
El producto de los valores de voltaje y corriente determina la potencia que estas lámparas consumen de la red.
110V x 2a = 220W.
Si la tensión de la red de alumbrado es de 220 V, las mismas lámparas deben conectarse en serie, no en paralelo (como en el ejemplo anterior), de forma que la suma de la caída de tensión en ellas sea igual a la tensión de la red. La corriente que circula en este caso por las dos lámparas es de 1 A.
El producto de los valores de la tensión y la corriente que circula por el circuito nos dará la potencia consumida por estas lámparas 220 V x 1a = 220 W, es decir, lo mismo que en el primer caso.Esto es comprensible, ya que en el segundo caso la corriente que se toma de la red es dos veces menor, pero el doble de voltaje en la red.
vatio, kilovatio, kilovatio hora
Cualquier aparato o máquina eléctrica (campana, bombilla, motor eléctrico, etc.) consume una determinada cantidad de energía eléctrica de la red de alumbrado.
Se utilizan dispositivos especiales llamados vatímetros para medir la energía eléctrica.
La potencia, por ejemplo, de una lámpara de iluminación, un motor eléctrico, etc., puede determinarse sin la ayuda de un vatímetro, si la tensión de la red y la cantidad de corriente que fluye a través del consumidor de energía eléctrica conectado a la red son conocido.
De manera similar, si se conocen el consumo de energía y el voltaje de la red, se puede determinar la cantidad de corriente que fluye a través del consumidor.
Por ejemplo, una red de iluminación de 110 voltios incluye una lámpara de 50 vatios. ¿Qué corriente fluye a través de él?
Dado que el producto del voltaje expresado en voltios y la corriente expresada en amperios es igual a la potencia expresada en vatios (para corriente continua), luego de hacer el cálculo inverso, es decir, divida la cantidad de vatios por la cantidad de voltios ( tensión de red), obtenemos la cantidad de corriente en amperios que fluye a través de la lámpara,
a = w / b,
la corriente es de 50 W / 110 V = 0,45 A (aprox.).
Así, por la lámpara circula una corriente de unos 0,45 A, que consume 50 W de energía y está conectada a una red eléctrica de 110 V.
Si se incluye una lámpara de araña con cuatro bombillas de 50 vatios, una lámpara de mesa con una bombilla de 100 vatios y una plancha de 300 vatios en la red de iluminación de la habitación, entonces la potencia de todos los consumidores de energía es de 50 W x 4 + 100 W + 300 W = 600 W.
Dado que el voltaje de la red es de 220 V, una corriente eléctrica igual a 600 W / 220 V = 2,7 A (aproximadamente) fluye a través de los cables de iluminación comunes adecuados para esta habitación.
Deje que el motor eléctrico consuma 5000 vatios de potencia de la red o, como se suele decir, 5 kilovatios.
1000 vatios = 1 kilovatio, al igual que 1000 gramos = 1 kilogramo. Los kilovatios se abrevian como kW. Por tanto, podemos decir del motor eléctrico que consume una potencia de 5 kW.
Para determinar cuánta energía consume cualquier dispositivo eléctrico, es necesario tener en cuenta el tiempo durante el cual se consumió esa energía.
Si una bombilla de 10 vatios está encendida durante dos horas, entonces el consumo de energía eléctrica es de 100 vatios x 2 horas = 200 vatios-hora o 0,2 kilovatios-hora. Si una bombilla de 100 vatios está encendida durante 10 horas, la cantidad de energía consumida es de 100 vatios x 10 horas = 1000 vatios-hora o 1 kilovatio-hora. Los kilovatios hora se abrevian como kWh.
Hay muchas más cosas interesantes en este libro, pero incluso estos ejemplos muestran cuán responsable y sinceramente los autores de esa época abordaron su trabajo, especialmente en el caso de la enseñanza de los niños.