Sobre corrente elétrica, tensão e energia de um livro infantil soviético: simples e claro
Na União Soviética, que alcançou sucessos muito sérios no desenvolvimento da ciência e da tecnologia, o movimento de radioamadorismo se espalhou. Milhares de jovens cidadãos estudaram engenharia de rádio sob a orientação de instrutores em círculos de rádio e clubes de rádio que possuem literatura técnica especial, ferramentas e instrumentos. Muitos deles no futuro se tornaram engenheiros, designers, cientistas qualificados.
A literatura científica popular foi publicada para tais circuitos de rádio, na qual várias questões de física, mecânica, engenharia elétrica e eletrônica foram explicadas em linguagem simples com um grande número de ilustrações.
Um dos exemplos de tais livros é o livro de Cheslov Klimchevsky "O Alfabeto de um Amador de Rádio", publicado pela editora "Svyazizdat" em 1962. A primeira seção do livro é chamada "Engenharia Elétrica", a segunda seção é "Rádio Engenharia", o terceiro é "Conselhos Práticos". , a quarta seção — «Nós mesmos instalamos».
O livro em si pode ser baixado aqui: O alfabeto de rádio amador (selvagem)
Esse tipo de livro na década de 1960 não pertencia à literatura altamente especializada.Eles foram publicados em tiragens de dezenas de milhares de exemplares e foram destinados a um leitor de massa.
O rádio Raz foi aplicado tão completamente no dia a dia das pessoas que, na época, acreditava-se que você não poderia ser limitado apenas pela capacidade de girar os botões. E toda pessoa instruída deve estudar rádio para entender como a transmissão e recepção de rádio são realizadas, para se familiarizar com os fenômenos elétricos e magnéticos básicos que são a chave para a teoria da engenharia de rádio. Também é necessário, de um modo geral, familiarizar-se com os sistemas e o design dos dispositivos receptores.
Vamos olhar juntos e julgar como naquela época eles sabiam explicar coisas complexas com imagens simples.
Um radioamador novato do nosso tempo:
Sobre corrente elétrica
Todas as substâncias do mundo e, consequentemente, todos os objetos ao nosso redor, montanhas, mares, ar, plantas, animais, pessoas, consistem em partículas imensuravelmente pequenas, moléculas e estas, por sua vez, em átomos. Um pedaço de ferro, uma gota de água, uma quantidade insignificante de oxigênio, são um acúmulo de bilhões de átomos, um tipo no ferro, outro na água ou no oxigênio.
Se você olhar a floresta à distância, parece uma faixa escura de uma só peça (compare, por exemplo, com um pedaço de ferro). À medida que se aproximam da borda da floresta, árvores individuais podem ser vistas (em um pedaço de ferro — átomos de ferro). Uma floresta consiste em árvores; da mesma forma, uma substância (como o ferro) é composta de átomos.
Em uma floresta de coníferas, as árvores são diferentes de uma floresta decídua; da mesma forma, as moléculas de cada elemento químico são compostas de átomos diferentes das moléculas de outros elementos químicos. Assim, os átomos de ferro são diferentes de, digamos, átomos de oxigênio.
Aproximando-nos ainda mais das árvores, vemos que cada uma delas é composta por um tronco e folhas. Da mesma forma, os átomos da substância consistem nos chamados Núcleo (tronco) e elétrons (folhas).
O tronco é pesado e o núcleo é pesado; representa a carga elétrica positiva (+) do átomo. As folhas são leves e os elétrons são leves; eles formam uma carga elétrica negativa (-) no átomo.
Diferentes árvores têm troncos com diferentes números de ramos e o número de folhas não é o mesmo. Da mesma forma, um átomo, dependendo do elemento químico que representa, é constituído (na sua forma mais simples) por um núcleo (tronco) com várias cargas positivas — os assim chamados prótons (ramos) e um número de cargas negativas — elétrons (folhas).
Na floresta, no chão entre as árvores, acumulam-se muitas folhas caídas. O vento levanta essas folhas do chão e elas circulam entre as árvores. Assim, em uma substância (por exemplo, um metal) entre os átomos individuais existe uma certa quantidade de elétrons livres que não pertencem a nenhum dos átomos; esses elétrons se movem aleatoriamente entre os átomos.
Se você conectar os fios provenientes de uma bateria elétrica às extremidades de uma peça de metal (por exemplo, um gancho de aço): conecte uma extremidade dela ao positivo da bateria — traga o chamado potencial elétrico positivo (+) para ele, e a outra extremidade para o menos da bateria - traga potencial elétrico negativo (-), então os elétrons livres (cargas negativas) começarão a se mover entre os átomos dentro do metal, correndo para o lado positivo da bateria.
Isso se explica pela seguinte propriedade das cargas elétricas: cargas opostas, ou seja, cargas positivas e negativas se atraem; cargas iguais, isto é, positivas ou negativas, ao contrário, se repelem.
Elétrons livres (cargas negativas) no metal são atraídos para o terminal carregado positivamente (+) da bateria (fonte de corrente) e, portanto, se movem no metal não mais aleatoriamente, mas para o lado positivo da fonte de corrente.
Como já sabemos, um elétron é uma carga elétrica. Um grande número de elétrons movendo-se em uma direção dentro do metal compõem o fluxo de elétrons, ou seja, cargas elétricas. Essas cargas elétricas (elétrons) movendo-se no metal formam uma corrente elétrica.
Como já mencionado, os elétrons se movem ao longo dos fios de menos para mais. No entanto, concordamos em considerar que a corrente flui na direção oposta: de mais para menos, ou seja, como se não fosse negativo, mas cargas positivas se movessem ao longo dos fios (essas cargas positivas seriam atraídas para o menos da fonte de corrente) .
Quanto mais folhas na floresta são levadas pelo vento, mais espessas elas preenchem o ar; da mesma forma, quanto mais cargas fluem no metal, maior a quantidade de corrente elétrica.
Nem toda substância pode transportar uma corrente elétrica com a mesma facilidade. Elétrons livres se movem facilmente, por exemplo em metais.
Materiais nos quais as cargas elétricas se movem facilmente são chamados de condutores de corrente elétrica. Alguns materiais, chamados de isolantes, não possuem elétrons livres e, portanto, nenhuma corrente elétrica flui através dos isoladores. Isoladores incluem, entre outros materiais, vidro, porcelana, mica, plásticos.
Os elétrons livres que estão presentes em uma substância que conduz uma corrente elétrica também podem ser comparados a gotículas de água.
Gotas individuais em repouso não criam um fluxo de água. Um grande número deles em movimento forma um riacho ou rio fluindo em uma direção. As gotas de água deste córrego ou rio se movem em um fluxo cuja força é maior, quanto maior for a diferença de cotas do canal ao longo de seu percurso e, portanto, maior será a diferença de “potenciais” (alturas) do indivíduo segmentos individuais deste caminho.
A magnitude da corrente elétrica
Para entender os fenômenos causados pela corrente elétrica, compare-a com o fluxo da água. Pequenas quantidades de água fluem em riachos, enquanto grandes massas de água fluem em rios.
Suponha que o valor da vazão de água no córrego seja igual a 1; Tomemos o valor do fluxo no rio, por exemplo, como 10. Finalmente, para um rio poderoso, o valor do fluxo de água é, digamos, 100, ou seja, cem vezes o valor do fluxo no córrego.
Um fluxo fraco de água pode mover a roda de apenas um moinho. Vamos tomar o valor deste fluxo igual a 1.
O dobro do fluxo de água pode movimentar dois desses moinhos. Neste caso, o valor do fluxo de água é igual a 2.
Cinco vezes o fluxo de água pode mover cinco moinhos idênticos; o valor do fluxo de água agora é 5. O fluxo do fluxo de água no rio pode ser observado; a corrente elétrica flui através de fios invisíveis aos nossos olhos.
A figura a seguir mostra um motor elétrico (motor elétrico) acionado por corrente elétrica. Tomemos neste caso o valor da corrente elétrica igual a 1.
Quando uma corrente elétrica aciona dois desses motores elétricos, a quantidade de corrente que flui pelo fio principal será duas vezes maior, ou seja, igual a 2.Finalmente, quando uma corrente elétrica alimenta cinco dos mesmos motores elétricos, a corrente no fio principal é cinco vezes maior do que no primeiro caso; portanto, sua magnitude é 5.
Uma unidade prática para medir a quantidade de fluxo de água ou outro líquido (ou seja, a quantidade que flui por unidade de tempo, por exemplo, por segundo, através da seção transversal de um leito de rio, cano, etc.) litro por segundo.
Para medir a intensidade da corrente elétrica, ou seja, a quantidade de cargas que circulam na seção transversal do fio por unidade de tempo, toma-se como unidade prática o ampère, portanto, a magnitude da corrente elétrica é determinada em ampères. O ampère abreviado é indicado pela letra a.
A fonte de corrente elétrica pode ser, por exemplo, uma bateria galvânica ou um acumulador elétrico.
O tamanho da bateria ou acumulador determina a quantidade de corrente elétrica que podem fornecer e a duração de sua ação.
Para medir a magnitude da corrente elétrica em engenharia elétrica, use dispositivos especiais, amperímetros (A). Diferentes dispositivos elétricos carregam diferentes quantidades de corrente elétrica.
Tensão
A segunda grandeza elétrica intimamente relacionada com a magnitude da corrente é a tensão. Para entender mais facilmente o que é a tensão de uma corrente elétrica, vamos compará-la com a diferença dos níveis do canal (a queda da água no rio), assim como comparamos a corrente elétrica com o fluxo da água. Com uma pequena diferença nos níveis dos canais, tomaremos a diferença igual a 1.
Se a diferença nos níveis do canal for mais significativa, a queda de água é correspondentemente maior. Suponhamos, por exemplo, que seja igual a 10, ou seja, dez vezes mais do que no primeiro caso.Por fim, com uma diferença ainda maior nos níveis de queda d'água, são, digamos, 100.
Se o fluxo de água cair de uma pequena altura, ele poderá acionar apenas um moinho. Neste caso, tomaremos uma gota de água igual a 1.
A mesma corrente caindo do dobro da altura pode girar as rodas de dois moinhos semelhantes. Neste caso, a gota de água é igual a 2.
Se a diferença nos níveis do canal for cinco vezes maior, então o mesmo fluxo aciona cinco desses moinhos. A gota de água é 5.
Fenômenos semelhantes são observados quando se considera a tensão elétrica. Basta substituir o termo «gota d'água» pelo termo «tensão elétrica» para entender o que significa nos exemplos a seguir.
Deixe apenas uma lâmpada queimar. Suponha que uma tensão igual a 2 seja aplicada a ele.
Para que cinco dessas lâmpadas conectadas da mesma maneira queimem, a tensão deve ser igual a 10.
Quando duas lâmpadas idênticas conectadas em série entre si são acesas (como as lâmpadas geralmente são conectadas em guirlandas de árvore de Natal), a tensão é 4.
Em todos os casos considerados, uma corrente elétrica de mesma magnitude passa por cada lâmpada e a mesma tensão é aplicada a cada uma delas, que faz parte da tensão total (tensão da bateria), que é diferente em cada exemplo individual.
Deixe o rio fluir para o lago. Condicionalmente, tomaremos o nível da água no lago como zero. Então o nível do canal do rio próximo à segunda árvore em relação ao nível da água no lago é igual a 1 m, e o nível do canal do rio próximo à terceira árvore será de 2 m. O nível do canal perto da terceira árvore é 1 m mais alto que seu nível perto da segunda árvore, ou seja, entre essas árvores é igual a 1 m.
A diferença nos níveis do canal é medida em unidades de comprimento, por exemplo, como fizemos, em metros. Na engenharia elétrica, o nível do leito do rio em qualquer ponto em relação a um certo nível zero (no nosso exemplo, o nível da água do lago) corresponde a um potencial elétrico.
A diferença de potencial elétrico é chamada de tensão. O potencial elétrico e a voltagem são medidos pela mesma unidade – o volt, abreviado pela letra c. Assim, a unidade para medir a tensão elétrica é o volt.
Dispositivos de medição especiais chamados voltímetros (V) são usados para medir a tensão elétrica.
Uma fonte de corrente elétrica como uma bateria é amplamente conhecida. Uma célula da chamada bateria de chumbo-ácido (na qual as placas de chumbo são imersas em uma solução aquosa de ácido sulfúrico) quando carregada tem uma voltagem de cerca de 2 volts.
Uma bateria de ânodo, que é usada para alimentar rádios de bateria com corrente elétrica, geralmente consiste em várias dezenas de células galvânicas secas, cada uma com uma tensão de cerca de 1,5 V.
Esses elementos são conectados sequencialmente (isto é, o mais do primeiro elemento está conectado ao menos do segundo, o mais do segundo - ao menos do terceiro, etc.). Nesse caso, a tensão total da bateria é igual à soma das tensões das células que a compõem.
Portanto, uma bateria de 150 V contém 100 dessas células conectadas em série entre si.
Na tomada da rede de iluminação com tensão de 220 V, você pode conectar uma lâmpada incandescente projetada para tensão de 220 V ou 22 luzes de árvore de Natal idênticas conectadas em série, cada uma projetada para tensão de 10 V.Nesse caso, cada lâmpada terá apenas 1/22 da tensão da rede, ou seja, 10 volts.
A tensão que atua em um determinado dispositivo elétrico, no nosso caso, uma lâmpada, é chamada de queda de tensão. Se uma lâmpada de 220 V consome a mesma corrente que uma lâmpada de 10 V, então a corrente total retirada da rede pela guirlanda será a mesma em magnitude que a corrente que flui através da lâmpada de 220 V.
Pelo que foi dito, fica claro que, por exemplo, duas lâmpadas idênticas de 110 volts podem ser conectadas a uma rede de 220 V, ligadas em série entre si.
É possível aquecer tubos de rádio projetados para uma tensão de 6,3 V, por exemplo, de uma bateria composta por três células conectadas em série; as lâmpadas projetadas para uma tensão de filamento de 2 V podem ser alimentadas por uma única célula.
A tensão do filamento das válvulas radioelétricas é indicada de forma arredondada no início do símbolo da lâmpada: 1,2 V — com o número 1; 4,4 pol — número 4; 6,3 pol — número 6; 5 c — número 5.
Para a causa causando corrente elétrica
Se duas áreas da superfície da Terra, mesmo distantes, estiverem em níveis diferentes, pode ocorrer fluxo de água. A água fluirá do ponto mais alto para o mais baixo.
Assim como a corrente elétrica. Ele pode fluir apenas se houver uma diferença nos níveis elétricos (potenciais). Em um mapa meteorológico, o nível barométrico mais alto (alta pressão) é marcado com um sinal "+" e o nível mais baixo com um sinal "-".
Os níveis serão alinhados na direção da seta. O vento soprará na direção da área com o nível barométrico mais baixo. Quando a pressão se equalizar, o movimento do ar irá parar. Assim, o fluxo de corrente elétrica irá parar se os potenciais elétricos se igualarem.
Durante uma tempestade há uma equalização de potenciais elétricos entre as nuvens e o solo ou entre as nuvens. Aparece na forma de um raio.
Existe também uma diferença de potencial entre os terminais (pólos) de cada célula galvânica ou bateria. Portanto, se você conectar, por exemplo, uma lâmpada a ela, a corrente fluirá através dela. Com o tempo, a diferença de potencial diminui (ocorre a equalização de potencial) e a quantidade de corrente que flui também diminui.
Se você conectar uma lâmpada à rede elétrica, uma corrente elétrica também fluirá através dela, pois há uma diferença de potencial entre os soquetes da tomada. No entanto, ao contrário de uma célula ou bateria galvânica, essa diferença de potencial é mantida constantemente - desde que a usina esteja funcionando.
Energia elétrica
Existe uma estreita relação entre a tensão elétrica e a corrente. A quantidade de energia elétrica depende da quantidade de tensão e corrente. Vamos explicar isso com os exemplos a seguir.
Cherry cai de uma altura baixa: Baixa altura - leve tensão. Força de baixo impacto — baixa potência elétrica.
Um coco cai de uma altura pequena (em relação a onde o menino subiu): Objeto grande - correnteza grande. Baixa altitude - baixo estresse. Força de impacto relativamente alta — potência relativamente alta.
Um pequeno vaso de flores cai de uma grande altura: Um pequeno objeto é uma pequena corrente. A grande altura da queda é um grande estresse. Força de alto impacto — alta potência.
Avalanche caindo de grande altura: Grandes massas de neve — uma grande corrente. A grande altura da queda é um grande estresse. O grande poder destrutivo de uma avalanche é uma grande energia elétrica.
Em alta corrente e alta tensão, grande potência elétrica é obtida.Mas a mesma potência pode ser obtida com corrente mais alta e tensão correspondentemente mais baixa ou, inversamente, com corrente mais baixa e tensão mais alta.
A potência elétrica de corrente contínua é igual ao produto dos valores de tensão e corrente. A potência elétrica é expressa em watts e é indicada pelas letras W.
Já foi dito que uma vazão de água de certa magnitude pode acionar um moinho, o dobro da vazão - dois moinhos, quatro vezes a vazão - quatro moinhos, etc., apesar de a queda d'água (tensão) ser a mesma .
A figura mostra um pequeno fluxo de água (correspondente a uma corrente elétrica) girando as rodas de quatro moinhos devido ao fato de que a gota d'água (correspondente a uma tensão elétrica) é grande o suficiente.
As rodas desses quatro moinhos podem girar com o dobro do fluxo de água na metade da altura da queda. Em seguida, os moinhos seriam organizados de maneira ligeiramente diferente, mas o resultado seria o mesmo.
A figura a seguir mostra duas lâmpadas conectadas em paralelo a uma rede de iluminação de 110V. Por cada uma delas circula uma corrente de 1 A. A corrente que circula pelas duas lâmpadas é de 2 amperes no total.
O produto dos valores de tensão e corrente determina a potência que essas lâmpadas consomem da rede.
110 V x 2a = 220 W.
Se a tensão da rede de iluminação for de 220 V, as mesmas lâmpadas devem ser conectadas em série, não em paralelo (como no exemplo anterior), para que a soma da queda de tensão nelas seja igual à tensão do rede. A corrente que flui neste caso através das duas lâmpadas é de 1 A.
O produto dos valores da tensão e da corrente que circula pelo circuito nos dará a potência consumida por essas lâmpadas 220 V x 1a = 220 W, ou seja, a mesma do primeiro caso.Isso é compreensível, pois no segundo caso a corrente retirada da rede é duas vezes menor, mas o dobro da tensão na rede.
Watt, quilowatt, quilowatt hora
Qualquer dispositivo ou máquina elétrica (campainha, lâmpada, motor elétrico, etc.) consome uma certa quantidade de energia elétrica da rede de iluminação.
Dispositivos especiais chamados wattímetros são usados para medir a energia elétrica.
A potência, por exemplo, de uma lâmpada de iluminação, de um motor elétrico etc. conhecido.
Da mesma forma, se o consumo de energia da rede e a tensão da rede forem conhecidos, a quantidade de corrente que flui pelo consumidor pode ser determinada.
Por exemplo, uma rede de iluminação de 110 volts inclui uma lâmpada de 50 watts. Que corrente passa por ele?
Como o produto da tensão expressa em volts e a corrente expressa em amperes é igual à potência expressa em watts (para corrente contínua), depois de fazer o cálculo inverso, ou seja, divida o número de watts pelo número de volts ( tensão de rede), obtemos a quantidade de corrente em amperes que flui através da lâmpada,
a = p/b,
a corrente é 50 W / 110 V = 0,45 A (aprox.).
Assim, uma corrente de cerca de 0,45 A circula pela lâmpada, que consome 50 W de energia e está ligada a uma rede elétrica de 110 V.
Se um lustre com quatro lâmpadas de 50 watts, um abajur com uma lâmpada de 100 watts e um ferro de 300 watts forem incluídos na rede de iluminação da sala, a potência de todos os consumidores de energia será de 50 W x 4 + 100 W + 300 W = 600 W.
Como a tensão da rede é de 220 V, uma corrente elétrica igual a 600 W / 220 V = 2,7 A (aproximadamente) flui pelos fios de iluminação comuns adequados para esta sala.
Deixe o motor elétrico consumir 5.000 watts de energia da rede, ou, como dizem, 5 quilowatts.
1000 watts = 1 quilowatt, assim como 1000 gramas = 1 quilograma. Quilowatts são abreviados como kW. Portanto, podemos dizer sobre o motor elétrico que consome uma potência de 5 kW.
Para determinar quanta energia é consumida por qualquer dispositivo elétrico, é necessário levar em consideração o período de tempo durante o qual essa energia foi consumida.
Se uma lâmpada de 10 watts estiver acesa por duas horas, o consumo de energia elétrica será de 100 watts x 2 horas = 200 watts-hora ou 0,2 quilowatt-hora. Se uma lâmpada de 100 watts estiver acesa por 10 horas, a quantidade de energia consumida é de 100 watts x 10 horas = 1.000 watts-hora ou 1 quilowatt-hora. Quilowatts-hora são abreviados como kWh.
Há muito mais coisas interessantes neste livro, mas mesmo esses exemplos mostram como os autores da época abordavam seu trabalho com responsabilidade e sinceridade, principalmente no caso do ensino de crianças.