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Informazioni sull'elettricità: calcoli di potenza, volt, ampere, watt, ohm, chilowattora (kWh), CA e CC - #2

Così

I = V / R

o

R = V / I

Questa è conosciuta come la legge di Ohm e sostanzialmente dice che la corrente è proporzionale alla tensione e inversamente proporzionale alla resistenza (All'aumentare della resistenza, la corrente diminuisce e viceversa) Ricordare che la resistenza misurata in ohm è solo una misura di come il carico o l'apparecchio nel circuito "resiste" al flusso di corrente. Nei circuiti elettronici e in alcuni apparecchi elettrici, componenti chiamati resistenze hanno valori precisi di resistenza in modo che possano essere utilizzati per controllare il valore della corrente che scorre in un circuito.

Un esempio:

La resistenza in un circuito è di 100 ohm, viene applicata una tensione di 120 volt, qual è la corrente?

Corrente = 120/100 = 1,2 amp

Un carico potrebbe essere un resistore elettronico come questo o un apparecchio elettrico.

Un carico potrebbe essere un resistore elettronico come questo o un apparecchio elettrico.

Come elaborare la potenza in un circuito Conoscere la resistenza e la tensione o la corrente

Ricorda watt = volt x amp? Un modo alternativo per elaborare la potenza è dalla resistenza in ohm:

Quindi se I è la corrente in ampere, V è la tensione, R è la resistenza in ohm e P è la potenza in watt,

Poi:

I = V / R dalla legge di Ohm

Ma anche P = VI

Quindi sostituendo l'espressione I = V / R in P = VI si ottiene:

P = VI = V (V / R) = V2/ R

allo stesso modo

P = VI = (IR) I = I2R

√ą improbabile che quando si hanno a che fare con elettrodomestici in casa sia necessario utilizzare le ultime due equazioni. Tuttavia, ecco un esempio.

Un'alimentazione a 240 volt è collegata a un carico di 100 ohm. Qual è il consumo di energia del carico?

Potenza = V2/ R = (240)2 / 100 = 576 watt

Tensione V =

IR

Corrente I =

V / R

Resistenza R =

V / I

Potenza P =

IV

Corrente I =

P / V

Tensione V =

PI

Potenza P =

V² / R

Potenza P =

I²R

Un riepilogo delle equazioni per un circuito elettrico

Che cos'è la resistività e in che modo influenza la resistenza?

Cosa sono i conduttori elettrici?

UN conduttore è un mezzo fisico che trasporta una corrente elettrica. Potrebbe trattarsi di un cavo di alimentazione, punte su una spina, un liquido come acqua, acido della batteria o gas ionizzato in una lampada a scarica (ad es. Lampada fluorescente o sodio).

Nel caso di un conduttore solido come un filo di rame, la resistenza elettrica √® proporzionale alla lunghezza del conduttore e inversamente proporzionale alla sua sezione trasversale. In effetti ci√≤ significa che pi√Ļ lungo √® un pezzo di filo, maggiore √® la sua resistenza. Allo stesso modo maggiore √® il diametro del filo, minore √® la sua resistenza. Ci√≤ ha implicazioni per i conduttori utilizzati negli apparecchi e nella trasmissione di potenza. Ad esempio, il calibro del filo utilizzato in una prolunga √® importante, se il filo √® troppo sottile, la resistenza sar√† alta e il cavo potrebbe surriscaldarsi. Se un cavo di alimentazione √® molto lungo, la sua resistenza potrebbe essere troppo alta se non correttamente classificata, causando una caduta di tensione inaccettabile all'estremit√† del cavo (a causa della resistenza).

Per un conduttore con area della sezione trasversale A e lunghezza l, la resistenza R può essere calcolata usando l'equazione:

R = ŌĀl / A

ŌĀ (lettera greca "rho") √® una costante nota come resistivit√† ed √® una misura della capacit√† del materiale di condurre l'elettricit√†. Pi√Ļ bassa √® la resistivit√† di un materiale, minore sar√† la resistenza del conduttore.

Il rame ha la pi√Ļ bassa resistivit√† dei materiali pi√Ļ comuni ed √® per questo che √® ampiamente usato nella produzione di cavi. L'argento ha una resistivit√† inferiore rispetto al rame, ma √® molto pi√Ļ costoso. L'alluminio √® generalmente usato per i cavi aerei e sebbene abbia una resistivit√† superiore rispetto al rame, √® pi√Ļ leggero. L'oro ha una resistivit√† circa 1,5 volte quella del rame, tuttavia non √® reattivo e non si ossida (offuscando). Un rivestimento offuscato su un conduttore aumenta la resistenza di contatto, quindi √® per questo che l'oro viene spesso utilizzato come rivestimento su connettori audio / video. L'oro √® anche usato per i fili di collegamento in miniatura nei circuiti integrati.
Gli isolanti sono conduttori con resistenza molto elevata e per tutti gli scopi pratici.

Resistività di vari materiali

Materiale

resistività

Argento

1,59 √ó 10‚ąí8 ő©m

Rame

1,68 √ó 10‚ąí8 ő©m

Oro

2,44 √ó 10‚ąí8 ő©m

Alluminio

2.82√ó10‚ąí8

Ferro

9,71 √ó 10‚ąí8 ő©m

Platino

1,06 √ó 10‚ąí7 ő©m

Nichrome (utilizzato negli elementi riscaldanti)

1,10 √ó 10‚ąí6 ő©m

Bicchiere

Da 1.00 √ó 1011 a 1.00 √ó 1015 ő©m

Gomma dura

1,00 √ó 1013 ő©m

Materiali con resistività crescente.

Che cos'è un isolante?

Un isolante elettrico √® un materiale che ha un'altissima resistenza perch√© non ci sono elettroni liberi per trasportare corrente. Per tutti gli scopi pratici un isolante pu√≤ essere considerato avere una resistenza infinita. Poich√© la resistenza √® infinita (l'infinito √® rappresentato dal simbolo ‚ąě), la corrente attraverso un isolante √®:

Corrente = Tensione / resistenza = tensione / ‚ąě = 0

Gli isolatori vengono utilizzati per impedire il flusso di corrente tra due punti elettrici con tensione diversa, ad es. isolamento sui singoli nuclei di un cavo di alimentazione, la plastica di una spina di alimentazione o isolanti in vetro / ceramica su linee elettriche. Inoltre impediscono che l'alta tensione causi scosse elettriche.

Di cosa sono fatti gli isolanti?

I materiali isolanti tipici utilizzati per scopi elettrici sono:

  • Plastica
  • Ceramica
  • Bicchiere
  • Vetro epossidico (usato per PCB)
  • Bachelite (una plastica termoindurente di vecchio stile)
  • Mica

Dettaglio della stringa isolante (la stringa verticale di dischi) su una torre di sospensione da 275.000 volt vicino a Thornbury, nel sud del Gloucestershire, in Inghilterra.

Dettaglio della stringa isolante (la stringa verticale di dischi) su una torre di sospensione da 275.000 volt vicino a Thornbury, nel sud del Gloucestershire, in Inghilterra.

Isolamento in PVC sui nuclei di un power flex.

Isolamento in PVC sui nuclei di un power flex.

Le protezioni nere isolanti sui perni di questa spina impediscono il contatto con i perni durante l'inserimento / la rimozione.

Le protezioni nere isolanti sui perni di questa spina impediscono il contatto con i perni durante l'inserimento / la rimozione.

Che cos'è un superconduttore?

Quando alcuni materiali sono sottoposti a temperature molto basse, la loro resistenza scende a zero.

Poiché V = IR, se R è zero, allora V diventa 0 anche se I è diverso da zero

Le conseguenze di ciò sono che una corrente può fluire anche se la sorgente di tensione viene rimossa. Poiché la resistenza è zero e non viene dissipato calore, i cavi sottili possono trasportare enormi correnti. I superconduttori sono utilizzati ad esempio nelle macchine per risonanza magnetica per trasportare le correnti elevate richieste da potenti magneti.

Cavi superconduttori.

Cavi superconduttori.

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Cosa sono AC e DC?

La corrente prodotta da una fonte di alimentazione può assumere una delle due forme, AC o DC. La fonte di alimentazione potrebbe essere una batteria, un generatore elettrico, la potenza trasmessa lungo i cavi di servizio a casa o l'uscita di un generatore di segnale, un dispositivo utilizzato nei laboratori o dal personale addetto ai test durante i test o la progettazione di sistemi elettronici.

DC

Questo significa corrente continua, quindi la corrente fornita dalla sorgente scorre solo in un modo. Una sorgente CC avr√† un livello di tensione di valore nominale e questa tensione diminuir√† quando la sorgente viene caricata e produce pi√Ļ corrente. Questo calo √® dovuto alla resistenza interna intrinseca all'interno della sorgente. La resistenza non √® dovuta a un resistore reale, ma pu√≤ essere modellata come tale ed √® composta da resistenza effettiva di conduttori, componenti elettronici, elettrolita in batterie, ecc.

Esempi di sorgenti CC sono batterie, generatori CC noti come dinamo, celle solari e termocoppie.

corrente alternata

Questo significa "corrente alternata" e significa che la corrente "si alterna" o cambia direzione. Quindi la corrente scorre in un modo, raggiunge un picco, scende a zero, cambia direzione, raggiunge un picco e poi torna di nuovo a zero prima che l'intero ciclo venga ripetuto. Il numero di volte in cui questo ciclo si verifica al secondo è chiamato frequenza. Negli Stati Uniti la frequenza è di 60 Hertz (Hz) o cicli al secondo. In altri paesi è di 50 Hz. La fornitura di energia elettrica in casa è AC.

Il vantaggio di AC è la facilità con cui può essere trasformato da un livello di tensione a un altro da un dispositivo noto come trasformatore.

Le fonti CA includono l'alimentazione elettrica a casa tua, i generatori nelle centrali elettriche, i trasformatori, gli inverter da CC a CA (che consentono di alimentare gli apparecchi dall'accendisigari in auto), i generatori di segnali e gli azionamenti a frequenza variabile per controllare la velocità dei motori. L'alternatore in un veicolo genera elettricità come CA prima che venga rettificato e convertito in CC. I trapani brushless e cordless di nuova generazione convertono la tensione CC della batteria in CA per guidare il motore.

Riduzione dei costi di trasmissione dell'elettricità sulla rete

Poich√© la CA pu√≤ essere facilmente trasformata da una tensione all'altra, √® pi√Ļ vantaggioso per la trasmissione di energia sulla rete elettrica. I generatori nelle centrali elettriche generano una tensione relativamente bassa, in genere 10.000 volt. I trasformatori possono quindi aumentare la tensione fino a una tensione superiore, 200.000, 400.000 volt o superiore per la trasmissione attraverso il paese. Un trasformatore step up, converte la potenza in ingresso in una tensione pi√Ļ elevata, in una corrente di uscita inferiore. Ora questa diminuzione della corrente √® l'effetto desiderato per due motivi. Innanzitutto, la caduta di tensione viene ridotta nelle linee di trasmissione a causa della corrente inferiore che fluisce attraverso la resistenza dei cavi (poich√© V = IR). In secondo luogo, ridurre la corrente riduce la perdita di potenza mentre la corrente scorre attraverso la resistenza dei cavi di distribuzione (ricordare potenza = I2R nelle equazioni sopra?). L'energia viene sprecata come calore nei cavi di trasmissione, che ovviamente non √® voluto. Se la corrente viene dimezzata, la perdita di potenza diventa un quarto di quanto era in precedenza (a causa del termine al quadrato nell'equazione del potere), Se la corrente viene ridotta di 10 volte, la perdita di potenza √® dell'1% di quello che era, e cos√¨ via.

La forma d'onda CA della fornitura domestica alle nostre case è sinusoidale.

La forma d'onda CA della fornitura domestica alle nostre case è sinusoidale.

La tensione CA è sinusoidale.

La tensione CA è sinusoidale.

Trasformatore in una sottostazione elettrica. La funzione di un trasformatore è di aumentare o diminuire la tensione.

Trasformatore in una sottostazione elettrica. La funzione di un trasformatore è di aumentare o diminuire la tensione.

Che cos'è la tensione trifase?

Le linee di trasmissione a lunga distanza possono utilizzare la corrente continua per ridurre le perdite, tuttavia la potenza viene normalmente distribuita a livello nazionale utilizzando a 3 fasi sistema. Ogni fase √® una tensione CA sinusoidale e ciascuna delle fasi √® separata da 120 gradi. Quindi, nel grafico seguente, la fase 1 √® un'onda sinusoidale, la fase 2 √® in ritardo di 120 gradi e la fase 3 √® in ritardo di 240 gradi (o porta di 120 gradi). Per trasmettere energia sono necessari solo 3 fili perch√© si scopre che nel neutro non scorre corrente (per un carico bilanciato). Il trasformatore che alimenta la tua casa, ha 3 linee di fase come input e l'uscita √® a stella sorgente in modo da fornire 3 linee di fase pi√Ļ neutro. In paesi come il Regno Unito, le case sono alimentate da una delle fasi pi√Ļ una neutrale. Negli Stati Uniti, una delle fasi √® suddivisa per fornire le due gambe "calde" dell'offerta.

Perché viene utilizzata la fase 3?

  • Pi√Ļ potenza pu√≤ essere trasmessa utilizzando solo 1,5 volte il numero di fili
  • I motori alimentati da 3 fasi sono pi√Ļ piccoli di un motore monofase simile della stessa potenza
  • La sera della coppia di uscita facilita il funzionamento e provoca meno vibrazioni dei motori alimentati a 3 fasi
  • Il conduttore neutro pu√≤ essere ridotto di dimensioni a causa del flusso di corrente inferiore
  • Il neutro non √® necessario per trasmettere energia tra sottostazioni e trasformatori

Formule a 3 fasi

Se VP è la tensione di fase da ciascuna fase a neutro

e VL è la tensione di linea tra ciascuna fase

Quindi VL = ‚ąö3VP

Delta Star Transformer

Un trasformatore a stella Delta (noto anche come delta - wye o delta Y) viene spesso utilizzato per la produzione di un alimentatore trifase, monofase e neutro per case e industrie. L'alimentazione in ingresso è in genere 11kv e la tensione della fase di uscita è di 230 volt (nei paesi che utilizzano questa tensione)

3 tensioni di fase. Ogni fase è sinusoidale con una differenza di fase di 120 gradi.

3 tensioni di fase. Ogni fase è sinusoidale con una differenza di fase di 120 gradi.

Trasformatore Delta-Star (Wye) in grado di fornire alimentazione monofase o trifase.

Trasformatore Delta-Star (Wye) in grado di fornire alimentazione monofase o trifase.

Linee elettriche trifase. Ogni linea aerea è una singola fase.

Linee elettriche trifase. Ogni linea aerea è una singola fase.

Linee di campo magnetico attorno a un conduttore

Linee di campo magnetico attorno a un conduttore

Quali sono altri effetti quando scorre una corrente?

Come accennato in precedenza, quando la corrente scorre attraverso la resistenza di un carico, diventa calda. Questo è talvolta l'effetto desiderato, ad es. una stufa elettrica. Tuttavia, è un effetto indesiderato nelle lampade, poiché la funzione desiderata del dispositivo è convertire l'elettricità in luce e non produrre calore come sottoprodotto. Una corrente eccessiva nei cavi di alimentazione durante un sovraccarico può potenzialmente causare un incendio se dispositivi di protezione come fusibili o MCB (interruttori automatici miniaturizzati) non sono inclusi in linea con il cavo.
Quindi cos'altro succede quando la corrente scorre attraverso un conduttore? Un effetto è che viene prodotto un campo magnetico. Questo fenomeno viene utilizzato in un dispositivo chiamato solenoide o elettromagnete che è sostanzialmente come una bobina o bobina di filo attraverso la quale scorre una corrente. Gli elettromagneti sono usati nel vecchio stile, non elettronici, campanelli per porte e telefoni, valvole di ingresso dell'acqua su lavatrici, relè (un interruttore azionato da un elettromagnete), motori di avviamento sui veicoli e per il salvataggio di ferro e acciaio.

La corrente che fluisce attraverso un conduttore produce anche un campo elettrico. Un esempio estremo di ciò è il campo ad alta intensità prodotto sotto una linea di alimentazione ad alta tensione che è sufficiente per illuminare un tubo fluorescente tenuto in mano.

Il campo elettrico sotto una linea di alimentazione ad alta tensione è sufficiente per produrre una scarica elettrica in un tubo fluorescente.

Il campo elettrico sotto una linea di alimentazione ad alta tensione è sufficiente per produrre una scarica elettrica in un tubo fluorescente.

Come funzionano gli switch e quali sono le scintille?

Come hai scoperto, se la resistenza aumenta in un circuito, la corrente diminuisce. Se si interrompe il conduttore in un circuito e si crea uno spazio d'aria, l'entità della resistenza per tutti gli scopi pratici è infinita perché l'aria è un buon isolante e nessuna corrente scorrerà. Cioè

Corrente = Tensione / Resistenza = Tensione / ‚ąě = 0

Ecco come funziona un interruttore. Due contatti, generalmente in ottone in un interruttore domestico, vengono premuti insieme quando l'interruttore è acceso e chiuso.Quando l'interruttore è spento, i contatti si separano rapidamente e interrompono la corrente.

Cosa sono le scintille?

Immagina due elettrodi o punti in un circuito separato da una intercapedine d'aria (ad esempio la lacuna in una candela automobilistica). Se la tensione √® abbastanza alta, l'aria tra i due punti diventa cos√¨ stressata dal campo elettrico che viene ionizzata, cio√® gli atomi vengono strappati via dai loro elettroni. Questi elettroni sono quindi in grado di attraversare il gap, attratto dall'elettrodo positivo e, nel farlo, si scontrano con altre molecole di gas e rilasciano pi√Ļ elettroni. Alla fine si verifica una valanga di elettroni (tutto ci√≤ accade in una frazione di secondo) e il risultato si chiama a scintilla o scarica di scintilla Una scintilla produce un lampo di luce visibile, calore, radiazione UV e suono e la sua temperatura pu√≤ essere di circa 5000 gradi C, pi√Ļ calda della superficie del sole. La tensione richiesta per produrre una scintilla √® di circa 3000 volt per mm tra gli elettrodi arrotondati in aria. Le scintille possono essere piccole, ad es. candela automobilistica o accendigas o molto pi√Ļ grande.

Un esempio di una grande scintilla è il fulmine. Quando le nuvole si caricano, la tensione diventa così alta che una scintilla salta da nuvola a nuvola o da nuvola a terra. Il suono che chiamiamo tuono è causato dal riscaldamento esplosivo e dall'espansione dell'aria da parte delle scariche elettriche.

Le scintille si verificano in uno spazio vuoto quando la tensione supera la tensione di rottura dello spazio. Quando due elettrodi sono separati, la corrente tende a continuare a fluire e il riscaldamento degli elettrodi metallici provoca la vaporizzazione del materiale e la ionizzazione dell'aria. Il risultato è una scarica continua chiamata arco che è simile a una scintilla. Se gli elettrodi sono sufficientemente separati, l'arco non sarà sostenuto e si fermerà bruscamente. La saldatura ad arco utilizza un arco tra due elettrodi per fondere il metallo. Gli interruttori devono inoltre essere progettati in modo tale che i loro contatti si separino in modo sufficiente e sufficientemente rapido in modo che gli archi vengano estinti rapidamente e riducano i danni ai contatti. Nelle sottostazioni, sono necessari ampi vuoti d'aria o interruttori automatici riempiti d'olio per spegnere gli archi ad alta corrente che si verificano quando viene commutata alta tensione.

Arco tra i contatti di commutazione in una sottostazione

Che cos'è un regolatore di tensione?

Un regolatore di tensione √® un dispositivo elettronico utilizzato per mantenere l'uscita di tensione di un alimentatore a un livello costante, indipendente dalla corrente assorbita da un carico. In generale, questi dispositivi sono implementati come singoli circuiti integrati in una variet√† di formati di pacchetto o come moduli separati costituiti da pi√Ļ componenti discreti o circuiti integrati. Un regolatore che riduce la tensione si chiama a regolatore buck e uno che aumenta la tensione si chiama a regolatore di spinta.
L'uscita di una tensione non regolata diminuirà all'aumentare della corrente. Ciò è dovuto alla resistenza interna che provoca un potenziale calo durante il flusso di corrente. Questa caduta sottrae dalla sorgente di tensione interna idealizzata e fa sì che l'uscita di una sorgente sia inferiore alla tensione di circuito aperto senza carico.

A cosa servono i regolatori di tensione?

  • Stabilizzare la tensione che alimenta i circuiti elettronici in modo che si comporti in modo coerente
  • Gli alternatori di veicoli incorporano regolatori di tensione ad es. (14 volt su un sistema a 12 volt) per fornire un'uscita di carica a tensione costante alla batteria

Quali sono i due tipi di regolatori di tensione?

Esistono due tipi di regolatore, il regolatore lineare e regolatore di commutazione.

Un regolatore lineare √® un dispositivo a semiconduttore, ma funziona efficacemente come un resistore contagocce controllato in serie tra l'alimentazione di ingresso e l'uscita del regolatore. Quindi diminuisce la tensione, ad esempio da 12 volt a 5 volt. Il regolatore monitora la sua tensione di uscita e se il carico tenta di assorbire pi√Ļ corrente e la tensione di funzionamento tenta di cadere, la resistenza di un transistor di passaggio viene ridotta in modo da ridurre la tensione per mantenere l'uscita a 5 volt costanti. Allo stesso modo se il carico richiede meno corrente, la resistenza aumenta. Un regolatore lineare √® un classico sistema di controllo del feedback negativo (come il regolatore su un motore, che mantiene costante la velocit√† quando il carico aumenta / diminuisce).

Svantaggi dei regolatori lineari

Poich√© il regolatore √® in serie con il carico, l'alimentazione corrente dalla sorgente √® la stessa di quella fornita al carico. Tuttavia, poich√© la tensione viene ridotta dal regolatore, l'energia viene sprecata come calore nel dispositivo. Maggiore √® la tensione di ingresso, maggiore √® lo spreco da P = VI, dove V √® la caduta sul regolatore. Pi√Ļ bassa √® la tensione di ingresso, meglio √®, e potrebbe essere necessario un dissipatore di calore piccolo o grande, a seconda della temperatura ambiente e della caduta di tensione. I regolatori di base necessitano di una differenza di circa 2 volt tra le tensioni di ingresso e di uscita per funzionare, ma sono disponibili regolatori a bassa caduta di tensione che possono funzionare con una differenza minore tra IP e OP.

Regolatori di commutazione

Un regolatore di commutazione invece funziona diversamente. A differenza di un regolatore lineare che può essere molto inefficiente e sprecare energia come calore, i regolatori di commutazione possono essere efficienti fino al 95%. In modalità buck (riduzione della tensione), funzionano tagliando la tensione di ingresso al regolatore in una forma d'onda pulsata e applicandola a un condensatore / induttore che funziona efficacemente come un serbatoio, levigando la forma d'onda tritata (analoga al modo in cui un volano del motore si liscia la potenza intermittente pulsata dai cilindri). Il ciclo di lavoro (per quanto tempo è attivo l'impulso) della forma d'onda di commutazione varia in base alla richiesta del carico al fine di mantenere costante la tensione operativa.

Domande frequenti sull'elettricità

Perché sono necessari due cavi per un dispositivo elettrico?

Sono necessari due fili perché l'elettricità scorre in un ciclo. Quindi gli elettroni fluiscono fuori da un filo verso il dispositivo e ritornano indietro attraverso l'altro filo. Se la tensione è molto alta dell'ordine di decine di migliaia di volt, la corrente può fluire fuori da un filo e fluire indietro attraverso l'aria attraverso una scintilla.

Perché vengono utilizzati 240 volt per alcuni apparecchi?

In paesi come gli Stati Uniti dove i 120 volt inferiori vengono utilizzati per motivi di sicurezza, 240 volt vengono utilizzati per apparecchi ad alta potenza. La ragione di ci√≤ √® perch√© gli apparecchi ad alta potenza hanno bisogno di pi√Ļ corrente, quindi invece di utilizzare cavi di calibro pi√Ļ pesante per fornire quella corrente, viene utilizzata una tensione doppia per fornire la stessa potenza. Poich√© la tensione √® doppia, la corrente viene dimezzata (potenza = VI).

Se la


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