Capitolul 1 - Tensiune, curent, energie și putere

Tensiunea și relația curentă

Pământul este un loc dinamic. Obiectele sunt în mișcare, au loc reacții chimice, temperaturile cresc și scad. Această abundență de activitate perpetuă este legată de conceptul de energie. Diferitele forme de energie - termice, mecanice, chimice etc. - sunt manifestări ale unei entități fundamentale care are ca rezultat o schimbare fizică pe măsură ce este transferată de la un obiect la altul.

Electricitate este o formă de energie care rezultă din existența și mișcarea particulelor încărcate numite electroni. Când acumularea de electroni creează o diferență de energie electrică potențială între două puncte, avem un Voltaj (în ecuații, tensiunea este notată cu V). Dacă aceste două puncte sunt conectate de un material conductor, electronii se vor deplasa în mod natural de la tensiunea inferioară la tensiunea superioară; această mișcare se numește curent electric, notat cu I.

Electricitatea este o formă de energie deosebit de convenabilă și versatilă, ceea ce a făcut-o un instrument puternic în mâinile a nenumărați oameni inteligenți care au proiectat totul, de la echipamente electrice mari la mici dispozitive electronice. Este uimitor să ne gândim la funcționalitatea diversă și sofisticată care începe cu energia electrică care poate fi transferată prin două fire mici de cupru.

Comparație de tensiune și curent

Actual Voltaj
Simbol Eu V
Relaţie Curentul nu poate curge fără tensiune Tensiunea poate exista fără curent
Măsurat cu Ampermetru Voltmetru
Unitate A sau amperi sau amperaj V sau volți sau tensiune
Unitatea SI 1 amper = 1 coulomb/secundă 1 volt = 1 joule/coulomb (V = W/C)
Camp Magnetic Electrostatic
În conexiunea în serie Curentul este același în toate Tensiunea este distribuită pe componente
În Conexiune paralelă Curentul se distribuie pe componente Tensiunile sunt aceleași pentru toate componentele

Puterea în electronică și modul în care este calculată

În context științific, putere se referă la rata la care este transferată energia. Puterea electrică este deci rata la care energia electrică este transferată. Unitatea este wați (W), unde un watt este egal cu transferul unui joule (J) de energie într-o secundă.

Puterea electrică în wați este egală cu tensiunea în volți înmulțită cu curentul în amperi.

Unitatea volți (V) este definit ca jouli pe coulomb, adică transportă energie (în jouli) per coulomb de încărcare. amper (A) reprezintă coulombi pe secundă, adică câte coulombi de sarcină trec un punct dat într-o secundă. Putem folosi aceste informații pentru a confirma că unitatea pentru energie electrică este în concordanță cu formula dată mai sus:

În partea dreaptă a ecuației, cei doi termeni „coulomb” se anulează și rămânem cu jouli pe secundă.

Când analizăm circuite, de obicei discutăm despre energie folosind termenul „disipat” sau „consumat” în loc de „transferat”. Acest lucru subliniază faptul că puterea părăsește sistemul electric sau este utilizată de o componentă electrică. Nu spunem „transferat”, deoarece, în general, starea sau locația finală a energiei nu este importantă.

De exemplu, dacă tensiunea pe un rezistor este de 5 V și curentul prin rezistor este de 0,5 A, rezistorul transferă 2,5 W de putere (ca căldură) în mediul înconjurător. Cu toate acestea, în majoritatea cazurilor, nu intenționăm să transferăm energie. Vrem pur și simplu să proiectăm un circuit funcțional și, în consecință, ne gândim la cât de multă energie este pierdută (adică disipată) sau utilizată (adică consumată).

Două tipuri comune de tensiune: curent continuu și alternativ

Există două moduri comune de transfer al energiei electrice: curent continuu și curent alternativ.

Curent continuu (DC) poate crește sau scădea în tot felul de moduri, dar amploarea modificărilor este de obicei mică în raport cu valoarea medie. Cea mai fundamentală caracteristică a curentului continuu este însă: nu schimbă în mod regulat direcția. Acest lucru este în contrast cu curent alternativ (AC), care schimbă în mod regulat direcția și este utilizat în întreaga lume pentru distribuția energiei electrice.

Termenii „DC” și „AC” au devenit adjective care sunt frecvent utilizate pentru a descrie o tensiune. Acest lucru poate fi puțin confuz la început: ce este o tensiune de curent continuu sau o tensiune de curent alternativ? Aceasta nu este cea mai bună terminologie, dar este complet standard. O tensiune continuă este o tensiune care produce sau ar produce curent continuu, iar o tensiune alternativă produce sau ar produce curent alternativ - și aceasta introduce o altă problemă de terminologie. „DC” și „AC” sunt uneori atașate la cuvântul „curent”, chiar dacă aceste fraze înseamnă „curent continuu” și „curent alternativ”. Concluzia este că „DC” și „AC” nu mai sunt echivalente exacte pentru „curent continuu” și „curent alternativ”; DC se referă într-un mod general la cantități care nu modifică în mod regulat polaritatea sau care au o frecvență foarte scăzută, iar AC se referă în mod general la cantități care modifică regulat polaritatea la o frecvență care nu este „foarte mică” în contextul unei date sistem.

Deocamdată, ne vom concentra pe circuitele de curent continuu. Circuitele de curent alternativ sunt puțin mai complicate și vor fi discutate mai târziu în acest capitol.

Simboluri de tensiune

curent

Ce este tensiunea DC?

Poate că cea mai familiară sursă de tensiune continuă este o baterie. O baterie este un dispozitiv care transformă energia chimică în energie electrică; oferă o tensiune care nu se schimbă rapid sau inversează polaritatea, dar tensiunea scade treptat pe măsură ce bateria este descărcată.

O tensiune continuă poate fi măsurată folosind un voltmetru sau (mai frecvent) un dispozitiv multifuncțional cunoscut sub numele de multimetru (DMM prescurtat, unde D înseamnă „digital”). Multimetrele pot măsura, printre altele, tensiunea, curentul și rezistența.

Figura 1. O măsurare a tensiunii afișată pe afișajul digital al unui multimetru.

Un voltmetru oferă cel mai simplu mod de a determina valoarea exactă a unei tensiuni DC, deși în unele cazuri nu reușește să transmită informații importante, deoarece nu poate afișa în mod clar variații rapide. Aceasta este o considerație importantă în zilele noastre, deoarece multe tensiuni de curent continuu sunt generate de regulatoarele de comutare care duc la variații de frecvență înaltă numite clipoci.

Ce este curentul continuu?

Când este prezentă o tensiune continuă între două borne și un cablu sau un element rezistiv este conectat la borne, curentul continuu va curge. Cel mai comun element rezistiv este rezistența; vom afla mai multe despre această componentă în pagina următoare. Un bec cu incandescență este, de asemenea, un element rezistiv.

Curentul poate fi măsurat utilizând un dispozitiv numit ampermetru (sau funcționalitatea ampermetrului unui multimetru), dar măsurarea curentului este mai puțin convenabilă decât măsurarea tensiunii. Sondele unui voltmetru sunt pur și simplu plasate în contact cu două suprafețe conductoare (adică fără a modifica circuitul), în timp ce sondele unui ampermetru trebuie introduse în calea curentului:

Figura 2. Acest circuit utilizează un comutator pentru a stabili o cale de curent în timpul funcționării normale și a sparge calea de curent atunci când trebuie introdus un ampermetru sau un DMM.

Debitul de curent convențional vs. Fluxul de electroni

Este foarte important să înțelegem diferența dintre flux curent convențional și fluxul de electroni. Electronii au o sarcină negativă și, în consecință, se deplasează de la o tensiune mai mică la o tensiune mai mare. În Figura 2, însă, săgeata indică faptul că curentul curge de la borna pozitivă a bateriei la borna negativă a bateriei - cu alte cuvinte, de la tensiune mai mare la tensiune mai mică.

Curentul convențional se baza inițial pe presupunerea că electricitatea este asociată cu mișcarea particulelor încărcate pozitiv. Acum știm că acest lucru este incorect, dar în contextul analizei circuitului, modelul convențional de curent nu este incorect. Este perfect valabil deoarece, atunci când este aplicat în mod constant, produce întotdeauna rezultate exacte. În plus, are avantajul de a crea situația intuitivă în care curentul curge de la o tensiune mai mare la o tensiune mai mică, la fel cum fluidul curge de la o presiune mai mare la o presiune mai mică și apa cade de la o înălțime mai mare la o altitudine mai mică.

În lumea electrotehnică, circuitele sunt discutate și analizate folosind curentul convențional, nu curentul de electroni.

Cum se măsoară curentul continuu

Să vedem cazul simplu al unei baterii care alimentează două becuri de rezistență inegală.

Figura 3. Un circuit de bază format dintr-o baterie de 3V și două elemente rezistive.

Când curentul curge prin bec, rezistența filamentului provoacă o pierdere de tensiune proporțională cu rezistența și cantitatea de curent. Ne referim la aceasta drept tensiune peste becul sau ca becul cadere de tensiune.

Figura 4. Voltmetrele sunt utilizate pentru a măsura tensiunea pe becuri.

Vedem că tensiunea pe becul A este de 2V, iar tensiunea pe becul B este de 1V.

Apoi, vom măsura curentul.

Figura 5. Un ampermetru este introdus astfel încât curentul care curge prin becuri să curgă într-o sondă, prin circuitele de măsurare a curentului dispozitivului și în afara celeilalte sonde.

Să presupunem că măsurăm 1A. Acum am făcut măsurătorile de care avem nevoie pentru a determina disiparea puterii becurilor.

Calculul puterii DC

Pentru a calcula puterea disipată de fiecare bec, introducem valorile măsurate în formula dată mai sus.

Dacă vrem să cunoaștem puterea disipată de întregul circuit, adăugăm disiparea puterii componentelor individuale:

Sau putem înmulți curentul furnizat de baterie cu tensiunea bateriei:

Rămâneți la curent, deoarece pe pagina următoare vom introduce legea lui Ohm, care exprimă relația fundamentală dintre curent, tensiune și rezistență.