Não encaixe. Vai matar! c)
A alfabetização média da população no campo da eletrônica e da engenharia elétrica deixa muito a desejar. No máximo, solde um shemka, e como ele funciona é uma floresta escura. Infelizmente, todos os livros didáticos de língua russa estão cheios de fórmulas e integrais; eles deixam qualquer pessoa com sono. Na literatura inglesa, as coisas são um pouco melhores. Existem publicações bastante interessantes, mas a pedra de tropeço aqui é o idioma inglês. Tentarei explicar os conceitos básicos em engenharia elétrica o mais acessível possível, em um estilo livre, não de engenheiro para engenheiro, mas de pessoa para pessoa. Um leitor experiente também pode encontrar alguns pontos interessantes para si mesmo.
Corrente elétrica
Os caminhos da corrente elétrica são misteriosos. (c) pensamentos da internet
De fato, não. De uma maneira ou de outra, tudo pode ser descrito com a ajuda de um modelo matemático, modelagem e até uma rápida olhada em um pedaço de papel, e algumas pessoas únicas fazem isso na cabeça. Para quem é mais conveniente. De fato, a epígrafe deste capítulo nasceu da ignorância do que é uma corrente elétrica.
A corrente elétrica é caracterizada por vários parâmetros. Pela tensão U e corrente I. É claro que todos nos lembramos das definições em física, mas poucos entendem seus significados. Vou começar com a voltagem. A diferença de potencial ou o trabalho de mover a cobrança, como seca e desinteressadamente, escreve nos livros didáticos. De fato, a tensão é sempre medida entre dois pontos. Caracteriza a capacidade de criar uma corrente elétrica entre esses dois pontos. Vamos chamar esses pontos de fonte de tensão. Quanto maior a tensão, maior a corrente. Menos tensão significa menos corrente. Mas mais sobre isso mais tarde.
O que é atual? Imagine a analogia de um leito de um rio - são fios, corrente elétrica - é a velocidade do fluxo de água em um rio. Então o estresse aqui é a diferença de altura entre o ponto inicial do rio e o ponto final. Ou tensão é uma bomba que impulsiona a água se o rio fluir no mesmo plano. Tais analogias nos estágios iniciais são muito úteis para entender o que está acontecendo no circuito elétrico. Mas, no final, é melhor abandoná-los. É melhor imaginar a corrente como um certo fluxo de elétrons. A quantia de cobrança movida por unidade de tempo. Obviamente, os manuais dizem que os elétrons se movem a uma velocidade de vários centímetros por minuto e apenas o campo eletromagnético é importante, mas por enquanto, esqueça. Então, pela corrente podemos entender o movimento da corrente elétrica, ou seja, cobrar. Portadores, elétrons, são carregados negativamente e passam de um potencial negativo para um positivo; a corrente elétrica tem uma direção de um potencial positivo para um negativo, de mais para menos, é comum por conveniência e a usaremos no futuro, esquecendo a carga de um elétron.
Obviamente, a corrente em si não aparece; você precisa criar uma tensão entre dois pontos e precisa de algum tipo de carga para que a corrente flua através dela, conectada a esses dois pontos. É muito útil conhecer a propriedade de que são necessários dois condutores para que a corrente flua: direta, para a carga e reversa, da carga para a fonte. Por exemplo, se os condutores da fonte de tensão não estiverem fechados, não haverá corrente.
O que é uma fonte de tensão? Imagine-o como uma caixa preta com pelo menos dois pinos para conexão. Os exemplos mais simples da vida real: uma tomada elétrica, uma bateria, uma bateria, etc.
Uma fonte de tensão ideal tem uma tensão constante quando qualquer corrente flui através dela. O que acontecerá se você fechar os grampos de uma fonte de tensão ideal? Uma corrente infinitamente grande fluirá. Na realidade, as fontes de tensão não podem emitir uma corrente infinitamente grande, porque possuem alguma resistência. Por exemplo, os fios de uma tomada de 220v da própria tomada para a subestação têm resistência, embora pequena, mas bastante perceptível. Os fios das subestações às usinas também têm resistência. Não devemos esquecer a impedância de transformadores e geradores. As baterias têm uma resistência interna devido a uma reação química interna que possui uma taxa de fluxo finita.
O que é resistência? Em geral, este tópico é bastante extenso. Talvez eu descreva em um dos capítulos seguintes. Em resumo, este é um parâmetro que conecta corrente e tensão. Caracteriza qual corrente fluirá a uma tensão aplicada a essa resistência. Na analogia da "água", a resistência é uma barragem no caminho do rio. Quanto menor o buraco na barragem, maior a resistência. Essa relação é descrita pela lei de Ohm:
. Como diz o ditado: "Não conheça a lei de Ohm, fique em casa!".
Conhecendo a lei de Ohm, não estando em casa, tendo qualquer fonte de corrente com uma dada tensão e resistência na forma de uma carga, podemos prever com muita precisão qual corrente fluirá.
Fontes de tensão reais possuem algum tipo de tensão interna e emitem algum tipo de corrente final, chamada corrente de curto-circuito. Ao mesmo tempo, baterias e acumuladores também descarregam com o tempo e têm resistência interna não linear. Mas, por enquanto, esqueça também, e aqui está o porquê. Em circuitos reais, é mais conveniente analisar usando valores momentâneos instantâneos de tensão e corrente; portanto, consideraremos as fontes de tensão ideais. Exceto pelo fato de que é necessário calcular a corrente máxima que a fonte é capaz de fornecer.
Quanto à analogia da "água" da corrente elétrica. Como já escrevi, não é muito verdade, já que a velocidade do rio antes e depois da barragem será diferente, a quantidade de água antes e depois da barragem também será diferente. Em circuitos reais, a corrente elétrica que entra e sai do resistor será igual uma à outra. A corrente através do fio direto para a carga e através do fio de retorno, da carga para a fonte, também é igual uma à outra. A corrente não vem de nenhum lugar e não desaparece em nenhum lugar; quanto "flui" para o nó do circuito, muito "flui", mesmo que haja vários caminhos. Por exemplo, se houver duas maneiras de a corrente fluir da fonte, ela fluirá por esses caminhos, enquanto a corrente total da fonte será igual à soma de duas correntes. E assim por diante Esta é uma ilustração da lei de Kirchhoff. É muito simples
Existem também duas regras mais importantes. Com uma conexão paralela dos elementos, a tensão em cada um dos elementos é a mesma. Por exemplo, a tensão nos resistores R2 e R3, na figura acima, é a mesma, mas as correntes podem ser diferentes se os resistores tiverem resistências diferentes, de acordo com a lei de Ohm. A corrente através da bateria é igual à corrente no resistor R1 e é igual à soma das correntes nos resistores R2 e R3. Quando conectado em série, as tensões dos elementos aumentam. Por exemplo, a voltagem que a bateria produz, ou seja, seu EMF é igual à tensão no resistor R1 + a tensão no resistor R2 ou R3.
Como já escrevi, a tensão é sempre medida entre dois pontos. Às vezes, na literatura, você pode encontrar: "Tensão em um momento como esse". Isso significa a tensão entre esse ponto e o ponto de potencial zero. Você pode criar um ponto de potencial zero, por exemplo, aterrando o circuito. Geralmente, eles aterram o circuito no lugar do potencial negativo próximo à fonte de energia, por exemplo, como na figura acima. É verdade que nem sempre é esse o caso, e o uso de zero é bastante arbitrário, por exemplo, se precisarmos de uma fonte de alimentação bipolar de +15 e -15 volts, não devemos aterrá-la em -15V, mas no potencial do meio. Se você aterrar -15v, obteremos 0, +15, + 30v. Veja as figuras abaixo.
O aterramento também é usado como um local de proteção ou de trabalho. O aterramento de proteção é chamado de aterramento. Se o isolamento do circuito for interrompido em alguma outra área que não seja o terra, uma grande corrente fluirá através do fio zero e a proteção funcionará, o que desconectará parte do circuito. Devemos fornecer proteção antecipadamente, colocando um disjuntor ou outro dispositivo no caminho do fluxo de corrente.
Às vezes, é impossível ou impossível "aterrar" um esquema. Em vez de terra, o termo ponto comum ou zero é usado. As tensões nesses esquemas são indicadas em relação ao ponto comum. Nesse caso, todo o circuito é relativamente aterrado potencial zero pode ser localizado em qualquer lugar. Veja a imagem.
Normalmente, Xv está perto de 0 volts. Por um lado, esses circuitos não aterrados são mais seguros, porque se uma pessoa toca no circuito ao mesmo tempo e a terra não flui, porque não há fluxo de corrente de retorno. I.e. o circuito ficará "aterrado" através de uma pessoa. Mas, por outro lado, esses esquemas são complicados. Se o isolamento do circuito da terra for quebrado a qualquer momento, não saberemos. O que pode ser perigoso em altas tensões Xv.
Em geral, a terra é um termo bastante amplo e vago. Existem muitos termos e nomes da Terra, dependendo de onde "pousar" o esquema. Sob o solo pode ser entendido como um aterramento de proteção e o solo de trabalho (pelo fluxo de corrente através dele durante a operação normal), como um terra de sinal e o terra de energia (por tipo de corrente), tanto o terra analógico quanto o solo digital (por tipo de sinal) . Sob o solo pode ser entendido como um ponto comum, ou vice-versa, sob um ponto comum é entendido como ou é a terra. Além disso, todas as terras podem estar presentes no esquema ao mesmo tempo. Então você precisa olhar para o contexto. Existe até uma imagem tão engraçada na literatura estrangeira, veja abaixo. Mas geralmente a terra é um circuito de 0 volts e este é o ponto a partir do qual o potencial do circuito é medido.
Até agora, mencionando a fonte de tensão, eu não toquei no tipo dessa tensão em si. A tensão está mudando com o tempo e não está mudando. I.e. variável e constante. Por exemplo, a voltagem que muda de acordo com a lei senoidal é familiar para todos, é a voltagem de 220v nas tomadas domésticas. É muito simples trabalhar com tensão constante, já o fizemos acima quando consideramos a lei de Kirchhoff. Mas o que fazer com a tensão alternada e como considerá-la?
A figura mostra vários períodos de tensão alternada 220v 50Hz (linha azul). A linha vermelha é uma tensão constante de 220V, para comparação.
Determinaremos, primeiro, qual é a tensão de 220v, a propósito, de acordo com o novo padrão, deve-se considerar 230v. Este é o valor da tensão efetiva. O valor da amplitude estará na raiz de 2 vezes maior e será aproximadamente 308c. O valor efetivo é o valor da tensão em que tanto calor é liberado no condutor durante um período de corrente alternada quanto em uma tensão de corrente constante da mesma tensão. Em termos matemáticos, esse é o valor eficaz da tensão. Na literatura inglesa, o termo RMS é usado, e os dispositivos que medem o verdadeiro valor efetivo têm o sinal "true RMS".
À primeira vista, isso pode parecer inconveniente, algum tipo de valor efetivo, mas é conveniente para cálculos de energia sem a necessidade de conversão de tensão.
Ainda é conveniente considerar a tensão alternada como tensão constante tomada em qualquer ponto no tempo. Depois disso, analise o circuito várias vezes, alterando o sinal da tensão constante para o oposto. Primeiro, considere a operação do circuito com uma tensão positiva constante e depois mude o sinal, de positivo para negativo.
Para tensão CA, também são necessários dois fios. Eles são chamados de fase e zero. Às vezes, zero é aterrado. Esse sistema é chamado monofásico. A tensão de fase é medida em relação a zero e varia com o tempo, conforme mostrado na figura acima. Com uma meia onda positiva de tensão, a corrente flui da fase para a carga ativa e retorna da carga de volta para o fio neutro. Em uma meia onda negativa, a corrente flui através do fio neutro e retorna em fase.
Uma rede trifásica é amplamente usada na indústria. Este é um caso especial de sistemas multifásicos. De fato, tudo é igual a um sistema monofásico, multiplicado apenas por 3, ou seja, aplicação de três fases e três terrenos simultaneamente. Inventado pela primeira vez por N. Tesla, posteriormente aprimorado por M.O. Dolivo-Dobrovolsky. A melhoria foi que, para a transferência de uma corrente elétrica trifásica, foi possível eliminar o excesso de fios, quatro foram suficientes: três fases ABC e um fio neutro ou mesmo três fases, abandonando zero. O fio neutro é frequentemente aterrado. Na figura abaixo, o total é zero.
Por que existem três fases, e nem mais, nem menos? Por um lado, são garantidas três fases para criar um campo magnético rotativo, tão necessário para os motores elétricos girarem ou obterem de geradores de usinas de energia; por outro lado, é economicamente benéfico do ponto de vista material. Menos é impossível e mais não é necessário.
Para garantir a criação de um campo rotativo em uma rede trifásica, é necessário que as fases de tensão sejam deslocadas uma em relação à outra. Se tomarmos o período de tensão total em 360 graus, 360/3 = 120 graus. I.e. a tensão de cada fase é deslocada em relação à outra em 120 graus. Veja a figura abaixo.
Aqui está um gráfico da tensão de uma rede trifásica de 380v ao longo do tempo. Como pode ser visto na figura, tudo é o mesmo que em uma rede monofásica, apenas existem mais tensões. 380V é a chamada tensão linear da rede U, isto é, tensão medida entre duas fases. A figura mostra um exemplo de localização do valor instantâneo de Ul. Também muda de acordo com uma lei sinusoidal. Além disso, juntamente com a tensão linear, a fase Uf é diferenciada. É medido entre fase e zero. A tensão de fase nesta rede trifásica é de 220V. A tensão de fase e de linha, é claro, significa a tensão efetiva. Relacione linear à tensão de fase, como a raiz dos três.
A carga na rede trifásica pode ser conectada como você desejar - à tensão da fase: entre qualquer fase e zero, ou à tensão da linha: entre duas fases. Se a carga estiver conectada à tensão de fase, esse esquema de conexão será chamado de estrela. Ela é mostrada acima. Se a tensão linear - então a conexão é um triângulo. Se a mesma carga estiver conectada às tensões da linha entre as três fases, essas redes serão simétricas. A corrente através do fio neutro não flui em redes balanceadas. Veja a foto. abaixo. As redes industriais também são consideradas condicionalmente simétricas. Como regra, zero está presente nessas redes, mas apenas para fins de proteção. Às vezes, pode estar ausente por completo. A pequena figura divertida do wiki ilustra claramente como a corrente flui nessas redes.
Isso conclui uma breve visão geral da eletricidade e da eletricidade. Talvez no futuro eu explique nos dedos como o diodo e o transistor funcionam, o que é um diodo zener, tiristor e outros elementos. Escreva sobre o que você está interessado em ler.
Lista bibliográfica
- A arte dos circuitos, P. Horowitz. 2003.
- FUNDAMENTOS PARA ATERRAMENTO. Um Manual do Circuito para o Sistema, Elya B. Joffe, Kai-Sang Lock.
- Recursos da Wiki e da Internet.