À propos du courant électrique, de la tension et de la puissance d'un livre pour enfants soviétique: simple et clair
En Union soviétique, qui a remporté de très sérieux succès dans le développement de la science et de la technologie, le mouvement radioamateur s'est généralisé. Plusieurs milliers de jeunes citoyens ont étudié l'ingénierie radio sous la direction d'instructeurs dans des cercles radio et des clubs radio qui disposent d'une littérature technique, d'outils et d'instruments spéciaux. Beaucoup d'entre eux sont devenus à l'avenir des ingénieurs qualifiés, des concepteurs, des scientifiques.
De la littérature scientifique populaire a été publiée pour ces circuits radio, dans laquelle divers problèmes de physique, de mécanique, d'électrotechnique et d'électronique étaient expliqués dans un langage simple avec un grand nombre d'illustrations.
L'un des exemples de tels livres est le livre de Cheslov Klimchevsky "L'alphabet d'un radioamateur", publié par la maison d'édition "Svyazizdat" en 1962. La première section du livre s'intitule "Génie électrique", la deuxième section est "Radio Ingénierie", la troisième est "Conseils pratiques". , la quatrième section — «Nous nous installons».
Le livre lui-même peut être téléchargé ici : L'alphabet radioamateur (sauvage)
Ce type de livre dans les années 1960 n'appartenait pas à la littérature hautement spécialisée.Ils ont été publiés dans des tirages de dizaines de milliers d'exemplaires et étaient destinés à un lecteur de masse.
La radio Raz a été appliquée si complètement dans la vie quotidienne des gens qu'à l'époque, on croyait que vous ne pouviez pas être limité uniquement par la capacité de tourner les boutons.Nika. Et toute personne instruite devrait étudier la radio afin de comprendre comment s'effectuent la transmission et la réception radio, pour se familiariser avec les phénomènes électriques et magnétiques de base qui sont la clé de la théorie de l'ingénierie radio. Il est également nécessaire, d'une manière générale, de se familiariser avec les systèmes et la conception des appareils de réception.
Regardons ensemble et jugeons comment à cette époque ils savaient expliquer des choses complexes avec des images simples.
Un radioamateur novice de notre temps :
À propos du courant électrique
Toutes les substances du monde et, par conséquent, tous les objets qui nous entourent, les montagnes, les mers, l'air, les plantes, les animaux, les personnes, sont constitués de particules incommensurablement petites, de molécules, et ces dernières, à leur tour, d'atomes. Un morceau de fer, une goutte d'eau, une quantité insignifiante d'oxygène, sont une accumulation de milliards d'atomes, l'un dans le fer, l'autre dans l'eau ou l'oxygène.
Si vous regardez la forêt de loin, elle ressemble à une bande sombre d'une seule pièce (comparez-la, par exemple, à un morceau de fer). À l'approche de la lisière de la forêt, des arbres individuels peuvent être vus (dans un morceau de fer - des atomes de fer). Une forêt se compose d'arbres; de même, une substance (comme le fer) est composée d'atomes.
Dans une forêt de conifères, les arbres sont différents de ceux d'une forêt de feuillus; de même, les molécules de chaque élément chimique sont composées d'atomes différents des molécules des autres éléments chimiques. Ainsi, les atomes de fer sont différents, disons, des atomes d'oxygène.
En s'approchant encore plus près des arbres, on voit que chacun d'eux est constitué d'un tronc et de feuilles. De la même manière, les atomes de la substance sont constitués de ce qu'on appelle Noyau (tronc) et électrons (feuilles).
Le tronc est lourd et le noyau est lourd ; il représente la charge électrique positive (+) de l'atome. Les feuilles sont légères et les électrons sont légers ; ils forment une charge électrique négative (-) sur l'atome.
Différents arbres ont des troncs avec un nombre différent de branches et le nombre de feuilles n'est pas le même.De même, un atome, selon l'élément chimique qu'il représente, consiste (dans sa forme la plus simple) en un noyau (tronc) avec plusieurs charges positives - les soi-disant protons (branches) et un certain nombre de charges négatives — électrons (feuilles).
Dans la forêt, sur le sol entre les arbres, de nombreuses feuilles mortes s'accumulent. Le vent soulève ces feuilles du sol et elles circulent parmi les arbres. Ainsi, dans une substance (par exemple, un métal) parmi les atomes individuels, il y a une certaine quantité d'électrons libres qui n'appartiennent à aucun des atomes; ces électrons se déplacent au hasard parmi les atomes.
Si vous connectez les fils provenant d'une batterie électrique aux extrémités d'un morceau de métal (par exemple, un crochet en acier): connectez une extrémité de celui-ci au plus de la batterie - apportez le soi-disant potentiel électrique positif (+) à lui, et l'autre extrémité au moins de la batterie - apportez un potentiel électrique négatif (-), puis les électrons libres (charges négatives) commenceront à se déplacer entre les atomes à l'intérieur du métal, se précipitant vers le côté positif de la batterie.
Cela s'explique par la propriété suivante des charges électriques : les charges opposées, c'est-à-dire que les charges positives et négatives s'attirent ; des charges semblables, c'est-à-dire positives ou négatives, au contraire, se repoussent.
Les électrons libres (charges négatives) dans le métal sont attirés vers la borne chargée positivement (+) de la batterie (source de courant) et se déplacent donc dans le métal non plus de manière aléatoire, mais vers le côté positif de la source de courant.
Comme nous le savons déjà, un électron est une charge électrique. Un grand nombre d'électrons se déplaçant dans une direction à l'intérieur du métal constitue le flux d'électrons, c'est-à-dire charges électriques. Ces charges électriques (électrons) se déplaçant dans le métal forment un courant électrique.
Comme déjà mentionné, les électrons se déplacent le long des fils du moins au plus. Cependant, nous avons convenu de considérer que le courant circule dans le sens opposé: du plus au moins, c'est-à-dire comme s'il n'était pas négatif, mais que des charges positives se déplacent le long des fils (de telles charges positives seraient attirées vers le moins de la source de courant) .
Plus les feuilles de la forêt sont entraînées par le vent, plus elles remplissent l'air en épaisseur; de même, plus les charges circulent dans le métal, plus la quantité de courant électrique est importante.
Toutes les substances ne peuvent pas transporter un courant électrique avec la même facilité. Les électrons libres se déplacent facilement, par exemple dans les métaux.
Les matériaux dans lesquels les charges électriques se déplacent facilement sont appelés conducteurs de courant électrique. Certains matériaux, appelés isolants, n'ont pas d'électrons libres et donc aucun courant électrique ne circule à travers les isolants. Les isolants comprennent, entre autres matériaux, le verre, la porcelaine, le mica, les plastiques.
Les électrons libres présents dans une substance qui conduit un courant électrique peuvent également être comparés à des gouttelettes d'eau.
Les gouttelettes individuelles au repos ne créent pas d'écoulement d'eau. Un grand nombre d'entre eux en mouvement forment un ruisseau ou une rivière qui coule dans une direction. Les gouttes d'eau de ce ruisseau ou de cette rivière se déplacent dans un écoulement dont la force est d'autant plus grande que la différence des niveaux du canal le long de son parcours est grande et, par conséquent, que la différence des "potentiels" (hauteurs) de l'individu est grande. segments individuels de ce chemin.
L'intensité du courant électrique
Pour comprendre les phénomènes provoqués par le courant électrique, comparez-le à l'écoulement de l'eau. De petites quantités d'eau s'écoulent dans les ruisseaux, tandis que de grandes masses d'eau s'écoulent dans les rivières.
Supposons que la valeur du débit d'eau dans le cours d'eau est égale à 1 ; Prenons par exemple la valeur du débit dans la rivière égale à 10. Enfin, pour une rivière puissante, la valeur du débit d'eau est, disons, de 100, c'est-à-dire cent fois la valeur du débit dans le cours d'eau.
Un faible courant d'eau ne peut entraîner la roue que d'un seul moulin. Nous prendrons la valeur de ce flux égale à 1.
Deux fois le débit d'eau peut entraîner deux de ces moulins. Dans ce cas, la valeur du débit d'eau est égale à 2.
Cinq fois le courant d'eau peut entraîner cinq moulins identiques ; la valeur du débit d'eau est maintenant de 5. Le débit du débit d'eau dans la rivière peut être observé ; le courant électrique circule dans des fils invisibles à nos yeux.
La figure suivante montre un moteur électrique (moteur électrique) entraîné par un courant électrique. Prenons dans ce cas la valeur du courant électrique égale à 1.
Lorsqu'un courant électrique entraîne deux de ces moteurs électriques, la quantité de courant traversant le fil principal sera deux fois plus grande, c'est-à-dire égale à 2.Enfin, lorsqu'un courant électrique alimente cinq des mêmes moteurs électriques, alors le courant sur le fil principal est cinq fois plus élevé que dans le premier cas ; donc sa magnitude est de 5.
Une unité pratique pour mesurer la quantité de débit d'eau ou d'un autre liquide (c'est-à-dire la quantité qui s'écoule par unité de temps, par exemple, par seconde, à travers la section transversale d'un lit de rivière, d'un tuyau, etc.) est litre par seconde.
Pour mesurer l'amplitude du courant électrique, c'est-à-dire la quantité de charges traversant la section transversale du fil par unité de temps, l'ampère est pris comme unité pratique.Ainsi, l'amplitude du courant électrique est déterminée en ampères. L'ampère abrégé est indiqué par la lettre a.
La source de courant électrique peut être, par exemple, une pile galvanique ou un accumulateur électrique.
La taille de la pile ou de l'accumulateur détermine la quantité de courant électrique qu'ils peuvent fournir et la durée de leur action.
Pour mesurer l'amplitude du courant électrique en génie électrique, utilisez des appareils spéciaux, des ampèremètres (A). Différents appareils électriques transportent différentes quantités de courant électrique.
Tension
La deuxième grandeur électrique étroitement liée à l'amplitude du courant est la tension. Pour comprendre plus facilement ce qu'est la tension d'un courant électrique, comparons-la à la différence des niveaux du canal (la chute de l'eau dans la rivière), tout comme nous avons comparé le courant électrique au débit de l'eau. Avec une petite différence de niveaux de canaux, nous prendrons la différence égale à 1.
Si la différence entre les niveaux du canal est plus importante, la chute d'eau est d'autant plus importante. Supposons, par exemple, qu'il soit égal à 10, c'est-à-dire dix fois plus que dans le premier cas.Enfin, avec une différence encore plus grande dans les niveaux de chute d'eau, c'est, disons, 100.
Si le courant d'eau tombe d'une petite hauteur, il ne peut entraîner qu'un seul moulin. Dans ce cas, nous prendrons une goutte d'eau égale à 1.
Le même ruisseau tombant de deux fois la hauteur peut faire tourner les roues de deux moulins similaires. Dans ce cas, la goutte d'eau est égale à 2.
Si la différence entre les niveaux des canaux est cinq fois plus grande, alors le même flux entraîne cinq broyeurs de ce type. La goutte d'eau est 5.
Des phénomènes similaires sont observés lorsque l'on considère la tension électrique. Il suffit de remplacer le terme « goutte d'eau » par le terme « tension électrique » pour comprendre ce que cela signifie dans les exemples suivants.
Ne laisser brûler qu'une seule lampe. Supposons qu'une tension égale à 2 lui soit appliquée.
Pour que cinq de ces ampoules connectées de la même manière brûlent, la tension doit être égale à 10.
Lorsque deux ampoules identiques connectées en série sont allumées (comme les ampoules sont généralement connectées dans les guirlandes de sapins de Noël), la tension est de 4.
Dans tous les cas considérés, un courant électrique de même intensité traverse chaque ampoule et la même tension est appliquée à chacune d'elles, qui fait partie de la tension totale (tension de la batterie), qui est différente dans chaque exemple individuel.
Laisse couler la rivière dans le lac. Conditionnellement, nous prendrons le niveau d'eau dans le lac comme zéro, puis le niveau du canal de la rivière près du deuxième arbre par rapport au niveau de l'eau dans le lac est égal à 1 m, et le niveau du canal de la rivière près du troisième l'arbre mesurera 2 m. Le niveau du chenal près du troisième arbre est supérieur de 1 m à son niveau près du deuxième arbre, c'est-à-dire entre ces arbres est égal à 1 m.
La différence entre les niveaux des canaux est mesurée en unités de longueur, par exemple, comme nous l'avons fait, en mètres. En génie électrique, le niveau du lit de la rivière en tout point par rapport à un certain niveau zéro (dans notre exemple le niveau d'eau du lac) correspond à un potentiel électrique.
La différence de potentiel électrique est appelée tension. Le potentiel électrique et la tension sont mesurés par la même unité, le volt, abrégé par la lettre c. Ainsi, l'unité de mesure de la tension électrique est le volt.
Des appareils de mesure spéciaux appelés voltmètres (V) sont utilisés pour mesurer la tension électrique.
Une telle source de courant électrique telle qu'une batterie est largement connue. Une cellule de la batterie dite plomb-acide (dans laquelle les plaques de plomb sont immergées dans une solution aqueuse d'acide sulfurique) lorsqu'elle est chargée a une tension d'environ 2 volts.
Une batterie d'anode, qui est utilisée pour alimenter les radios à batterie avec du courant électrique, se compose généralement de plusieurs dizaines de cellules galvaniques sèches, chacune avec une tension d'environ 1,5 V.
Ces éléments sont connectés séquentiellement (c'est-à-dire que le plus du premier élément est connecté au moins du second, le plus du second - au moins du troisième, etc.). Dans ce cas, la tension totale de la batterie est égale à la somme des tensions des cellules qui la composent.
Par conséquent, une batterie de 150 V contient 100 de ces cellules connectées en série les unes avec les autres.
Dans la prise du réseau d'éclairage avec une tension de 220 V, vous pouvez brancher une ampoule à incandescence conçue pour une tension de 220 V ou 22 lumières de sapin de Noël identiques connectées en série, chacune étant conçue pour une tension de 10 V.Dans ce cas, chaque ampoule n'aura que 1/22 de la tension de ligne, soit 10 volts.
La tension agissant sur un appareil électrique particulier, dans notre cas une ampoule, s'appelle la chute de tension. Si une ampoule 220 V consomme le même courant qu'une ampoule 10 V, alors le courant total tiré du réseau par la guirlande sera de même amplitude que le courant traversant l'ampoule 220 V.
D'après ce qui a été dit, il est clair que, par exemple, deux ampoules 110 volts identiques peuvent être connectées à un réseau 220 V, connectées en série l'une avec l'autre.
Il est possible de chauffer des tubes radio conçus pour une tension de 6,3 V, par exemple, à partir d'une batterie composée de trois cellules connectées en série ; les lampes conçues pour une tension de filament de 2 V peuvent être alimentées par une seule cellule.
La tension du filament des tubes radioélectriques est indiquée sous forme arrondie au début du symbole de la lampe : 1,2 V — avec le chiffre 1 ; 4,4 pouces - numéro 4 ; 6,3 pouces - numéro 6; 5c — numéro 5.
Pour la cause causant le courant électrique
Si deux zones de la surface terrestre, même éloignées l'une de l'autre, se trouvent à des niveaux différents, un écoulement d'eau peut se produire. L'eau s'écoulera du point le plus haut au point le plus bas.
Le courant électrique aussi. Il ne peut circuler que s'il existe une différence de niveaux électriques (potentiels). Sur une carte météo, le niveau barométrique le plus élevé (haute pression) est marqué d'un signe "+" et le niveau le plus bas d'un signe "-".
Les niveaux seront alignés dans le sens de la flèche. Le vent soufflera dans la direction de la zone avec le niveau barométrique le plus bas. Lorsque la pression s'égalise, le mouvement de l'air s'arrête. Ainsi, le flux de courant électrique s'arrêtera si les potentiels électriques s'égalisent.
Lors d'un orage, il y a égalisation des potentiels électriques entre les nuages et le sol ou entre les nuages. Apparaît sous la forme d'un éclair.
Il existe également une différence de potentiel entre les bornes (pôles) de chaque cellule galvanique ou batterie. Par conséquent, si vous y attachez, par exemple, une ampoule, le courant la traversera. Au fil du temps, la différence de potentiel diminue (l'égalisation de potentiel se produit) et la quantité de courant circulant diminue également.
Si vous branchez une ampoule sur le secteur, un courant électrique la traversera également, car il existe une différence de potentiel entre les douilles de la prise. Cependant, contrairement à une cellule galvanique ou à une batterie, cette différence de potentiel est maintenue en permanence - tant que la centrale électrique fonctionne.
Énergie électrique
Il existe une relation étroite entre la tension électrique et le courant. La quantité d'énergie électrique dépend de la quantité de tension et de courant. Expliquons cela avec les exemples suivants.
Cerise tombe de faible hauteur : Faible hauteur - légère tension. Faible force d'impact — faible puissance électrique.
Une noix de coco tombe d'une petite hauteur (par rapport à l'endroit où le garçon est monté) : gros objet - grand courant. Basse altitude — faible stress. Force d'impact relativement élevée — puissance relativement élevée.
Un petit pot de fleurs tombe d'une grande hauteur : Un petit objet est un petit courant. La grande hauteur de chute est un grand stress. Force d'impact élevée - puissance élevée.
Avalanche tombant d'une grande hauteur : Grandes masses de neige — un grand courant. La grande hauteur de chute est un grand stress. La grande puissance destructrice d'une avalanche est une grande puissance électrique.
À courant élevé et haute tension, une grande puissance électrique est obtenue.Mais la même puissance peut être obtenue avec un courant plus élevé et une tension correspondante plus faible ou, à l'inverse, avec un courant plus faible et une tension plus élevée.
La puissance électrique en courant continu est égale au produit des valeurs de tension et de courant. La puissance électrique s'exprime en watts et est désignée par les lettres W.
Il a déjà été dit qu'un débit d'eau d'une certaine ampleur peut entraîner un moulin, deux fois le débit - deux moulins, quatre fois le débit - quatre moulins, etc., malgré le fait que la chute d'eau (tension) sera la même .
La figure montre un petit débit d'eau (correspondant à un courant électrique) faisant tourner les roues de quatre moulins du fait que la goutte d'eau (correspondant à une tension électrique) est suffisamment importante.
Les roues de ces quatre moulins peuvent tourner avec deux fois le débit d'eau à la moitié de la hauteur de chute. Ensuite, les moulins seraient disposés légèrement différemment, mais le résultat serait le même.
La figure suivante montre deux lampes connectées en parallèle à un réseau d'éclairage 110V. Un courant de 1 A parcourt chacune d'elles, le courant qui parcourt les deux lampes est au total de 2 ampères.
Le produit des valeurs de tension et de courant détermine la puissance que ces lampes consomment du réseau.
110V x 2a = 220W.
Si la tension du réseau d'éclairage est de 220 V, les mêmes lampes doivent être connectées en série et non en parallèle (comme c'était le cas dans l'exemple précédent), de sorte que la somme de la chute de tension sur celles-ci soit égale à la tension du réseau. Le courant circulant dans ce cas à travers les deux lampes est de 1 A.
Le produit des valeurs de la tension et du courant traversant le circuit nous donnera la puissance consommée par ces lampes 220 V x 1a = 220 W, c'est-à-dire la même que dans le premier cas.Cela est compréhensible, car dans le second cas, le courant prélevé sur le réseau est deux fois inférieur, mais deux fois la tension dans le réseau.
Watt, kilowatt, kilowattheure
Tout appareil ou machine électrique (sonnerie, ampoule, moteur électrique, etc.) consomme une certaine quantité d'énergie électrique du réseau d'éclairage.
Des appareils spéciaux appelés wattmètres sont utilisés pour mesurer la puissance électrique.
La puissance, par exemple, d'une lampe d'éclairage, d'un moteur électrique, etc., peut être déterminée sans l'aide d'un wattmètre, si la tension du secteur et la quantité de courant qui traverse le consommateur d'énergie électrique connecté au secteur sont connu.
De même, si la consommation électrique du réseau et la tension du réseau sont connues, la quantité de courant traversant le consommateur peut être déterminée.
Par exemple, un réseau d'éclairage de 110 volts comprend une lampe de 50 watts. Quel courant le traverse ?
Puisque le produit de la tension exprimée en volts et du courant exprimé en ampères est égal à la puissance exprimée en watts (pour le courant continu), alors après avoir effectué le calcul inverse, c'est-à-dire diviser le nombre de watts par le nombre de volts ( tension secteur), nous obtenons la quantité de courant en ampères traversant la lampe,
un = w / b,
le courant est de 50 W / 110 V = 0,45 A (environ).
Ainsi, un courant d'environ 0,45 A traverse la lampe qui consomme 50 W d'énergie et est reliée à un réseau électrique de 110 V.
Si un lustre avec quatre ampoules de 50 watts, une lampe de table avec une ampoule de 100 watts et un fer à repasser de 300 watts sont inclus dans le réseau d'éclairage de la pièce, la puissance de tous les consommateurs d'énergie est de 50 W x 4 + 100 W + 300 W = 600 W.
La tension secteur étant de 220 V, un courant électrique égal à 600 W / 220 V = 2,7 A (environ) circule dans les fils d'éclairage communs adaptés à cette pièce.
Laissez le moteur électrique consommer 5000 watts de puissance du réseau ou, comme on dit, 5 kilowatts.
1000 watts = 1 kilowatt, tout comme 1000 grammes = 1 kilogramme. Les kilowatts sont abrégés en kW. On peut donc dire du moteur électrique qu'il consomme une puissance de 5 kW.
Pour déterminer la quantité d'énergie consommée par un appareil électrique, il est nécessaire de prendre en compte la durée pendant laquelle cette énergie a été consommée.
Si une ampoule de 10 watts est allumée pendant deux heures, la consommation d'énergie électrique est de 100 watts x 2 heures = 200 wattheures ou 0,2 kilowattheures. Si une ampoule de 100 watts est allumée pendant 10 heures, la quantité d'énergie consommée est de 100 watts x 10 heures = 1000 wattheures ou 1 kilowattheure. Les kilowattheures sont abrégés en kWh.
Il y a beaucoup plus de choses intéressantes dans ce livre, mais même ces exemples montrent à quel point les auteurs de l'époque ont abordé leur travail de manière responsable et sincère, en particulier dans le cas de l'enseignement aux enfants.