TOE for dummies: le basi dell'ingegneria elettrica per principianti, misure di sicurezza

L'ingegneria elettrica è come una lingua straniera. Qualcuno lo ha padroneggiato a lungo e perfettamente, qualcuno sta appena iniziando a fare conoscenza, ma per qualcuno è ancora un obiettivo irraggiungibile, ma allettante. Perché molti vogliono conoscere questo misterioso mondo dell'elettricità? Solo da circa 250 anni le persone lo conoscono, ma oggi è difficile immaginare la vita senza elettricità. Per conoscere questo mondo, e ci sono fondamenti teorici dell'ingegneria elettrica (TOE) per i manichini.

La prima conoscenza con l'elettricità

Alla fine del XVIII secolo, lo scienziato francese Charles Coulomb iniziò a studiare attivamente i fenomeni elettrici e magnetici delle sostanze. Fu lui a scoprire la legge della carica elettrica, che prese il nome da lui: un ciondolo.

Oggi è noto che qualsiasi sostanza è costituita da atomi ed elettroni che ruotano attorno ad essi in un orbitale. Tuttavia, in alcune sostanze, gli elettroni sono trattenuti molto strettamente dagli atomi, mentre in altre questo legame è debole, il che consente agli elettroni di staccarsi liberamente da alcuni atomi e attaccarsi ad altri.

Per capire di cosa si tratta si può immaginare una grande città con un numero enorme di auto che si muovono senza regole. Queste macchine si muovono in modo irregolare e non possono svolgere un lavoro utile. Fortunatamente, gli elettroni non si schiantano, ma rimbalzano l'uno sull'altro come palline. Per beneficiare di questi piccoli operai, devono essere soddisfatte tre condizioni:

1. Gli atomi di una sostanza devono donare liberamente i loro elettroni.
2. A questa sostanza deve essere applicata una forza che farà muovere gli elettroni in una direzione.
3. La catena lungo la quale si muovono le particelle cariche deve essere chiusa.

È l'osservanza di queste tre condizioni che sta al centro dell'ingegneria elettrica per principianti.

Creazione di una cella elettrochimica

Tutti gli elementi sono fatti di atomi. Gli atomi possono essere paragonati al sistema solare, solo ogni sistema ha il proprio numero di orbite e diversi pianeti (elettroni) possono essere localizzati in ogni orbita contemporaneamente. Più l'orbita è lontana dal nucleo, minore è l'attrazione percepita dagli elettroni in questa orbita.

L'attrazione non dipende dalla massa del nucleo, ma dalla diversa polarità del nucleo e degli elettroni. Se il nucleo ha una carica di +10 unità, anche gli elettroni dovrebbero avere un totale di 10 unità, ma una carica negativa. Se un elettrone lascia l'orbita esterna, l'energia totale degli elettroni sarà già di -9 unità. Un semplice esempio per aggiungere +10 + (-9) = +1. Si scopre che l'atomo ha una carica positiva.

Succede anche il contrario: il nucleo ha una forte attrazione e cattura un elettrone "alieno". Quindi un "extra", undicesimo elettrone appare nella sua orbita esterna. Lo stesso esempio +10 + (-11) = -1. In questo caso, l'atomo sarà caricato negativamente.

Se due materiali con una carica opposta vengono calati nell'elettrolita e collegati ad essi attraverso un conduttore, ad esempio una lampadina, allora una corrente scorrerà in un circuito chiuso e la luce si accenderà. Se il circuito è interrotto, ad esempio, tramite un interruttore, la luce si spegnerà.

La corrente elettrica si ottiene come segue. Quando l'elettrolita agisce su uno dei materiali (elettrodo), in esso appare un eccesso di elettroni e si carica negativamente. Il secondo elettrodo, al contrario, cede elettroni sotto l'azione dell'elettrolita e si carica positivamente. Ogni elettrodo è rispettivamente indicato con "+" (eccesso di elettroni) e "-" (mancanza di elettroni).

Sebbene gli elettroni siano caricati negativamente, l'elettrodo segna "+". Questa confusione ha avuto origine nei primi giorni dell'ingegneria elettrica. A quel tempo, si credeva che il trasferimento di carica si verificasse con particelle positive. Da allora sono stati redatti molti schemi e, per non alterarli, hanno lasciato tutto così com'è.

Nelle celle galvaniche, una corrente elettrica è generata da una reazione chimica. La combinazione di più elementi è chiamata batteria, tale regola può essere trovata nell'ingegneria elettrica per "manichini". Se è possibile il processo inverso, quando l'energia chimica si accumula nell'elemento sotto l'azione di una corrente elettrica, tale elemento viene chiamato batteria.

La cella galvanica è stata inventata da Alessandro Volta nel 1800. Ha usato lastre di rame e zinco immerse in una soluzione salina. Questo è diventato il prototipo dei moderni accumulatori e batterie.

Tipi e caratteristiche della corrente

Dopo aver ricevuto la prima elettricità, è nata l'idea di trasmettere questa energia a una certa distanza, e qui sono sorte difficoltà. Si scopre che gli elettroni, passando attraverso un conduttore, perdono parte della loro energia e più lungo è il conduttore, maggiori sono queste perdite. Nel 1826 Georg Ohm stabilì una legge che traccia il rapporto tra tensione, corrente e resistenza. Si legge come segue: U = RI. A parole risulta: la tensione è uguale al prodotto della forza attuale e la resistenza del conduttore.

Dall'equazione si può vedere che più lungo è il conduttore, che aumenta la resistenza, minore sarà la corrente e la tensione, quindi la potenza diminuirà. È impossibile eliminare la resistenza, per questo è necessario abbassare la temperatura del conduttore allo zero assoluto, cosa fattibile solo in condizioni di laboratorio. La corrente è necessaria per l'alimentazione, quindi non puoi nemmeno toccarla, devi solo aumentare la tensione.

Per la fine del XIX secolo, questo era un problema insormontabile. All'epoca, infatti, non esistevano centrali elettriche che generassero corrente alternata, né trasformatori. Pertanto, ingegneri e scienziati hanno rivolto il loro sguardo alla radio, tuttavia, era molto diversa dal moderno wireless. Il governo di diversi paesi non ha visto i benefici di questi sviluppi e non ha sponsorizzato tali progetti.

Per poter trasformare la tensione, aumentarla o diminuirla, è necessaria una corrente alternata. Come funziona può essere visto dal seguente esempio. Se il filo viene arrotolato in una bobina e un magnete viene spostato rapidamente al suo interno, nella bobina apparirà una corrente alternata. Ciò può essere verificato collegando un voltmetro con un segno di zero nel mezzo alle estremità della bobina. La freccia del dispositivo devierà a sinistra ea destra, questo indicherà che gli elettroni si muovono in una direzione, quindi in un'altra.

Questo metodo per generare elettricità è chiamato induzione magnetica. Viene utilizzato, ad esempio, in generatori e trasformatori, ricevendo e cambiando corrente. Nella sua forma la corrente alternata può essere:

• sinusoidale;
• impulso;
• raddrizzato.

Tipi di conduttori

La prima cosa che influenza la corrente elettrica è la conduttività del materiale. Questa conduttività è diversa per materiali diversi. Tutte le sostanze possono essere convenzionalmente suddivise in tre tipi:

• conduttore;
• semiconduttore;
• dielettrico.

Qualsiasi sostanza che attraversa liberamente una corrente elettrica può essere un conduttore. Questi includono materiali duri come metallo o semimetallo (grafite). Liquido: mercurio, metalli fusi, elettroliti. Include anche i gas ionizzati.

Basato su questo, i conduttori si dividono in due tipi di conducibilità:

• elettronico;
• ionico.

La conduzione elettronica comprende tutti i materiali e le sostanze in cui gli elettroni vengono utilizzati per creare una corrente elettrica. Questi elementi includono metalli e semimetalli. Conduce bene la corrente e il carbonio.

Nella conduttività ionica, questo ruolo è svolto da una particella con una carica positiva o negativa. Uno ione è una particella con un elettrone mancante o in più. Alcuni ioni non sono contrari a catturare un elettrone "extra", mentre altri non valutano gli elettroni e quindi li cedono liberamente.

Di conseguenza, tali particelle possono essere caricate negativamente e caricate positivamente. Un esempio è l'acqua salata. La sostanza principale è l'acqua distillata, che è un isolante e non conduce elettricità. Quando viene aggiunto il sale, diventa un elettrolita, cioè un conduttore.

I semiconduttori normalmente non conducono corrente, ma sotto influenze esterne (temperatura, pressione, luce, ecc.), iniziano a far passare la corrente, sebbene non così bene come i conduttori.

Tutti gli altri materiali che non sono inclusi nei primi due tipi appartengono a dielettrici o isolanti. In condizioni normali, praticamente non conducono corrente elettrica. Ciò è dovuto al fatto che nell'orbita esterna gli elettroni sono tenuti saldamente al loro posto e non c'è posto per altri elettroni.

Componenti radio usati

Quando si studia l'elettricità per "manichini", è necessario ricordare che vengono utilizzati tutti i tipi di materiali precedentemente elencati. I conduttori vengono utilizzati principalmente per collegare gli elementi del circuito (compresi i microcircuiti). Possono collegare una fonte di alimentazione a un carico (questo è, ad esempio, un cavo da un frigorifero, cavi elettrici, ecc.). Sono utilizzati nella fabbricazione di bobine, che a loro volta possono essere utilizzate invariate, ad esempio su circuiti stampati o in trasformatori, generatori, motori elettrici, ecc.

I direttori d'orchestra sono i più numerosi e vari. Quasi tutti i componenti radio sono realizzati da loro. Per ottenere un varistore, ad esempio, può essere utilizzato un singolo semiconduttore (carburo di silicio o ossido di zinco). Ci sono parti che includono conduttori di diversi tipi di conduttività, ad esempio diodi, diodi zener, transistor.

I bimetalli occupano una nicchia speciale. È una combinazione di due o più metalli, che hanno diversi gradi di espansione. Quando tale parte viene riscaldata, si deforma a causa della diversa espansione percentuale. Viene solitamente utilizzato nella protezione da sovracorrente, ad esempio, per proteggere un motore elettrico dal surriscaldamento o per spegnere il dispositivo quando viene raggiunta una temperatura preimpostata, come in un ferro da stiro.

I dielettrici svolgono principalmente una funzione protettiva (ad esempio, le impugnature isolanti degli utensili elettrici). Consentono inoltre di isolare gli elementi del circuito elettrico. Il circuito stampato su cui sono montati i componenti radio è realizzato in dielettrico. I fili della bobina sono rivestiti con vernice isolante per evitare cortocircuiti tra le spire.

Misure di sicurezza

Tuttavia, il dielettrico diventa un semiconduttore quando viene aggiunto un conduttore e può condurre corrente. La stessa aria diventa un conduttore durante un temporale. Un albero secco non conduce bene l'elettricità, ma se si bagna non sarà più sicuro.

La corrente elettrica gioca un ruolo enorme nella vita di una persona moderna, ma, d'altra parte, può essere fatale. È molto difficile rilevarlo, ad esempio, in un filo steso a terra; ciò richiede dispositivi e conoscenze speciali. Pertanto, è necessario prestare la massima attenzione quando si utilizzano apparecchi elettrici.

Il corpo umano è prevalentemente acquama questa non è acqua distillata, che è un dielettrico. Pertanto, per l'elettricità, il corpo diventa quasi un conduttore. Quando si riceve una scossa elettrica, i muscoli si contraggono, il che può portare ad arresto cardiaco e insufficienza respiratoria. Con l'ulteriore azione della corrente, il sangue inizia a bollire, poi il corpo si secca e, infine, la carbonizzazione dei tessuti. La prima cosa da fare è interrompere la corrente, se necessario, prestare i primi soccorsi e chiamare i medici.

In natura, si forma una tensione statica, ma molto spesso non rappresenta un pericolo per l'uomo, ad eccezione dei fulmini. Ma può essere pericoloso per i circuiti o le parti elettroniche. Pertanto, quando lavorano con microcircuiti e transistor ad effetto di campo, usano braccialetti con messa a terra.