Nel mondo di oggi, tutti hanno avuto a che fare con l'elettricità fin dall'infanzia. Le prime menzioni di questo fenomeno naturale risalgono ai filosofi Aristotele e Talete, che erano incuriositi dalle sorprendenti e misteriose proprietà della corrente elettrica. Ma non fu prima del XVII secolo che grandi menti scientifiche iniziarono una successione di scoperte sull'energia elettrica che continuano ancora oggi.
La scoperta della corrente elettrica e la creazione da parte di Michael Faraday del primo generatore al mondo nel 1831 cambiarono radicalmente la vita umana. Siamo abituati agli elettrodomestici che usano l'energia elettrica per facilitare la nostra vita, ma fino ad ora la maggior parte delle persone non ha capito questo importante fenomeno. Per cominciare, per capire i principi di base dell'elettricità dobbiamo studiare due definizioni fondamentali: corrente elettrica e tensione.
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Cos'è la corrente alternata e la tensione
Corrente elettrica - è il movimento ordinato delle particelle cariche (portatori di carica elettrica). I portatori di corrente elettrica sono gli elettroni (in metalli e gas), cationi e anioni (in elettroliti), fori nella conduzione elettrone-foro. Questo fenomeno si manifesta con la creazione di un campo magnetico, un cambiamento nella composizione chimica o il riscaldamento dei conduttori. Le caratteristiche principali della corrente sono:
- L'amperaggio, determinato dalla legge di Ohm e misurato in ampere (А), nelle formule è indicato con la lettera I;
- potenza, secondo la legge di Joule-Lenz, misurata in watt (W), è indicato con P;
- frequenza, misurata in hertz (Hz).
La corrente elettrica è usata come vettore di energia per produrre energia meccanica con motori elettrici, per produrre energia termica in apparecchi di riscaldamento, saldatura elettrica e riscaldatori, per generare onde elettromagnetiche di diverse frequenze, per creare campi magnetici in elettromagneti e per produrre energia luminosa in apparecchi di illuminazione e lampade di ogni tipo.
Tensione - è il lavoro fatto da un campo elettrico per spostare una carica di 1 coulomb (Coulomb) da un punto all'altro di un conduttore. Tuttavia, da questa definizione, è difficile capire cosa sia la tensione.
Per spostare una particella carica da un polo all'altro, si deve creare una differenza di potenziale tra questi poli (questo è ciò che si chiama una tensione). L'unità di misura della tensione è il volt (В).
Per una comprensione definitiva della definizione di corrente e tensione elettrica, si può fare un'analogia interessante: immaginate che la carica elettrica sia l'acqua, allora la pressione dell'acqua nella colonna è la tensione, e il tasso di flusso dell'acqua nel tubo è la forza della corrente elettrica. Maggiore è la tensione, maggiore è la forza della corrente elettrica.
Cos'è la corrente alternata
Se si cambia la polarità dei potenziali, la direzione del flusso di corrente elettrica cambia. Questo è il tipo di corrente che si chiama corrente alternata. La quantità di cambiamento di direzione in un dato intervallo di tempo si chiama frequenza e si misura, come già detto, in Hertz (Hz). Per esempio, in una rete elettrica standard nel nostro paese, la frequenza è di 50 Hz, il che significa che la direzione della corrente cambia 50 volte al secondo.
Cos'è la corrente continua
Quando il movimento ordinato delle particelle cariche ha sempre una sola direzione, questa corrente si chiama corrente continua. La corrente continua si verifica in una rete a tensione continua quando la polarità delle cariche da una parte e dall'altra è costante nel tempo. È molto spesso usato in vari dispositivi e tecniche elettroniche quando non è richiesta la trasmissione di potenza su lunghe distanze.
Fonti di corrente elettrica
Una fonte di corrente elettrica Generalmente si riferisce a un apparecchio o dispositivo con cui si può creare una corrente elettrica in un circuito. Tali dispositivi possono produrre sia corrente alternata che corrente continua. Si dividono in generatori di corrente meccanica, luminosa, termica e chimica secondo il modo in cui creano elettricità.
Meccanica Le fonti di corrente elettrica convertono l'energia meccanica in energia elettrica. Tali attrezzature includono vari tipi di generatoriche generano corrente elettrica alternata facendo ruotare un elettromagnete intorno a una bobina di motori a induzione.
Luce le fonti convertono l'energia dei fotoni (energia luminosa) in energia elettrica. Sfruttano la proprietà dei semiconduttori di produrre una tensione quando sono esposti al flusso luminoso. I pannelli solari possono essere considerati come tali attrezzature.
Termico - Converte l'energia termica in elettricità attraverso la differenza di temperatura tra due coppie di semiconduttori a contatto - le termocoppie. La quantità di corrente in tali dispositivi è direttamente legata alla differenza di temperatura: maggiore è la differenza, maggiore è l'intensità di corrente. Tali fonti sono utilizzate, per esempio, nelle centrali geotermiche.
Chimico Genera elettricità attraverso reazioni chimiche. Per esempio, vari tipi di batterie e accumulatori galvanici possono essere classificati come tali dispositivi. Le fonti di corrente galvanica sono tipicamente usate in dispositivi autonomi, veicoli, elettrodomestici e sono fonti di corrente continua.
Conversione della corrente alternata in corrente continua
I dispositivi elettrici di tutto il mondo utilizzano sia la corrente continua che quella alternata. Quindi, c'è bisogno di convertire una corrente in un'altra o viceversa.
Una corrente alternata può essere convertita in corrente continua utilizzando un ponte di diodi o un "raddrizzatore". La parte principale del raddrizzatore è un diodo semiconduttore, che conduce la corrente elettrica in una sola direzione. Dopo questo diodo, la corrente non cambia la sua direzione, ma ci sono ondulazioni, che vengono eliminate con condensatori e altri filtri. I raddrizzatori sono disponibili in versioni meccaniche, a vuoto o a semiconduttore.
A seconda della qualità di fabbricazione di un tale dispositivo, la corrente di ripple all'uscita avrà valori diversi, di regola, più un dispositivo è costoso e meglio fatto, meno ripple e più pulita è la corrente. Esempi di tali dispositivi sono alimentazioni elettriche vari elettrodomestici e caricatori, raddrizzatori di unità di potenza elettrica in vari modi di trasporto, saldatrici a corrente continua e altri.
Gli inverter sono utilizzati per convertire la corrente continua in corrente alternata. Tali dispositivi generano una tensione alternata con un andamento sinusoidale. Esistono diversi tipi di questi dispositivi: inverter per motori, inverter a relè e inverter elettronici. Si differenziano tutti per la qualità della corrente alternata che producono, il loro costo e le loro dimensioni. Esempi sono i gruppi di continuità, gli inverter nelle automobili o nelle centrali solari, per esempio.
Dove si usa l'alimentazione AC e DC e quali sono i vantaggi
Diversi compiti possono richiedere l'uso sia della corrente alternata che della corrente continua. Ogni tipo di corrente ha i suoi vantaggi e svantaggi.
Corrente alternata è usato principalmente quando le correnti devono essere trasmesse su lunghe distanze. Questo tipo di corrente ha più senso in termini di possibili perdite e costi delle attrezzature. Questo è il motivo per cui la maggior parte degli elettrodomestici e dei macchinari usano solo questo tipo di corrente.
Le case e le imprese, le infrastrutture e le strutture di trasporto sono lontane dalle centrali elettriche, quindi tutte le reti elettriche sono a corrente alternata. Queste reti alimentano tutti gli elettrodomestici, le attrezzature industriali e le locomotive dei treni. Esiste un numero incredibile di dispositivi alimentati a corrente alternata ed è molto più facile descrivere quelli che usano la corrente continua.
Corrente diretta è usato in sistemi autonomi come i sistemi di bordo per veicoli, aerei, navi e treni elettrici. È ampiamente utilizzato nell'alimentazione di microcircuiti in varie applicazioni di elettronica, comunicazioni e altre applicazioni in cui l'interferenza e l'ondulazione devono essere minimizzate o eliminate. In alcuni casi, tale corrente è utilizzata in lavori di saldatura elettrica per mezzo di inverter. Ci sono persino locomotive ferroviarie che funzionano con sistemi a corrente continua. In medicina, tale corrente è utilizzata per introdurre farmaci nel corpo per mezzo dell'elettroforesi e per scopi scientifici per separare diverse sostanze (elettroforesi delle proteine, ecc.).
Simboli su apparecchi e circuiti elettrici
Spesso è necessario determinare con quale corrente l'apparecchio sta funzionando. Dopotutto, collegare un dispositivo a corrente continua a un'alimentazione di rete AC porterà inevitabilmente a conseguenze spiacevoli: danni al dispositivo, fuoco o scosse elettriche. Esistono simboli riconosciuti a livello internazionale per questo designazioni standard per tali sistemi e persino cavi codificati a colori.
Per esempio, gli apparecchi che funzionano a corrente continua sono segnati con una linea, due linee continue o una linea continua insieme a una linea tratteggiata sotto l'altra. Tali correnti sono anche marcate con le seguenti lettere latine DC. L'isolamento dei fili elettrici nei sistemi DC è colorato di rosso per la corrente positiva e di blu o nero per la corrente negativa.
Sugli apparecchi e le macchine elettriche, la corrente alternata è indicata dall'abbreviazione inglese AC o da una linea ondulata. Nei diagrammi e nelle descrizioni dei dispositivi, è anche indicato da due linee: una linea continua e una linea ondulata sotto l'altra. I conduttori sono nella maggior parte dei casi contrassegnati come segue: fase in marrone o nero, neutro in blu e terra in verde/giallo.
Perché la corrente alternata è usata più spesso
Abbiamo già parlato sopra del perché la corrente alternata è attualmente utilizzata più spesso della corrente continua. Eppure, diamo un'occhiata più da vicino a questa domanda.
C'è stato un dibattito su quale corrente sia meglio usare fin dalla scoperta dell'elettricità. C'è anche una cosa come una "guerra delle correnti" - una rivalità tra Thomas Edison e Nikola Tesla sull'uso di un tipo di corrente. La lotta tra i seguaci di questi grandi scienziati durò fino al 2007, quando la città di New York passò alla corrente alternata dalla corrente continua.
La ragione più importante per cui la corrente alternata è più comunemente usata è è la capacità di trasmetterlo su lunghe distanze con perdite minime.. Maggiore è la distanza tra la fonte di corrente e il consumatore finale, maggiore è la resistenza dei fili e la perdita di calore dai fili.
Per ottenere la massima potenza è necessario aumentare lo spessore dei cavi (e quindi ridurre la resistenza), o per aumentare la tensione.
Nei sistemi AC, è possibile aumentare la tensione con uno spessore minimo del filo, riducendo così il costo delle linee elettriche. Per i sistemi a corrente continua, non ci sono modi economici ed efficienti per aumentare la tensione e quindi tali reti richiedono o l'aumento dello spessore dei conduttori o la costruzione di un gran numero di piccole centrali. Entrambi questi metodi sono costosi e aumentano significativamente il costo dell'elettricità rispetto alle reti AC.
Con i trasformatori elettrici, la tensione alternata è efficiente (con efficienze fino al 99%.) può essere variato in entrambe le direzioni da valori minimi a valori massimi, che è anche uno dei vantaggi importanti delle reti AC. L'uso di un sistema trifase AC aumenta ulteriormente l'efficienza, e i macchinari come i motori che funzionano su reti elettriche AC sono molto più piccoli, più economici e più facili da mantenere rispetto ai motori DC.
Da tutto ciò, possiamo concludere che l'uso della corrente alternata è vantaggioso nelle grandi reti e nella trasmissione di energia elettrica su lunghe distanze, mentre per il funzionamento preciso ed efficiente dei dispositivi elettronici e per i dispositivi autonomi è consigliabile usare la corrente continua.
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