Parametri elettrici

Una rassegna dei fondamenti e dei modi sottili in cui interagiscono

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In questo articolo, discutiamo i parametri elettrici di base, volt, ampere, carica elettrica, capacità, induttanza e ohm. Tutti i tecnici elettronici, in particolare i tecnici degli ascensori e gli addetti alla manutenzione, conoscono i fondamenti, ma ci sono alcune sottigliezze nel modo in cui interagiscono che vale la pena rivedere.

Per lavorare su apparecchiature elettriche, in particolare ascensori, in fase di progettazione e produzione o diagnostica e riparazione, è richiesta una precisa conoscenza dei parametri elettrici. I più elementari di questi sono amplificatori, volt, ohm e coulomb.

L'amplificatore è l'unità di corrente elettrica, che inizia nell'elettrolito della batteria o gli avvolgimenti in un generatore elettrico, che scorre attraverso i conduttori, attraverso il carico e torna a the source. In tutto questo circuito, a meno che non si divida in rami separati, la corrente è la stessa, secondo l'attuale legge di Kirchhoff. Questo è un principio molto basilare nell'elettronica ed è estremamente utile nella diagnostica preliminare. Tutti quegli elettroni devono andare da qualche parte e non vanno persi, anche quando passano attraverso un carico resistivo in cui una parte dell'energia viene dissipata sotto forma di calore. (È la potenza che viene dissipata, non la corrente.)

Un amp, per definizione, consiste in un flusso di 6.24 X 10¹⁸ elettroni che si muovono oltre un punto specifico in un circuito elettrico al secondo. (Questo è 624 seguito da 18 zeri. Se non capisci, cerca la notazione scientifica su Internet.) Questa cifra è assolutamente precisa perché è fissata per definizione. Le definizioni degli altri parametri elettrici derivano dalla definizione dell'amp.

Poiché l'amplificatore è una misura del flusso di corrente attraverso un corpo conduttivo, è improprio parlare di corrente elettrica come una proprietà di the source tranne per il fatto che qualsiasi sorgente ha una corrente massima disponibile, che aumenta rapidamente quando la resistenza o l'impedenza del carico viene abbassata al di sotto di un valore critico.

Gli elettricisti utilizzano una pinza amperometrica per misurare la corrente assorbita da carichi pesanti come un motore di ascensore. Premendo l'interruttore a pollice sul lato dello strumento, le ganasce si aprono e possono essere chiuse attorno a un conduttore sotto tensione, nudo o isolato. Il display mostra la corrente in ampere che scorre attraverso il circuito. La misurazione può essere eseguita su un conduttore che sta alimentando apparecchiature operative come un motore di ascensore, senza metterlo fuori servizio.

Il conduttore sotto tensione e le ganasce dello strumento sono il primario e il secondario di un trasformatore. Questo misura il campo magnetico attorno al conduttore e il display è calibrato per mostrare gli ampere. Anche se l'Amprobe è essenzialmente un trasformatore, i modelli avanzati possono leggere la corrente continua per mezzo di un dispositivo interno ad effetto Hall.

La pinza amperometrica è in grado di misurare 200-600 ampere. Non funziona su cavi contenenti due o più conduttori perché le correnti che li attraversano viaggiano in direzioni opposte ei campi magnetici si annullano a vicenda.

Piccole quantità di corrente possono essere lette in un multimetro. È necessario aprire il circuito in prova e posizionare il contatore in serie. Quindi, dopo aver preso la misura, saldare nuovamente il circuito. Assicurati di controllare la valutazione del multimetro in modalità ampere perché lo strumento non tollererà un sovraccarico. Ricorda che quando prendi questo tipo di lettura, al contrario di una lettura di un amperometro, voltmetro o ohmmetro, l'intera quantità di corrente passa attraverso il misuratore.

Il volt è l'unità della forza elettromotrice. Per definizione, è il potenziale elettrico tra due conduttori o terminali quando un ampere di corrente scorre attraverso il circuito. Quando un carico non è collegato, questo ampere di corrente non scorre attraverso il circuito, ma ciò non annulla la definizione di volt. In alternativa, possiamo dire che un volt è la differenza di potenziale tra due fili o terminali quando un joule di energia per coulomb di carica passa attraverso il circuito. È improprio parlare di una tensione che passa attraverso un circuito così come è improprio parlare di una data corrente su un terminale.

Notare le seguenti relazioni:

• Volt uguale ampere per ohm
• Volt uguale a weber al secondo (flusso magnetico per volta)
• Volt uguale a joule per coulomb

Poiché la tensione è una differenza di potenziale, di solito viene misurata utilizzando un multimetro all'interno della sua valutazione per sondare attraverso un componente sotto tensione, due punti in un circuito o un punto in un circuito e terra. È importante far funzionare lo strumento entro la sua tensione nominale. Se la tensione non è nota, è spesso lecito presumere che la tensione non superi la tensione di alimentazione, anche se ciò potrebbe non essere vero come in un azionamento a frequenza variabile per un motore di ascensore o apparecchiature come un tubo catodico TV con alte tensioni di deflessione o ovunque sia presente un trasformatore step-up.

Per una comprensione completa degli elettronvolt e di come uniscono i concetti di tensione e carica, dobbiamo discutere l'elettronvolt (eV), che è stato storicamente utilizzato da teorici e ricercatori. L'eV è un potenziale energetico molto piccolo. Un trilione di eV è all'incirca l'energia spesa da una zanzara volante. Questo non deve preoccuparci, tuttavia, perché usando la notazione scientifica o i prefissi, l'eV può essere portato, diciamo, alla quantità di energia per alimentare un ascensore di qualsiasi dimensione. Centosettantadue GeV è l'energia a riposo di un quark top, la particella elementare più pesante misurata.

In fisica, un eV è la quantità di energia cinetica guadagnata da un singolo elettrone che accelera da fermo attraverso una differenza di potenziale elettrico di un volt nel vuoto. Usato come unità di energia, il valore di 1 eV in joule è uguale alla quantità numerica di carica di un elettrone in coulomb.

Questo ci porta all'importante concetto di carica. La carica elettrica si misura in coulomb. Quando si lavora sulla diagnostica e sulla progettazione degli ascensori, raramente sarà necessario misurare la carica, ma il concetto è importante nel circuito del motore e nel controller, in particolare per ciò che accade nei transistor a effetto di campo a semiconduttore di ossido di metallo (MOSFET).

Gli scrittori antichi conoscevano cinque distinti fenomeni, che spieghiamo usando il concetto di carica elettrica:

1. Illuminazione
2. Anguille elettriche e siluri
3. Fuoco di Sant'Elmo
4. Ambra, strofinata con pelliccia, che attira piccoli oggetti
5. Elettricità statica, come quando una scintilla salta dalla mano a un oggetto metallico

Talete di Mileto (624-546 aC) non ha lasciato scritti esistenti, ma si dice che descrisse l'effetto ambra, che affermò come prova che gli oggetti inanimati hanno un'anima.

In generale, gli antichi greci non sembravano consapevoli che le cinque categorie sopra elencate fossero in qualche modo collegate. Gli sperimentatori greci hanno osservato che l'ambra carica attirerebbe oggetti leggeri e hanno osservato che l'ambra strofinata potrebbe produrre un debole arco elettrico.

Un'analisi più dettagliata avvenne nel 1600 d.C., in quella di William Gilbert Da Magnete. Questo scienziato inglese ha coniato la parola "electrica" ​​per descrivere l'effetto ambra.

Nei due secoli successivi, scienziati tra cui Benjamin Franklin svilupparono teorie più sofisticate sulla carica elettrica a due e poi a un fluido. Franklin visualizzò l'elettricità come un fluido invisibile presente in tutta la materia. Ha affermato che era il vetro nel barattolo di Leydon recentemente inventato che conteneva una carica elettrica accumulata. Credeva che lo sfregamento delle superfici isolate insieme causasse lo spostamento del fluido da un luogo all'altro, costituendo una corrente elettrica. Affermò che quando la materia conteneva un eccesso di fluido, era caricata positivamente e quando aveva un deficit era caricata negativamente. Ha ottenuto la dinamica giusta, ma si è sbagliato sulla direzione del flusso. Fino ad oggi, diciamo che un elettrone ha carica negativa, sebbene non ci sia nulla di intrinsecamente negativo in esso.

Nel 1838, Michael Faraday iniziò uno studio dettagliato della carica elettrica. Osservò che la carica elettrica è una relazione tra due corpi materiali perché è impossibile caricare un corpo senza impartire la carica opposta a un altro corpo materiale. Di conseguenza, la carica elettrica è un deficit o un eccesso di elettroni o altri portatori di carica. Inoltre, ha concluso che lo stato normale delle particelle deve essere non polarizzato. Quando polarizzate, queste particelle tendono a tornare al loro stato non polarizzato.

Due decenni dopo, James Clerk Maxwell si rese conto che la carica, piuttosto che una sostanza, è energia che risiede nel campo tra due sostanze cariche. Lo vediamo nel comportamento di un condensatore. Un condensatore è costituito da due piastre conduttive con conduttori attaccati, separate da un sottile strato di materiale non conduttivo noto come strato dielettrico. Quando la tensione viene applicata alle piastre di un condensatore, contrariamente alla credenza comune, la corrente non scorre attraverso di essa, come in un resistore. Questo è il motivo per cui i condensatori non dissipano molto calore nonostante la caduta di tensione che può essere misurata ai loro capi quando eccitati. Dove va questa energia? La carica viene immagazzinata nello strato dielettrico, quindi, quando la tensione applicata viene rimossa, la tensione ritorna al circuito collegato. Pertanto, la funzione dello strato dielettrico non è solo quella di tenere separate le piastre e di isolarle elettricamente l'una dall'altra, ma anche di immagazzinare la carica elettrica. Questo processo continua fino al raggiungimento di uno stato di equilibrio. Quindi, se viene applicata una polarità opposta, il dielettrico viene scaricato e quindi si carica a quella polarità opposta. Ciò accade molto rapidamente se viene applicata la corrente alternata, in particolare l'alta frequenza.

All'osservatore esterno, questo appare come flusso di corrente, ma in realtà è lo strato dielettrico che immagazzina e rilascia portatori di carica.

Un induttore (bobina) funziona in modo simile, tranne per il fatto che l'energia è contenuta nell'area circostante e all'interno della bobina in un campo magnetico. Quando la corrente all'induttore viene interrotta, si dice che il campo magnetico collassa e l'energia viene restituita agli avvolgimenti che compongono la bobina. Quando la CC viene applicata a un induttore, si verifica un breve picco di alta tensione attraverso di esso e un altro picco quando la tensione viene rimossa.

La carica elettrica è quantizzata. Esiste solo in multipli interi di ciò che chiamiamo e, che è molto piccolo, pari a 1.62 X 10 ^{all'19 ottobre} coulomb. 

L'unità di carica è il coulomb. È definito come la quantità di carica che passa un punto specifico su un conduttore elettrico trasportando un ampere di corrente in un secondo.

Nel corso ordinario della diagnosi di circuito o della prototipazione, i lavoratori raramente hanno bisogno di misurare la carica poiché è l'integrale di amperaggio e corrente ed è facilmente misurabile con un multimetro in modalità ampere o con un amperometro a pinza. Se la carica deve essere misurata direttamente, utilizzare un elettrometro o un galvanometro balistico.

Un altro parametro elettrico molto fondamentale è l'ohm. È l'unità della resistenza elettrica, una proprietà di qualsiasi materiale, compreso il vuoto, in grado di condurre portatori di carica.

Nell'immaginazione popolare, quando la tensione da una sorgente come una batteria o un generatore viene applicata attraverso un conduttore, gli elettroni si allineano all'estremità carica negativa e viaggiano alla velocità della luce fino all'estremità positiva, a cui sono attratti, quindi ritornano alla fonte di alimentazione. In realtà, il loro viaggio è molto più lento e il loro movimento più casuale. Sono soggetti a collisioni con atomi, ioni ed elettroni liberi nel conduttore. Ciò costituisce una resistenza, che fa sì che una parte degli elettroni venga irradiata e dissipata sotto forma di calore.

È questa resistenza che viene misurata per mezzo del multimetro in modalità ohm. La resistenza viene misurata quotidianamente da elettricisti e tecnici elettronici. A differenza di ampere e volt, non è una misura in tempo reale. Se si desidera misurare la resistenza di un componente nel circuito, come in un circuito stampato in un controller di movimento per ascensori, assicurarsi innanzitutto che l'apparecchiatura sia spenta. Una tensione inaspettata applicata ai cavi di un ohmmetro può distruggere lo strumento e ferire l'utente se la tensione e/o la corrente di guasto sono sufficientemente elevate. Fai attenzione inoltre che le apparecchiature con condensatori elettrolitici come un alimentatore possono immagazzinare la tensione residua molto tempo dopo essere state spente. Esiste anche una cosa come la capacità distribuita in tutto lo chassis. Per questo motivo, è meglio tagliare un cavo, utilizzando un utensile da taglio isolato che rientri nella sua classificazione e guanti ad alta tensione (disponibili su Amazon) ove appropriato. 

La resistenza R di un corpo è il rapporto tra la tensione V ai suoi capi e la corrente I che lo attraversa. La conduttanza G è il reciproco, come espresso in queste equazioni:

• R = V / I
• Sol = I/R
• Sol = I/V

Queste uguaglianze costituiscono la legge di Ohm. Sono applicabili ai materiali ohmici, ma non ad alcuni dispositivi come batterie, diodi o trasformatori, che hanno proprietà intrinseche che oscurano i parametri ohmici.

La resistenza e la conduttanza di un corpo sono determinate principalmente dalla sua geometria e dal materiale costituente. La geometria influisce sulla resistenza come in un filo lungo e sottile, che ha una resistenza maggiore rispetto a un filo corto e spesso dello stesso materiale. Il materiale è l'altro fattore. La corrente elettrica scorre con poca perdita attraverso il filo di rame, mentre con maggiore perdita attraverso il filo di acciaio di pari spessore e lunghezza. L'ampia gamma delle loro proprietà è nota come resistività. La resistività di un dato materiale è costante indipendentemente dalle sue dimensioni, forma o configurazione all'interno di un circuito. La resistività di una scatola di filo in magazzino è la stessa di un ponticello corto su un circuito stampato, dato lo stesso materiale del filo. Ma la resistenza dipende dalla resistività, dalla forma e dalle dimensioni. Fattori aggiuntivi, oltre a forma, dimensione e resistività, come temperatura e deformazione, influiscono anche sulla resistenza di un conduttore o dispositivo in un circuito elettrico, sebbene al livello più elementare del controller di movimento e della diagnostica dell'azionamento a velocità variabile, questi effetti non devono essere considerati, a meno che non si sospettino condizioni sottili.

La resistenza attraverso la maggior parte dei corpi della stessa dimensione, forma e resistività è costante. Ma la resistività di diversi materiali varia enormemente. Ad esempio, la conduttività del teflon, un buon isolante, è 10³⁰ inferiore al rame. Questo perché gli elettroni in un isolante sono legati in posizioni specifiche e quindi incapaci di trasportare cariche da un'estremità all'altra del materiale. Al contrario, conduttori come i metalli hanno molti più elettroni liberi che non sono legati in posizione agli atomi, ma sono in grado di viaggiare liberamente attraverso gli spazi relativamente ampi tra gli atomi. La maggior parte dei materiali, come il carbonio, ha una resistività intermedia. La maggior parte dei resistori sono prodotti mescolando varie proporzioni di carbone polverizzato con una pasta di diversa resistività.

I superconduttori potrebbero essere l'onda del futuro, specialmente nello spazio esterno a bassa temperatura. I superconduttori sono realizzati con materiali che hanno una resistività prossima allo zero (conduttività infinita) se raffreddati a sufficienza. Di conseguenza, non c'è quasi nessuna dissipazione di energia elettrica, nessuna perdita apprezzabile. Ciò che è problematico è che, a questo punto, i conduttori metallici devono essere raffreddati utilizzando elio liquido a circa 4° K per funzionare come superconduttori.

Sono stati sviluppati sistemi avanzati che funzionano a 77° K. Funzionano con il refrigerante ad azoto liquido molto meno costoso, ma i materiali sono ceramiche più costose, fragili e fragili, che non sono pratici. Poiché i superconduttori metallici richiedono refrigeranti difficili, in particolare l'elio liquido, c'è un grande incentivo per i ricercatori a scoprire materiali migliori per alte temperature, ovvero quelli che diventano superconduttori alla temperatura dell'azoto liquido di facile utilizzo.

Finora sono stati trovati ossidi di rame e composti a base di ferro. Purtroppo questi materiali non si prestano ad essere formati in conduttori lavorabili. Un'area promettente è quella dei gas superconduttori, ma finora si tratta perlopiù di speculazioni.

I superconduttori a bassa temperatura sono utilizzati in applicazioni specializzate, come i collisori di particelle, che richiedono conduttori grandi e a bassissima resistenza per alimentare enormi magneti che accelerano il loro percorso.