3 Principali effetti sui quali dipende l'ingegneria elettrica

Questo articolo getta luce sui tre effetti principali da cui dipende l'ingegneria elettrica. Gli effetti sono: 1. Effetto magnetico 2. Effetto riscaldamento della corrente elettrica 3. Effetto chimico.

Ingegneria elettrica: Effetto # 1. Effetto magnetico:

Sappiamo dalla nostra esperienza che quando una corrente elettrica scorre, lo spazio immediatamente attorno al suo percorso diventa un campo magnetico. La figura 3.1 mostra qui una sezione trasversale di un filo circolare verso il basso che sta seguendo una corrente elettrica.

La linea tratteggiata rappresenta un campo magnetico cilindrico che racchiude il conduttore attraverso la sua lunghezza. L'intensità di questo campo magnetico e la sua estensione variano con la forza della corrente che scorre nel filo.

Infatti più forte è la corrente, più ampio e intenso è il campo. Quindi una proprietà importante di una corrente elettrica è che può produrre un campo magnetico, e questa proprietà dell'elettricità è usata in pratica in motori, trasformatori, relè, telefoni, ecc. Infatti, a causa di questo campo magnetico, e per induzione elettromagnetica, la differenza di potenziale in un conduttore si sviluppa a causa del tasso di variazione del campo magnetico.

e = Blv .................. (eq. 3.1)

dove e -emf in volt.

B - Webers per metro quadrato.

I - Lunghezza del conduttore in metro.

v - Velocity (moving) in metri al secondo.

L'induzione elettromagnetica può verificarsi solo fino a quando il cambiamento continua. Questo è quando questo cambiamento arresta anche l'induzione cessa immediatamente.

In effetti, ci sono due metodi chiari in cui possono essere soddisfatte le condizioni per l'induzione:

(1) Per movimento relativo tra il conduttore e il campo, o il conduttore si muove nel campo, o il campo spazia attraverso il conduttore; e / o

(2) Cambiando l'intensità del campo magnetico. Pertanto, quando un conduttore, ad esempio un pezzo di filo, viene posto in un campo magnetico variabile, viene indotta una forza elettromotrice, e in essa si sviluppa una differenza di potenziale tra le sue estremità, come spiegato nella formula 3.1.

Se un filo è collegato in un circuito, l'emf indotta guida una corrente attorno al circuito per tutto il tempo in cui il campo magnetico continua a cambiare. Il conduttore in cui viene indotta emf è ora la fonte di energia per il circuito in cui è collegato, in modo che la corrente passi da negativa a positiva lungo il conduttore mentre scorre da positivo a negativo attorno al resto del circuito.

La forza della fem indotta nel filo dipende dalla velocità con cui viene mosso attraverso il campo magnetico e dall'intensità del campo magnetico. Questo è anche spiegato dalla formula di base 3.1.

E questo significa che solo una piccola emf verrebbe indotta da un movimento lento in un campo debole, e similmente una fem più forte sarebbe indotta da un movimento veloce in un campo debole, o un movimento lento in un campo più intenso. E anche una fem ancora più forte sarebbe indotta da un movimento veloce in un campo intenso. In realtà questo principio fondamentale è il principio fondamentale dell'ingegneria elettrica.

Ora esaminiamo in modo molto semplice i due principi importanti:

(a) Principio del generatore e

(b) Principio del motore.

(a) Principio del generatore:

Un generatore è costituito da conduttori di rame avvolti su un'armatura che è ruotata all'interno di un campo magnetico, sia da una turbina a vapore o ad acqua, o da un motore a combustione interna, o da un motore elettrico.

Quando l'armatura ruota continuamente, i fili avvolti su di esso si muovono continuamente attraverso il campo magnetico e una fem viene continuamente indotta. Pertanto ogni conduttore che si muove attraverso il campo ha una fem indotta in essa proporzionale alla velocità di rotazione e all'intensità del campo.

I conduttori nell'armatura sono collegati in serie. Se si utilizzano molti conduttori, la differenza di potenziale sviluppata nell'armatura è molte volte la differenza di potenziale tra le estremità di un singolo conduttore. Pertanto, la velocità, l'intensità del campo e il numero di conduttori in serie nell'armatura sono i principali fattori che determinano la tensione erogata da un generatore.

Ora, mentre l'armatura ruota, ogni avvolgimento passa alternativamente attraverso un polo nord e un polo sud. Applicando la regola della mano destra di Fleming come mostrato in Fig. 3.2, si può vedere che la direzione della corrente indotta in un avvolgimento viene invertita ogni volta che passa attraverso un polo di polarità opposta.

Se gli avvolgimenti fossero collegati direttamente in un circuito, una corrente alternata fluirà in quel circuito, come mostrato in Fig. 3.3. Un generatore di corrente alternata è chiamato un alternatore.

In questa figura, possiamo vedere che un generatore genera naturalmente una fem in alternanza e ciascun terminale è alternativamente positivo e negativo. La frequenza dipende dalla velocità di rotazione; con il campo a due poli semplice mostrato, la frequenza è uguale al numero di giri completati dal ciclo del conduttore al secondo.

La frequenza della tensione generata dipende dalla velocità con cui i conduttori passano poli di polarità opposta. In Fig. 3.3, viene mostrato un campo a due poli, ma il campo del generatore potrebbe avere più poli.

Un campo generatore può avere un numero pari di poli; generalmente, quattro e sei e otto poli sono comuni. Per qualsiasi velocità di rotazione, i conduttori di armatura passano più frequentemente poli di polarità opposta, in proporzione al numero di poli.

Ad esempio, in una macchina bipolare, ogni conduttore passa un polo nord e uno sud per rivoluzione, mentre in una macchina a quattro poli ogni conduttore passa due poli nord e due poli sud per giro.

Per una data velocità, quindi, la corrente alternata generata da una macchina a quattro poli ha il doppio della frequenza di quella generata da una macchina a due poli; una macchina con ottavo polo ha il doppio della frequenza di una macchina a quattro poli, e così via. La frequenza è quindi determinata dalla velocità con cui viene pilotato il generatore e dal numero di poli nel campo. Questo deve sempre essere ricordato.

Generatore di corrente diretta:

Quando il generatore è tenuto a fornire una corrente continua, è necessario utilizzare un dispositivo per invertire la connessione tra l'avvolgimento e il resto del circuito ogni volta che cambia la direzione della fem indotta nell'avvolgimento. Tale dispositivo è chiamato un commutatore.

Un commutatore è un tamburo montato sull'albero degli avvolgimenti dell'indotto. La superficie del tamburo è divisa in segmenti metallici, ciascuno isolato dagli altri. Contatti fissi chiamati pennelli, collegati direttamente al circuito esterno, sopportano la superficie cilindrica del commutatore, in modo tale che ciascuno di essi entri in contatto con i segmenti metallici a turno, mentre il tamburo ruota.

L'avvolgimento dell'indotto è collegato ai segmenti del commutatore in modo tale che, indipendentemente dalla polarità della differenza di potenziale indotta nell'avvolgimento dell'indotto, la corrente fluisca nella stessa direzione attorno al circuito esterno. In Fig. 3.4 vediamo un commutatore molto semplice.

Nella figura 3.4 (a), il conduttore A si muove attraverso il polo nord e il conduttore B si muove attraverso il polo sud; pertanto la corrente scorre dai segmenti B al segmento A del commutatore, cioè dal pennello negativo al pennello positivo all'interno dell'armatura. Quando l'armatura ha ruotato di 180 ° come in Fig. 3.4 (b), il conduttore A si muove oltre il polo sud e il conduttore B si muove oltre il polo nord.

Campo generatore:

Un generatore può funzionare con un campo magnetico costante, in modo che sia possibile utilizzare sia magneti permanenti, sia avvolgimenti di campo (in cui una corrente energizzante costante produce un campo magnetico costante).

La maggior parte dei generatori utilizza avvolgimenti di campo, ma per alcuni piccoli generatori si utilizzano campi magnetici permanenti destinati a fornire solo una bassa potenza, ad esempio quelli utilizzati nei circuiti telefonici. Generatori che usano un campo magnetico permanente sono generalmente chiamati magnetos.

Alternatore di campo rotante:

In alcuni alternatori e magneti ac i ruoli delle parti rotanti e stazionarie sono invertiti, il magnete eccitato è nell'armatura (o rotore, come viene chiamata la parte rotante di una macchina a corrente alternata). Quando il rotore è guidato in tondo, il campo magnetico trascina tutti i conduttori nella parte stazionaria dello statore della macchina.

L'effetto è esattamente lo stesso come se le bobine di filo fossero ruotate nel campo magnetico come illustrato in Fig. 3.5.

(b) Principio del motore:

Dalla nostra esperienza e conoscenza teorica sapevamo che la stretta connessione tra corrente elettrica, campo magnetico e movimento non si limita alla generazione di corrente elettrica. Questo stretto collegamento dà origine anche al principio del motore, il principio su cui tutti i motori elettrici funzionano, vale a dire che consente di convertire continuamente energia elettrica in movimento.

In effetti, il principio del motore è il contrario del principio del generatore. Se un conduttore è posto in un campo magnetico, come mostrato in fig. 3.6 e la corrente scorre attraverso di esso, il conduttore tenderà a muoversi attraverso il campo magnetico.

Se il filo è montato su un indotto che è libero di ruotare, la forza che agisce sul conduttore tende a ruotare il rotore. E mentre questa azione magnetica continua ripetutamente, il rotore continua a muoversi, e questo si chiama azione motorio.

Tuttavia, un motore è costruito in un modo quasi simile a un generatore, con conduttori avvolti su un'armatura e posti all'interno di un campo magnetico. La corrente scorre attraverso l'avvolgimento dell'armatura e l'armatura ruota. Quando ciascun conduttore passa attraverso il campo magnetico, la corrente che fluisce in esso mantiene la forza ruotando l'armatura in modo tale da mantenere una coppia continua (che può essere definita forza di rotazione).

La direzione di movimento di un conduttore che porta corrente in un campo magnetico può essere mostrata dalla Regola della mano sinistra di Fleming come illustrato in Fig. 3.7. Proprio come i generatori possono fornire corrente alternata o diretta, così i motori possono essere progettati per funzionare sia da corrente alternata che da corrente continua.

(c) Induzione per cambiamento di intensità del campo:

Quando un conduttore viene tenuto fermo all'interno di un campo magnetico che sta diventando più forte o più debole, viene emesso un fem, in quel conduttore. Se il conduttore viene quindi collegato a un circuito elettrico, la corrente scorre.

L'intensità del campo di un magnete permanente è invariabile, così che nessun fem può essere indotto in un conduttore che è stazionario in tale campo. Tuttavia, l'intensità del campo magnetico prodotto da una bobina può, tuttavia, essere aumentata o diminuita modificando la forza della corrente che la scorre.

Una fem può pertanto essere indotta in un conduttore che viene posto in un campo elettromagnetico cambiando la forza della corrente che scorre nella bobina che produce il campo. La fem è quindi indotta solo quando la forza attuale sta effettivamente cambiando.

Induzione reciproca:

Se il conduttore in cui è emessa la fem è collegato in un circuito che è elettricamente indipendente dal circuito a spirale, scorre una corrente. La corrente scorre da negativa a positiva nel resto del circuito. Il processo mediante il quale la corrente può essere fatta fluire in un circuito cambiando la forza della corrente in un altro circuito viene definita induzione reciproca.

La forza dell'emf indotta dipende dalla velocità con cui cambia la corrente che produce il campo. Maggiore è la velocità di variazione, maggiore è la fem indotta La massima velocità di cambiamento possibile in un circuito in corrente continua si verifica quando l'alimentazione a una bobina viene attivata o disattivata, perché, in questi momenti, il flusso di corrente cambia quasi istantaneamente da niente al suo massimo, o dal massimo al nulla.

In tutti questi momenti un fem misurabile viene indotto in un conduttore posizionato vicino alla bobina. Ora, se una bobina è posta in un campo magnetico variabile e la fem viene indotta separatamente in ogni turno, la fem totale indotta nella bobina è maggiore di quella indotta in un singolo giro, poiché tutte le spire della bobina sono in serie. Seguendo questo principio, è possibile utilizzare una bobina con un elevato numero di spire per l'induzione di un'alta tensione.

Bobina di induzione:

L'induzione reciproca è il principio della bobina di induzione, che è un dispositivo per produrre impulsi ad altissima tensione da un'alimentazione a bassa tensione, come mostrato in Fig. 3.8. La bobina di induzione è costituita da una bobina primaria, avvolta su un nucleo in ferro dolce e collegata a un'alimentazione a bassa tensione attraverso un interruttore.

Quando l'alimentazione è collegata all'avvolgimento primario chiudendo l'interruttore, l'avvolgimento viene eccitato e viene momentaneamente indotta una tensione molto elevata nell'avvolgimento secondario. Analogamente, quando il circuito verso l'avvolgimento primario viene interrotto, anche una tensione molto elevata viene momentaneamente indotta nel secondario, ma questa volta agisce nella direzione opposta.

L'avvolgimento secondario della bobina di induzione può quindi essere realizzato per sviluppare una successione di impulsi a un potenziale molto elevato. In effetti, con questo semplicissimo principio, le scintille di accensione nei motori delle automobili sono prodotte da una bobina di induzione che funziona dalla batteria dell'auto. Il circuito primario è fatto e rotto, in tempo con la rivoluzione del motore.

Induzione reciproca mediante corrente alternata:

La forza effettiva di una corrente alternata cambia continuamente di momento in momento a causa della sua caratteristica. Il campo magnetico prodotto da una corrente alternata è quindi in continuo cambiamento. Se un conduttore è collocato all'interno del campo, un fem verrà continuamente indotto in esso.

Se il conduttore è collegato a un circuito elettrico, la corrente fluirà continuamente in quel circuito. La corrente indotta è correlata alla corrente applicata in un modo molto preciso.

Durante il primo quarto di un ciclo, la forza della corrente applicata aumenta da zero al massimo. L'intensità del campo, quindi, aumenta da zero al massimo e la fine 'A' della bobina ha polarità nord. Una fem è quindi indotta nel conduttore che tende a guidare la corrente da sinistra a destra.

La velocità di variazione dell'intensità del campo (rappresentata dalla pendenza della curva) è massima all'inizio di un ciclo e si azzera fino al punto in cui viene raggiunta la forza massima corrente. La fem indotta che dipende dalla velocità di cambiamento, è quindi al massimo all'inizio del ciclo e cade a zero alla fine del primo quarto del ciclo.

Durante il secondo quarto di un ciclo, la forza della corrente applicata diminuisce dal massimo a zero. Come nel primo trimestre, la polarità dell'estremità A della bobina è nord. Una fem è quindi indotta di nuovo nel conduttore, ma questa volta tende a guidare la corrente da destra a sinistra.

Durante questo quarto di ciclo, il tasso di variazione dell'intensità del campo inizia a zero quando il campo è più intenso e aumenta gradualmente con la diminuzione dell'intensità. La fem in conduttore quindi aumenta da zero all'inizio del secondo ciclo di quarto, fino ad un massimo alla fine del secondo ciclo di quarto.

La seconda metà del ciclo segue un modello simile alla prima metà ma con tutte le direzioni invertite. Durante il terzo quarto, il campo sale al massimo, la fine A della bobina ha polarità sud. L'emf indotta cade dal suo massimo a zero, tendendo a guidare la corrente da destra a sinistra.

Durante il quarto trimestre, l'intensità del campo scende dal massimo con l'estremità "A" della bobina con polarità sud a zero, e la fem indotta sale da zero a un massimo, con corrente che scorre da sinistra a destra.

L'emf indotta nel conduttore è quindi una fem alternata della stessa frequenza della corrente applicata. Se la corrente applicata ha una forma d'onda sinusoidale, l'emf indotta ha esattamente la stessa forma d'onda.

I picchi della fem indotta si verificano esattamente un quarto di ciclo dopo i picchi della corrente applicata, cioè in ritardo di 90 ° dietro la corrente applicata. La capacità di una corrente alternata di indurre una fem in alternanza in un circuito elettricamente indipendente attraverso un campo magnetico dà origine al principio del Transformer.

È importante notare che l'onda sinusoidale è l'unica forma d'onda riprodotta esattamente per induzione reciproca. Se alla bobina si applica una corrente alternata con un'altra forma d'onda, l'induzione reciproca avverrebbe come un processo continuo, ma la forma d'onda dell'emf indotta non assomiglierebbe a quella della corrente applicata.

Self-induzione:

Qualsiasi bobina, in cui una corrente produce un campo elettromagnetico, si trova all'interno di quel campo. Pertanto, ogni volta che la forza della corrente che scorre nella bobina cambia e determina un cambiamento nell'intensità del campo, una bobina viene indotta nella bobina stessa. Una fem viene indotta nella bobina solo quando cambia la forza attuale.

Infatti l'emf indotta si oppone sempre e ritarda il cambiamento di forza attuale che lo induce. Se e quando la corrente aumenta, la fem indotta tende ad impedire l'aumento, si oppone alla fem applicata alla bobina, ed è quindi una fem posteriore Se la corrente diminuisce, la fem indotta tende; perpetuare il flusso di corrente, essendo esercitato nella stessa direzione della fem applicata

Quando il circuito si rompe, l'improvvisa diminuzione della corrente a zero induce una grande fem che tende a mantenere la corrente che scorre dopo che si è verificata la rottura. In effetti, questo è il motivo della scintilla che vediamo quando la corrente attraversa momentaneamente tutte le lacune.

Energia in un circuito di induzione:

Il campo magnetico creato da una bobina è una riserva di energia fornita dal circuito elettrico; quando la corrente che scorre attraverso la bobina aumenta, aumenta anche l'intensità del campo magnetico.

Parte dell'energia fornita dalla batteria o dal generatore viene utilizzata per superare l'emf posteriore indotta e questa energia passa nel campo magnetico. Mentre la corrente di forza costante scorre nella bobina, il campo magnetico viene mantenuto e mantiene l'energia fornita ad esso.

Quando la corrente che scorre nella bobina viene ridotta, il campo magnetico perde intensità e cede energia. Questa energia viene restituita al circuito poiché l'emf indotta tende a perpetuare il flusso di corrente. L'effetto di questa energia restituita può essere quello di provocare una scintilla se il circuito è rotto.

La scintilla causata dal rilascio di energia da un circuito induttivo è un potenziale pericolo sotterraneo in una miniera. Se tale scintilla si verifica quando nell'atmosfera è presente una concentrazione esplosiva di smorzatori di fuoco o di polvere di carbone, è probabile che la concentrazione sia accesa e che si possa verificare facilmente un'esplosione.

Per questo motivo, ogni pezzo di equipaggiamento elettrico utilizzato nel sottosuolo deve essere progettato in modo tale da impedire l'innesco di scintille o polvere di carbone. Questi sono due metodi per superare il pericolo di scintille, e questi sono descritti nei capitoli relativi alle apparecchiature a prova di fiamma e al circuito a sicurezza intrinseca.

Induttanza:

Il processo di autoinduzione si verifica in ogni bobina, sia che si tratti di un solenoide, o di un avvolgimento secondario o di trasformatore, ogni volta che cambia la forza della corrente che scorre in essa. In ogni caso l'emf indotta ritarda il cambiamento della forza corrente che lo induce. L'effetto di qualsiasi bobina sul circuito in cui è collegato è piuttosto come l'effetto di una ruota di volata su un sistema meccanico.

Questa proprietà che una bobina ha delle modifiche ritardanti all'interno del suo circuito è chiamata induttanza. Ogni circuito ha una leggera induttanza, ma, per la maggior parte degli scopi pratici, solo l'induttanza delle bobine deve essere considerata. Un circuito contenente bobine è definito un circuito induttivo.

L'induttanza di una bobina dipende principalmente dal numero di spire che ha. Una bobina con un numero elevato di spire crea un forte campo magnetico, in modo tale che una tacca posteriore relativamente forte sia indotta in ogni turno. Poiché tutte le spire della bobina sono in serie, il totale di fem indietro indotto nella bobina è considerevole.

Una bobina di pochi giri d'altra parte può produrre solo un campo magnetico debole e la fem totale della parte posteriore è solo poche volte quella di un singolo giro, così che la sua induttanza è molto piccola. L'induttanza è anche influenzata da altri fattori come la vicinanza e la dimensione dei giri e le proprietà di qualsiasi nucleo che può avere la bobina. In generale, tuttavia, qualsiasi bobina progettata per produrre un forte campo magnetico ha un'alta induttanza.

(d) Circuito di corrente alternata e autoinduttanza:

Una corrente alternata cambia continuamente, così che in qualsiasi bobina in cui scorre una corrente alternata, la forza posteriore viene continuamente indotta. L'emf autoindotta (come una emf mutuamente indotta) è una fem in alternanza e si ritarda esattamente di 90 ° dietro le curve di corrente di induzione A e B di Fig. 3.9 (a).

All'inizio del primo quarto di un ciclo, la corrente sta aumentando più rapidamente nella direzione positiva, in modo che venga indotta una fem massima nella direzione negativa.

Quando la corrente sale al massimo, la sua velocità di cambiamento diminuisce e la fem indotta cade a zero. Nel secondo quarto di un ciclo, mentre la corrente nella direzione positiva è in diminuzione, la fem posteriore agisce anche nella direzione positiva (opponendosi al cambio di corrente, cioè tendendo a mantenere la corrente che scorre). All'aumentare della velocità di cambiamento, aumenta la fem indotta, raggiungendo un massimo nel momento in cui la corrente è effettivamente zero.

La seconda metà del ciclo è simile alla prima metà, ma con tutte le direzioni invertite. Nel terzo trimestre, gli aumenti di corrente nelle direzioni negative e nella fem indietro sono indotti nella direzione positiva. Quando il tasso di variazione della corrente diminuisce, la fem indotta cade a zero.

Nel quarto trimestre, la corrente nella direzione negativa scende a zero e la fem viene indotta in direzione negativa. All'aumentare del tasso di variazione corrente, l'emf indotta aumenta al massimo.

Comportamento corrente alternata:

Quando una tensione alternata viene applicata a un circuito induttivo e una corrente alternata scorre, due emf alternati operano nello stesso tempo nello stesso circuito, vale a dire, l'emf di alimentazione e l'emf autoindotto

In qualsiasi istante in cui le due emf operano in direzioni opposte, la forza risultante che tende a guidare la corrente attorno al circuito è la differenza tra le due emf in quell'istante. Di nuovo, in qualsiasi istante in cui le due emf operano nella stessa direzione, la fem risultante che tende a guidare la corrente attorno al circuito è la somma delle due emf in quell'istante.

Quindi quando due emf alternate aventi una forma d'onda sinusoidale operano insieme in un circuito, la fem risultante è sempre una fem alternata, anche di forma d'onda sinusoidale. Tuttavia, l'unica eccezione è quando le due emf alternate sono uguali ed esattamente in anti-fase.

Quindi non vi è alcuna emf risultante. A meno che le due emf alternate non siano esattamente in fase o in anti-fase, la fem risultante è fuori fase sia con l'emf di alimentazione che con l'emf autoindotta.

In ogni circuito, secondo la legge di Ohm, la corrente effettiva fluisce in qualsiasi istante in proporzione alla tensione effettivamente tendente a guidare la corrente attorno al circuito in quell'istante. Poiché, quando si verifica l'autoinduttanza, la tensione effettivamente tendente a guidare la corrente attorno al circuito è la risultante fem, una corrente alternata in un circuito induttivo deve essere in fase con una risultante emf alternata

È stato dimostrato che l'emf auto-indotta trattiene la corrente di induzione esattamente di 90 °, così che, di conseguenza, la fem risultante conduce la fem indotta di 90 °. Inoltre, l'emf risultante può essere in fase con l'emf di alimentazione solo se l'emf autoindotta è esattamente in fase o in anti-fase.

Dato che l'emf risultante è sfasata di 90 ° con emf autoindotta, ne consegue che l'emf risultante è necessariamente fuori fase con l'emf di alimentazione. La corrente alternata che scorre nel circuito è quindi anche sfasata con l'emf di alimentazione

Nella fig. 3.9 (b) i punti sopra sono illustrati. La risultante fem (curva) viene disegnata in fase con la corrente (curva A). L'emf autoindotta (curva B) è mostrata in ritardo di 90 ° dietro la corrente. Come si può vedere nel diagramma, i picchi del ciclo corrente si verificano dopo i picchi nel ciclo emf di alimentazione.

In ogni circuito induttivo, quindi, la corrente alternata resta indietro rispetto alla tensione alternata dell'alimentazione. La relazione tra corrente e tensione di alimentazione nel circuito può essere illustrata disegnando le curve di entrambi, usando lo stesso asse di Fig. 3.10. La quantità di cui il ritardo corrente dipende dalla quantità di induttanza e dalla quantità di resistenza nel circuito.

In qualsiasi circuito, l'aumento di induttanza o diminuzione della resistenza aumenta il ritardo corrente. Al contrario, la diminuzione dell'induttanza o l'aumento della resistenza diminuisce il ritardo attuale. Nell'estremo caso teorico di circuito che contiene pura induttanza, e nessuna resistenza, la corrente sarebbe ritardata esattamente di un quarto di ciclo che è di 90 ° dietro la tensione di alimentazione, come mostrato in Fig. 30.10 (b).

In ogni circuito pratico, tuttavia, c'è sempre qualche resistenza (almeno la resistenza dei conduttori) in modo che la corrente sia sempre inferiore a 90 ° come spiegato in Fig. 3.10 (c).

Reattanza:

Quando un'alimentazione a corrente alternata è collegata a un circuito induttivo, il valore efficace della corrente che scorre è limitato, indipendentemente da qualsiasi resistenza, dal processo di autoinduzione che si verifica. In teoria è possibile ipotizzare che possa esistere un circuito che non ha resistenza ma solo induttanza.

Se a tale circuito venisse applicata una differenza di potenziale in cc, non vi sarebbe limite alla forza della corrente continua che fluirebbe. Dal primo principio dell'elettricità, sappiamo che,

Corrente = Tensione / Resistenza,

ma poiché resistenza = 0 Ohm,

Corrente = Tensione / 0 o infinito.

Se fosse collegata un'alimentazione a corrente alternata, la corrente sarebbe limitata dall'emf autoindotta. La corrente è in ritardo esattamente di 90 ° rispetto alla tensione applicata e l'emf indotta è esattamente in anti-fase con la tensione applicata.

L'emf indotta non può mai essere maggiore della tensione applicata, altrimenti la corrente di induzione non potrebbe fluire. La dimensione della fem indotta in ogni momento del ciclo dipende dalla velocità di cambiamento della corrente in quel momento. Poiché l'emf indotta è limitata, la velocità di variazione della corrente è limitata e anche i valori massimi e efficaci della corrente sono limitati.

Ora, la forza effettiva della corrente che scorre nel circuito dipende da

(a) l'induttanza del circuito; e sappiamo che, maggiore è l'induttanza, maggiore è l'emf indotta per ogni dato tasso di cambiamento di corrente, e

(b) frequenza; e sappiamo anche che, maggiore è la frequenza, maggiore è la velocità di cambiamento richiesta all'interno del ciclo per un dato valore efficace.

Fig. 3.11 illustra le dichiarazioni di cui sopra. La proprietà che una bobina (o un circuito di induttanza nel suo insieme) ha di limitare la forza di una corrente alternata che scorre in esso è chiamata la sua reattanza.

Impedenza:

Qualsiasi circuito pratico contenente una bobina ha resistenza e reattanza, e il valore di una corrente alternata che scorre nel circuito è determinato dall'effetto combinato delle due proprietà. Questo effetto combinato è definito impedenza.

Una bobina, per esempio, può essere costruita in modo da avere un'alta induttanza, ma una resistenza molto bassa. Se poi, viene applicato un potenziale in corrente continua di dire 100 volt, attraversa una forte corrente continua.

Se invece viene applicata una tensione alternata di 100 volt rms, la reattanza della bobina limiterà la corrente alternata a un valore molto basso. Il circuito ha quindi un'alta impedenza. Un circuito che contiene un'alta resistenza e solo una piccola quantità di induttanza consentirà anche a una piccola corrente alternata di fluire, e ugualmente ha un'alta impedenza.

Sebbene l'impedenza di un circuito come la reattanza da sola varia con la frequenza dell'alimentazione alternata, per ogni data frequenza, l'impedenza è correlata alla differenza di corrente e potenziale esattamente nello stesso modo della sola resistenza, cioè

Dal momento che queste formule sono esattamente come quelle stabilite da Ohms Law, l'impedenza è misurata in ohm. In effetti, questi sono i principi di base che saranno sempre essenziali per risolvere qualsiasi problema applicativo di ingegneria elettrica.

Capacità:

Un condensatore o condensatore è un componente elettrico progettato per mantenere una specifica carica elettrica. I condensatori sono utilizzati nei circuiti elettrici per molti scopi. Nelle miniere e nelle industrie questi sono più comunemente usati per la correzione del fattore di potenza e la sicurezza intrinseca.

Infatti, un semplice condensatore è costituito da due piastre metalliche tenute vicine tra loro ma isolate l'una dall'altra come mostrato nella figura 3.12 (a). I materiali isolanti che separano le piastre sono noti come dielettrici.

Se una batteria dovesse essere collegata attraverso le due piastre, come mostrato in Fig. 3.12 (b), la piastra collegata al positivo della batteria accetterebbe una carica positiva, mentre la piastra collegata al negativo della batteria accetterebbe una carica negativa.

Quando ogni piastra viene caricata, viene creata una differenza di potenziale tra le due piastre che non può essere ridotta a causa dell'isolamento tra di loro. Ma quando è completamente carica, la differenza di potenziale tra le due piastre è uguale alla differenza di potenziale sui terminali della batteria.

Unità di capacità:

La capacità può essere misurata e l'unità di base è il farad. Un oggetto ha una capacità di un farad se richiede un flusso di corrente di un ampere per un secondo per cambiare il suo potenziale di un volt.

L'unità di base della capacità è, tuttavia, troppo grande per le misurazioni pratiche, poiché nessuno ha mai costruito un oggetto con una capacità superiore a una piccola frazione di un farad. Infatti è stato calcolato che se una sfera di metallo fosse fatta con una capacità di un farad, sarebbe molte volte più grande della terra stessa.

Le unità di capacità utilizzate per scopi pratici sono il microfarad, che equivale a una milionesima parte di un farad; e il Pico Farad, (o micro microfarad), che equivale a una milionesima parte di un microfarad. Tuttavia sappiamo che quando un conduttore riceve una carica da una fonte di approvvigionamento, il flusso di corrente indica che l'energia è stata trasferita nel produrre la carica.

Finché il conduttore mantiene la carica statica, può essere considerato come una forte energia elettrica. L'energia viene dissipata quando il conduttore scarica. La proprietà di essere in grado di accettare e mantenere una carica statica è definita capacità.

Capacità di un condensatore:

La capacità di un condensatore è molte volte maggiore della capacità delle piastre come oggetti isolati. Questo grande aumento di capacità è determinato dall'effetto che le due placche cariche hanno l'una sull'altra. Ora vediamo cosa succede quando il condensatore inizia a caricarsi, una lastra acquisisce una carica negativa, mentre l'altra acquisisce una carica positiva.

La piastra caricata positivamente tende ad attrarre un'ulteriore carica negativa alla superficie opposta della piastra negativa, e analogamente, la piastra caricata negativamente tende ad attrarre un'ulteriore carica positiva alla piastra positiva. L'effetto è che la corrente continua a fluire mentre le cariche si concentrano o condensano (infatti, il condensatore del nome è dovuto alla condensazione di carica) l'una di fronte all'altra sulle superfici delle piastre.

La concentrazione delle cariche opposte in questo modo è chiamata induzione elettrostatica. Il suo effetto è quello di opporsi alla creazione di una potenziale differenza tra le piastre, perché le cariche disegnate sulle lastre tendono a neutralizzarsi a vicenda.

Pertanto, quando un condensatore viene caricato, la maggior parte della carica fornita alle piastre viene aspirata sulle facce opposte dove viene neutralizzata, e solo una piccolissima proporzione è disponibile per creare la differenza di potenziale tra le piastre.

Quindi una grande quantità di carica deve essere fornita alle piastre del condensatore per produrre una piccola differenza di potenziale tra le piastre, cioè la capacità del condensatore è grande.

Un condensatore avente una capacità di 10 microfarad è facilmente costruito, le cui piastre, quando sono separate, hanno una capacità che è incommensurabilmente piccola. In effetti, la capacità effettiva di un condensatore dipende da una serie di fattori.

I fattori più importanti sono:

(i) Area totale delle piastre:

Poiché le cariche neutralizzate nel condensatore si concentrano sulle facce opposte delle piastre, la quantità di carica che può essere assorbita e neutralizzata dipende dall'area della superficie che è direttamente l'una di fronte all'altra.

The greater this area, the greater is the capacitance of the condenser. In practice, large plate areas are accommodated by rolling the plates into a coil, by building up banks of plates, alternately positive and negative.

(ii) Distance between plates:

The force of electrostatic induction exerted between the plates increases as they are brought closer together. The nearer the plates, therefore, the greater is the amount of charge which can be concentrated on their surfaces and neutralized, and the larger is the capacitance of the condenser.

The dielectric between the plates must be thick and electrically strong enough to withstand the voltage applied across it, otherwise the whole thing will fail much, much earlier.

(iii) Property of the Dielectric:

A simple condenser, such as that illustrated in Fig. 3.12(a), may have air as its dielectric. Some solid dielectrics, such as mica, waxed paper, or insulating oil give a condenser of similar dimensions a greater capacitance. The reason for this is that the charge on the plates tends to induce charges on the surface of the dielectric with which they are in contact.

The surface of the dielectric in contact with the positive plate acquires a negative charge and vice-versa. The charges on the surfaces of the dielectric, therefore, act as an additional neutralizing force against charge on the surfaces of the plates, so that the condenser must absorb still more charge to establish a given potential difference between the plates.

(e) Condensers in Direct Current Circuit:

Since there is no electrical connection between the plates of a condenser, a direct current circuit cannot be completed through it. If a condenser is connected across a battery in series with a lamp, no circuit is completed, and the lamp will not operate. However, if the condenser is not charged when the connections are made, a current will flow in the conductors until the condenser is charged.

If the charging current were strong enough, the lamp would flash on momentarily. Although no current flows through the dielectric of the condenser, for the brief period while the condenser is charging, current flows as though a circuit were completed through it. The strength of the current is greatest at the moment when the battery is first connected, but it rapidly falls off as the charge on the condenser builds up.

When the full potential difference between the plates is achieved, the flow of current ceases. The flow of current indicates that the battery has supplied electrical energy to the condenser. This energy is now stored in the charge. If the battery is disconnected, the condenser remains charged and retains its store of electrical energy.

If a connection is now made between the two plates, a current flows from the positively charged plate to the negatively charged plate until the condenser is discharged, and the two plates are at the same potential. This flow of current is again greatest when the connection is first made and rapidly falls off as the potential difference decreases.

Condenser and ac Circuit:

The effect of condenser on an alternating current circuit is quite different from its effect on a direct current circuit. Please look into the Fig. 3.13. The polarity of the alternating current supply is continually reversed, so that the condenser cannot retain a static charge, as it does in a direct current circuit.

When the alternating current supply is first connected, the first cycle begins by boiling up a potential difference across the plates of the condenser. As when a direct current source is first connected, a current flows momentarily and rapidly falls off as the voltage between the plates rises. At the end of a quarter of a cycle, the voltage has reached a peak, and the current has stopped flowing.

During the second quarter of the cycle, the voltage of the supply is decreasing. When the voltage of the supply has fallen to a lower value than the potential difference between the plates of the condenser, the condenser begins to discharge.

As the condenser discharges, current begins to flow in the opposite direction to that of initial current. Since the voltage of the supply still opposes the discharging current, the discharge current is at first very small: It reaches a maximum value only when the supply voltage is at zero.

Then, when the second half begins, current continues flowing in the same direction and the condenser begins to charge with a reverse polarity. At the end of the third quarter cycle, voltage again reaches a peak and current ceases to flow. During the fourth quarter of the cycle, the condenser begins to discharge again, the discharge current flowing in the same direction as the first charging current.

When an alternating supply is connected to a condenser, an alternating current actually flows in the conductors connecting the source of supply to the plates of the condenser. Although no current actually flows through the dielectric between the plates, the circuit behaves as though it were complete, and, for practical purposes, a condenser may be regarded as allowing an alternating current to flow through it.

Now again from Fig. 3.13 we can show that an alternating current circuit cycle would occur when the voltage is at zero, and vice versa. The current cycle therefore leads the voltage cycle by 90°.

However as we know that any practical circuit necessarily contains some resistance as well as capacitance, the current never actually leads the voltage by a full 90°. The actual amount by which the current cycle leads the voltage cycle depends upon how much resistance and how much capacitance the circuit contains. The vector diagram in Fig. 3.13 explains the above statements vectorially.

Capacitance Reaction and Impedances:

When an alternating voltage is applied across a condenser, the strength of the alternating current which flows is determined by the capacitances of the condenser. For any given voltage a condenser of a large capacitance absorbs a large amount of charge, so that a heavy current flows.

But a condenser of small capacitance absorbs a small amount of charge, so that only a small current flows. The property which a condenser has of limiting alternating current is called capacitive reactance.

The capacitance and resistance of a circuit together offer an impedance to the passage of alternating current. As with inductive impedance, for any given frequency, capacitive impedance is related to alternating voltage and current in exactly the same way as pure resistance. Impedance is therefore also measured is ohms.

The impedance of a capacitive circuit varies with frequency of the alternating supply. The higher the frequency of the supply, the lower is the impedance of circuit. When the frequency of the supply is increased, the rate at which the condenser must be charged during each half cycle is also increased so that a heavier current must flow.

Unless otherwise stated, the impedance of capacitive circuit is always measured at 50 c/s, USA (and the countries influenced by USA system) has their frequency as 60 cycles per second.

Comparison of Capacitance & Inductance:

The effect of a condenser on an alternating current circuit is in many ways the reverse of the effect of a coil.

The effect of capacitance and inductance are compared as below:

Capacitance of Circuit Conductor:

Every electrical circuit has a certain amount of capacitance irrespective of whether a condenser is connected into it. It is not usually possible to calculate what the capacitance of a circuit will be, and the capacitance of many circuits is too small to be measured, but the capacitance of a power circuit may be large enough to present a danger if its effects are not guarded against.

Therefore it is always advisable to discharge the power circuits to earth ever after they are switched off, before working on the line.

The cable conductors, switchgear connections, and motor windings of, for example, a coalface circuit contains a considerable amount of metal connected together. This mass of metal has, of itself, a certain capacity for retaining a charge of electricity.

It is, however, surrounded by the earth screen of the cable and the metal casings of the motor and switchgear. The casing and the conductors together act as a condenser, so that the capacitance of the metal parts of the circuit is greatly increased.

Now when the supply is switched off from the motor after it has been working, the metal parts of the circuit could retain a charge of electricity for a time even though the current is not flowing. The electrical energy contained in the charge would be very little compared with the energy carried by the system when working, but it could be sufficient to give anyone touching a conductor in the circuit a severe shock.

Further, the accidental discharge of the conductor when exposed could cause a spark which might ignite any fire damp present in the atmosphere. It is, therefore, possible to receive a severe shock or produce an incendive spark from a conductor even though the conductor is isolated from the source of supply.

In order to eliminate the danger of shock or sparking from a charged conductor, isolator switches are usually provided with an 'earth' position which enables all the conductors isolated by the switch to be connected directly to earth, so that they can be discharged.

It is therefore must, and important when working on any high or medium voltage electrical equipment, to ensure that any conductor to be exposed have been both isolated and discharged before any cover is removed. Conductors should be connected directly to earth for at least one minute in order to ensure that these are fully discharged.

Electrical Engineering: Effect # 2. Heating Effect of Electric Current:

Whenever an electric current flows it meets with resistances. If the current is flowing in a good conductor, such as copper, the resistance is very slight, but some other materials which conduct electricity offer much more resistance. Whenever an electromotive force drives a current round an electric circuit, energy is expended in overcoming the resistance in the circuit.

The electrical energy expended is given out in the form of heat. The amount of heat produced at any point in an electric circuit depends upon the resistance of the material of which the circuit is made at that point, and upon the strength of the current flowing.

Some heat is produced at every point of every circuit in which current is flowing, but throughout most of the circuit, eg the cables, the amount of heat produced is normally very small and is readily dispersed.

Some parts of a circuit have higher resistance than the rest and, in these parts, more heat is- produced. For that reason, electric motors, generators, transformers and other equipment, have to be cooled while in operation.

Similarly, a bad connection in a circuit eg a poorly made plug, offers a higher resistance, and excessive heat may be produced at that point. The heating could be sufficient to damage the equipment and possibly start a fire.

However, the heating of an electric current is used in electric light bulbs and electric fires. In an electric light bulb current passing through a fine wire produces sufficient heat to raise the temperature wire very high so that it glows brilliantly. This useful aspect of electricity is explained and illustrated in the chapter dealing with Electric Lighting.

Electrical Engineering: Effect # 3. Chemical Effect:

Some liquids also conduct electricity, but when they do so, some chemical reactions occurs. Fig. 3.14 illustrates how such liquids conduct electricity.

A potential difference is applied across the liquid by connecting a source of energy to two solid conductors (called electrodes) immersed in the liquid. The positive electrode is called the anode and the negative electrode is called the cathode. The liquid is called the electrolyte, and the process by which a liquid conducts electricity is called electrolysis.

Most conducting liquids consist of a solution of solid (eg washing soda, or copper sulphate) or liquid (eg sulphuric acid) in water. When the substance dissolves it splits chemically into two electrically charged parts, called ions.

One ion consists of positively charged particles whilst the other consists of negatively charged particles. In its normal state, the solution is electrically neutral, because the negatively and positively charged ions completely neutralize one another.

When a potential difference exists between the electrodes, the positively charged ions (cations) are attracted towards the cathode and the negatively charged ions (anions) are attracted towards the anode. In this way, a two way flow of ions is set up in the liquid. This movement of ions constitutes the passage of current through the liquid.

When the ions reach the electrodes they lose their electric charge and are released, either as a gas, or as a coating on the electrode. Some ions, however, are incapable of existing independently as substances, and they therefore combine chemically with the material of the electrode.

Un esempio dell'uso dell'effetto chimico di una corrente elettrica è l'elettroplaccatura del rame. Un anodo di rame viene immerso in una soluzione di solfato di rame. Qualsiasi oggetto metallico immerso in questa soluzione quando il catodo diventa placcato con rame quando una corrente fluisce attraverso la soluzione. Il solfato di rame viene scisso chimicamente in uno ione rame (positivo) e un solfuro negativo (la parte solfata del solfato di rame).

Il rame viene attratto e depositato sui catodi, i solfiti vengono attratti dall'anodo dove si combina con il rame, il solfato di rame ricreato. L'effetto complessivo è che il rame viene trasferito dall'anodo al catodo, l'elettrolito, infatti, rimane invariato.

L'effetto chimico di una corrente elettrica si incontra frequentemente nelle miniere di carbone, dove l'elettrolisi causa la corrosione degli apparati elettrici, ad esempio l'armatura dei cavi.

Acqua acida di miniera proveniente dall'elettrolita e, in caso di leggera corrente dispersa che fuoriesce a terra dall'apparecchio, avviene un'azione chimica tra l'acqua e il metallo dell'attrezzatura. Si osserva inoltre che il processo di elettrolisi può essere invertito.

Un'azione chimica tra un elettrolito e due elettrodi può produrre una corrente elettrica. La generazione di elettricità per azione chimica è il principio della batteria, che è stato anche spiegato e illustrato nel capitolo sulle batterie.

Gas conduttori:

Gas e vapori, come i liquidi, conducono anche l'elettricità con un flusso bidirezionale di ioni. Neon è un esempio di gas conduttore, i vapori che conducono l'elettricità includono vapore di mercurio e vapore di sodio. Il gas o il vapore è solitamente contenuto in un involucro, come un tubo di vetro, dal quale l'aria è stata prima scaricata.

Due elettrodi, un anodo e un catodo, sono sigillati nel contenitore. Quando viene applicata una differenza di potenziale sufficiente attraverso gli elettrodi, il gas viene ionizzato e gli ioni positivi e negativi vengono attratti rispettivamente dal catodo e dall'anodo, in modo che il gas inizi a condurre.

Il flusso bidirezionale di ioni fa sì che alcuni gas e vapori emettano un bagliore brillante mentre conducono. Tuttavia, per ciascun gas o vapore, esiste una certa tensione minima che deve essere applicata attraverso gli elettrodi prima che inizi la ionizzazione.

Al di sotto di questa tensione, non vengono prodotti ioni e il gas non conduce affatto. La tensione minima a cui un gas o un vapore condurrà è chiamata la sua tensione d'urto. Gas e vapori conduttivi vengono utilizzati in alcuni tipi di illuminazione e per una forma di raddrizzatore. Alcune applicazioni dei gas conduttori nell'industria sono riportate nel capitolo sull'illuminazione elettrica.