Efectele curentului electric

Se studiază efectele termice, magnetice și chimice ale curentului electric și aplicațiile lor.

Efectul termic al curentului electric

Curentul electric nu se vede, dar se recunoaște după ce face. Primul dintre efectele lui este cel termic: orice conductor parcurs de curent electric se încălzește.

Explicația: electronii care se deplasează prin conductor se ciocnesc de particulele materialului și le transmit din energia lor, mărindu-le agitația termică. Cu cât rezistența conductorului este mai mare și curentul mai intens, cu atât încălzirea este mai puternică.

Cantitatea de căldură degajată este dată de legea lui Joule:

• Q = R · I² · t

Observă că intensitatea intră la pătrat: dacă dublezi curentul, căldura degajată devine de patru ori mai mare. De aceea un scurtcircuit, în care intensitatea crește necontrolat, aprinde firele în câteva secunde.

Efectul termic poate fi util sau nedorit, în funcție de scop:

• util: reșoul, fierul de călcat, uscătorul de păr, aeroterma, cuptorul electric, becul cu incandescență, siguranța fuzibilă. Toate au un rezistor din material cu rezistivitate mare — de obicei nichelină, iar la becuri, wolfram, care rezistă la temperaturi de peste 2000 °C;
• nedorit: încălzirea cablurilor de alimentare, a motoarelor și a componentelor electronice, care înseamnă energie irosită și risc de defectare. De aceea calculatoarele au ventilatoare și radiatoare.

Un detaliu care explică multe: firele de legătură sunt din cupru, un material cu rezistivitate mică, tocmai ca să se încălzească puțin, în timp ce rezistorul din aparat, cu rezistivitate mare, concentrează încălzirea acolo unde este dorită.

Efectul magnetic al curentului electric

În 1820, fizicianul danez Hans Christian Oersted a observat, într-o experiență devenită celebră, că acul unei busole așezate lângă un conductor deviază atunci când prin conductor trece curent electric. Concluzia a schimbat fizica: în jurul oricărui conductor parcurs de curent electric apare un câmp magnetic.

Acesta este efectul magnetic al curentului electric. Câteva observații experimentale:

• când curentul se întrerupe, câmpul magnetic dispare;
• când sensul curentului se schimbă, acul busolei deviază în sens invers;
• cu cât intensitatea curentului este mai mare, cu atât devierea este mai puternică.

Electromagnetul este aplicația principală: o bobină (fir izolat înfășurat în spire) cu un miez de fier moale în interior. Câmpul magnetic al bobinei este mult amplificat de miez.

Avantajul lui față de un magnet permanent este decisiv: poate fi pornit și oprit, iar puterea lui poate fi reglată. Câmpul electromagnetului este cu atât mai puternic cu cât:

• intensitatea curentului este mai mare;
• numărul de spire este mai mare;
• miezul este din fier moale, nu din aer.

Aplicații: soneria electrică, releul, macaraua electromagnetică din depozitele de fier vechi, difuzorul, motorul electric, cititorul de bandă magnetică.

O precizare de reținut: se folosește fier moale, nu oțel, pentru că fierul moale își pierde magnetismul imediat ce curentul se întrerupe. Oțelul l-ar păstra, iar macaraua nu ar mai putea lăsa jos încărcătura.

Efectul chimic al curentului electric

Al treilea efect apare doar în anumite medii. Dacă introduci doi electrozi legați la o sursă într-o soluție de sare, acid sau bază, la electrozi se produc transformări chimice: se depune substanță, se degajă gaze, soluția își schimbă compoziția.

Acesta este efectul chimic, iar fenomenul se numește electroliză.

De ce apare doar aici? Pentru că în soluții purtătorii de sarcină nu sunt electronii liberi, ca în metale, ci ionii — atomi sau grupuri de atomi încărcate electric. Ionii se deplasează spre electrozi și, ajunși acolo, reacționează:

• catodul este electrodul legat la borna negativă; spre el merg ionii pozitivi (cationii);
• anodul este electrodul legat la borna pozitivă; spre el merg ionii negativi (anionii).

Exemplul cel mai simplu: prin electroliza apei acidulate se degajă hidrogen la catod și oxigen la anod.

Deosebirea esențială față de celelalte două efecte, cerută frecvent: efectul termic și cel magnetic apar întotdeauna, în orice conductor parcurs de curent; efectul chimic apare numai în soluții de electroliți și în topituri, nu și în metale.

Aplicații practice ale electrolizei:

• galvanizarea — acoperirea unui obiect metalic cu un strat subțire de alt metal: nichelare, cromare, argintare, aurire, pentru protecție împotriva ruginii sau pentru aspect;
• rafinarea metalelor — obținerea cuprului de puritate foarte mare pentru cabluri electrice;
• obținerea aluminiului din bauxită, un procedeu care consumă enorm de multă energie electrică;
• acumulatorul de mașină, care funcționează pe reacții chimice reversibile.

Puterea și energia electrică

Fiecare aparat electric transformă energia electrică în altă formă: căldură, lumină, mișcare, sunet. Cât de repede face asta arată puterea electrică.

• P = U · I
• unitatea de măsură: wattul (W)

Combinând cu legea lui Ohm, obții și celelalte două forme, utile în probleme: P = R · I² și P = U² / R.

Pe eticheta oricărui aparat sunt trecute tensiunea nominală și puterea nominală — de exemplu 230 V, 2000 W pentru o aerotermă. Aceste valori spun în ce condiții este proiectat aparatul să funcționeze.

Energia electrică consumată într-un interval de timp este:

• W = P · t

În Sistemul Internațional, energia se măsoară în joule (J), dar în practică furnizorii folosesc kilowattul-oră (kWh), adică energia consumată de un aparat de 1 kW funcționând o oră. Relația: 1 kWh = 3 600 000 J.

Aceasta este mărimea pentru care plătești pe factura de curent — nu puterea, ci energia. Distincția este chiar miezul capitolului: puterea (W, kW) arată cât de repede consumi, energia (J, kWh) arată cât ai consumat în total.

Exemplu complet: un calorifer electric de 2000 W funcționează 3 ore pe zi. Consumul zilnic este W = 2 kW · 3 h = 6 kWh. Într-o lună de 30 de zile: 180 kWh.

De aici se înțelege și de ce becurile LED sunt avantajoase: un LED de 8 W produce cam aceeași lumină ca un bec cu incandescență de 60 W. Becul clasic transformă în lumină doar o mică parte din energie, restul se pierde prin efect termic — de aceea se încinge atât de tare.

Siguranțe și norme de protecție

Curentul electric este util, dar periculos. Două riscuri trebuie deosebite: incendiul (prin efect termic, când firele se supraîncălzesc) și electrocutarea (când curentul trece prin corpul uman).

Siguranța fuzibilă este un fir subțire dintr-un aliaj cu temperatură de topire joasă, montat în serie pe circuit. Când intensitatea depășește valoarea admisă, firul se topește și întrerupe circuitul, protejând instalația. Este o aplicație directă a efectului termic. În instalațiile moderne, rolul ei îl are siguranța automată (disjunctorul), care poate fi rearmată.

Regula pe care mulți o încalcă acasă: siguranța arsă nu se înlocuiește niciodată cu sârmă și nu se pune una de amperaj mai mare. Astfel ai eliminat exact protecția care ar fi împiedicat incendiul.

De ce este periculos curentul pentru om: corpul uman este conductor, mai ales când pielea este umedă. Efectele depind de intensitate, nu de tensiune în sine — de la aproximativ 10 mA apar contracții musculare care împiedică desprinderea, iar peste 50 mA apar tulburări grave ale ritmului cardiac.

Norme de protecție de reținut:

• nu atinge aparate electrice sau întrerupătoare cu mâinile ude și nu le folosi în baie lângă apă;
• nu introduce obiecte metalice în priză și nu umbla la instalații sub tensiune;
• nu folosi aparate cu cabluri deteriorate sau prize sparte;
• nu supraîncărca o priză cu multe prelungitoare — cablurile se supraîncălzesc;
• oprește alimentarea de la tablou înainte de orice intervenție;
• nu te apropia de conductoarele căzute ale rețelei și de stațiile de transformare;
• la accidentare, întrerupe întâi curentul și abia apoi atinge victima, altfel devii și tu parte din circuit.

Împământarea completează protecția: leagă carcasa metalică a aparatelor la pământ, astfel încât un eventual curent de defect să se scurgă în sol, nu prin corpul celui care atinge aparatul.

Test — 6 întrebări ca la examen