Fenomene electrice

Elevii iau contact cu noțiunile de bază ale electrostaticii și ale curentului electric continuu.

Electrizarea corpurilor și sarcina electrică

Freacă un pix de plastic de o bluză de lână și apropie-l de bucățele mici de hârtie: hârtia sare pe pix. Corpul a fost electrizat.

Cauza stă în structura atomului: în jurul nucleului se află electroni, particule cu sarcină electrică negativă, dintre care unii se pot desprinde și trece de la un corp la altul. Nucleul, cu protonii lui pozitivi, rămâne pe loc.

• un corp care primește electroni se încarcă negativ;
• un corp care cedează electroni se încarcă pozitiv.

De reținut ferm: la electrizare se deplasează electronii, niciodată protonii. Un corp încărcat pozitiv nu a primit sarcini pozitive, ci a pierdut electroni.

Sarcina electrică se notează cu Q și se măsoară în coulombi (C).

Regula fundamentală, verificabilă cu două baloane frecate de păr: corpurile încărcate cu sarcini de același fel se resping, iar cele cu sarcini de semne contrare se atrag. Cu cât sarcinile sunt mai mari și corpurile mai apropiate, cu atât forța dintre ele este mai mare — aceasta este, calitativ, legea lui Coulomb.

Cele trei metode de electrizare:

• prin frecare — două corpuri din materiale diferite se freacă, iar electronii trec de la unul la altul (pixul cu lâna, balonul cu părul);
• prin contact — un corp electrizat atinge un corp neutru și îi cedează o parte din sarcină; corpul atins capătă sarcină de același semn;
• prin influență (inducție) — un corp electrizat se apropie fără să atingă, iar sarcinile din corpul neutru se rearanjează: cele de semn contrar vin spre corpul apropiat, iar cele de același semn se depărtează.

După comportarea față de sarcini, corpurile se împart în conductoare (metalele, apa cu săruri, corpul uman), în care electronii se pot deplasa liber, și izolatoare (plasticul, sticla, cauciucul, lemnul uscat), în care nu se pot deplasa.

Curentul electric și circuitul electric

Curentul electric este mișcarea ordonată a purtătorilor de sarcină electrică. În metale, purtătorii sunt electronii liberi; în soluții de săruri, acizi sau baze, purtătorii sunt ionii.

Ca să existe curent electric printr-un conductor sunt necesare două condiții: un circuit închis și o sursă de tensiune care să întrețină mișcarea.

Un circuit electric simplu are patru elemente:

• sursa (baterie, acumulator, generator) — menține tensiunea;
• consumatorul (receptorul) — bec, rezistor, motoraș — transformă energia electrică în altă formă;
• conductoarele de legătură — firele;
• întrerupătorul — deschide sau închide circuitul.

Atenție la o convenție care produce confuzii: sensul convențional al curentului este, prin înțelegere istorică, de la borna plus către borna minus prin exteriorul sursei, în timp ce electronii se deplasează, în realitate, invers. La examen se folosește sensul convențional.

Schemele electrice se desenează cu simboluri standardizate pentru sursă, bec, rezistor, întrerupător, ampermetru și voltmetru — recunoașterea lor este cerută frecvent la itemi.

Două situații care trebuie deosebite:

• circuit deschis — întrerupătorul e oprit sau un fir e desprins; curentul nu circulă deloc;
• scurtcircuit — cele două borne ale sursei sunt legate direct printr-un fir, fără consumator; intensitatea devine periculos de mare, firele se încălzesc puternic și pot provoca incendii. De asta există siguranțe.

Intensitatea curentului și tensiunea electrică

Două mărimi descriu ce se întâmplă într-un circuit, iar deosebirea dintre ele este cea mai importantă din capitol.

Intensitatea curentului electric (I) arată câtă sarcină electrică trece prin secțiunea conductorului într-o secundă.

• I = Q / t
• unitatea de măsură: amperul (A); 1 A = 1 C/s
• se măsoară cu ampermetrul, care se leagă în serie cu consumatorul, adică pe traseul curentului

Tensiunea electrică (U) arată cât de mult „împinge” sursa purtătorii de sarcină, adică energia transferată de sursă unității de sarcină.

• unitatea de măsură: voltul (V)
• se măsoară cu voltmetrul, care se leagă în paralel cu consumatorul, adică la bornele lui

Modul de conectare a aparatelor este un item clasic, iar motivul este logic: ampermetrul trebuie să „numere” sarcinile care trec, deci curentul trebuie să treacă prin el; voltmetrul trebuie să compare două puncte, deci se leagă între ele.

O analogie utilă: gândește-te la un circuit ca la o instalație de apă. Tensiunea seamănă cu presiunea pompei, intensitatea cu debitul de apă prin țeavă, iar rezistența cu îngustimea țevii.

Submultiplii apar constant în probleme: 1 mA = 0,001 A, 1 mV = 0,001 V; multiplii: 1 kV = 1000 V.

Valori de reținut din viața de zi cu zi: o baterie obișnuită are 1,5 V, o baterie de telefon circa 3,7 V, o baterie de mașină 12 V, iar priza din locuință 230 V. Curentul de peste circa 10 mA prin corpul uman devine periculos, iar peste 50 mA poate fi mortal — de aceea nu se ating niciodată aparate electrice cu mâinile ude.

Rezistența electrică și legea lui Ohm

Purtătorii de sarcină nu circulă liber prin conductor: se ciocnesc de particulele materialului. Mărimea care măsoară această opoziție se numește rezistență electrică.

• se notează cu R
• unitatea de măsură: ohmul (Ω)

Rezistența unui conductor depinde de trei factori, cerere frecventă la itemi:

• lungimea — cu cât firul este mai lung, cu atât rezistența e mai mare (direct proporțional);
• grosimea (aria secțiunii) — cu cât firul este mai gros, cu atât rezistența e mai mică (invers proporțional);
• materialul — fiecare substanță are propria rezistivitate; argintul și cuprul conduc foarte bine, nichelina și constantanul mult mai slab.

Rezistența crește și cu temperatura, la metale.

Legea lui Ohm pentru o porțiune de circuit, enunț: intensitatea curentului printr-un conductor este direct proporțională cu tensiunea aplicată la capetele lui și invers proporțională cu rezistența conductorului.

• I = U / R, de unde U = I · R și R = U / I

Exemplu: la bornele unui rezistor de 20 Ω se aplică o tensiune de 60 V. Intensitatea este I = 60 / 20 = 3 A.

Definiția unității, cerută uneori direct: 1 ohm este rezistența unui conductor prin care, la o tensiune de 1 V, trece un curent de 1 A.

Două precizări care aduc puncte:

• rezistența nu depinde de tensiunea aplicată sau de curentul care trece; ea este o proprietate a conductorului. Raportul U/I rămâne constant, iar asta se verifică experimental;
• rezistorul este componenta, iar rezistența este mărimea fizică — nu confunda obiectul cu proprietatea lui.

Gruparea consumatorilor: serie și paralel

Doi sau mai mulți consumatori se pot lega în circuit în două moduri fundamentale.

Gruparea în serie — consumatorii sunt așezați unul după altul, pe un traseu unic:

• intensitatea este aceeași prin toți: I = I₁ = I₂;
• tensiunile se adună: U = U₁ + U₂;
• rezistențele se adună: R_s = R₁ + R₂;
• dacă un consumator se arde, circuitul se întrerupe și toate celelalte se sting. Așa erau vechile ghirlande de brad, la care un singur bec ars stingea tot șirul.

Gruparea în paralel — consumatorii sunt legați între aceleași două puncte, fiecare pe ramura lui:

• tensiunea este aceeași pe toți: U = U₁ = U₂;
• intensitățile se adună: I = I₁ + I₂;
• rezistența echivalentă se calculează din 1/R_p = 1/R₁ + 1/R₂, iar pentru două rezistoare se poate scrie direct R_p = R₁·R₂/(R₁+R₂);
• dacă un consumator se arde, celelalte funcționează mai departe, pentru că fiecare are propriul traseu.

Din acest motiv instalația electrică a unei locuințe este legată în paralel: fiecare bec și fiecare priză primesc aceeași tensiune de 230 V și pot fi folosite independent.

Rezultatul care surprinde cel mai des: rezistența echivalentă a grupării în paralel este mai mică decât fiecare rezistență în parte. Verifică pe numere: două rezistoare de 6 Ω legate în paralel dau R_p = 6·6/12 = 3 Ω, iar în serie ar da 12 Ω. Explicația intuitivă: legând ramuri în paralel, deschizi drumuri suplimentare pentru curent, deci opoziția totală scade.

Atenție și la o eroare de calcul frecventă: la gruparea în paralel, formula dă mai întâi 1/R_p, nu direct R_p. Uitarea ultimului pas de inversare este cea mai comună pierdere de punctaj din tot capitolul.

Test — 6 întrebări ca la examen