Efectele curentului electric

Studiul efectelor termic, chimic și magnetic ale curentului electric continuu.

Efectul termic. Legea Joule-Lenz

Orice conductor parcurs de curent electric se încălzește. Fenomenul se explică prin ciocnirile electronilor în mișcare cu ionii rețelei metalice: energia electrică se transformă în energie internă a conductorului.

Legea Joule-Lenz exprimă cantitativ acest efect:

Q = R·I²·t

unde Q este căldura degajată (în jouli), R rezistența conductorului, I intensitatea curentului, iar t timpul.

Detaliul care decide rezultatul la probleme: căldura depinde de pătratul intensității. Dacă dublezi curentul, căldura degajată nu se dublează, ci devine de patru ori mai mare. Este cea mai des ratată observație la itemii de raționament.

Folosind legea lui Ohm, formula se poate scrie și Q = U·I·t sau Q = (U²/R)·t. Atenție însă: cele trei forme nu sunt interschimbabile la întâmplare într-o grupare de rezistoare. Regula practică:

• la rezistoare legate în serie, curentul e comun, deci se folosește Q = R·I²·t și degajă mai multă căldură rezistorul mai mare;
• la rezistoare legate în paralel, tensiunea e comună, deci se folosește Q = (U²/R)·t și degajă mai multă căldură rezistorul mai mic.

Aici se ascunde confuzia clasică: „rezistența mai mare produce întotdeauna mai multă căldură”. Fals — depinde de tipul grupării, adică de ce mărime este comună celor două rezistoare.

Aplicații ale efectului termic

Efectul termic este uneori util, alteori nedorit. Ambele situații se cer exemplificate.

Aplicații utile:

• Aparatele electrocasnice de încălzire – reșou, fier de călcat, radiator, uscător de păr, prăjitor de pâine, boiler. Toate au un rezistor de rezistivitate mare, de obicei din nichelină sau crom-nichel, care se încălzește puternic fără să se topească.
• Becul cu incandescență – filamentul din wolfram ajunge la peste 2000 de grade Celsius și emite lumină. Wolframul se folosește pentru că are cea mai mare temperatură de topire dintre metale, iar balonul se umple cu gaz inert pentru a nu se oxida.
• Sudura electrică și siguranțele fuzibile.

Siguranța fuzibilă merită explicată separat, pentru că e o întrebare sigură: este un fir subțire, dintr-un aliaj cu temperatură de topire mică, montat în serie în circuit. Dacă intensitatea depășește o valoare admisă, firul se topește, circuitul se întrerupe și instalația e protejată. De aceea o siguranță nu se înlocuiește niciodată cu sârmă — ar rezista la orice curent și ar anula complet protecția, cu risc de incendiu.

Situații nedorite: încălzirea firelor din instalații, a motoarelor și a aparatelor electronice reprezintă pierderi de energie. La transportul energiei electrice, pierderile P = R·I²·t se reduc mărind tensiunea (deci micșorând intensitatea) și folosind conductoare groase, din cupru sau aluminiu.

Efectul chimic. Electroliza

Când curentul electric trece printr-o soluție de electrolit (acid, bază sau sare dizolvată în apă) sau printr-o sare topită, are loc o descompunere chimică a substanței. Fenomenul se numește electroliză, iar vasul în care se produce, voltametru sau celulă electrolitică.

În soluție, purtătorii de sarcină nu sunt electronii, ci ionii:

• Ionii pozitivi (cationi) se deplasează spre electrodul negativ, numit catod;
• Ionii negativi (anioni) se deplasează spre electrodul pozitiv, numit anod.

La electrozi, ionii își pierd sarcina și se depun sau se degajă ca substanță neutră. De exemplu, la electroliza unei soluții de sulfat de cupru cu electrozi de cupru, pe catod se depune un strat de cupru metalic.

Aplicațiile tehnice cerute la examen:

• Galvanostegia – acoperirea unui obiect metalic cu un strat subțire de alt metal (nichelare, cromare, argintare, aurire), pentru protecție împotriva coroziunii sau pentru aspect. Obiectul de acoperit se leagă la catod.
• Galvanoplastia – obținerea unor copii metalice fidele ale unor tipare.
• Rafinarea metalelor – purificarea cuprului industrial.
• Obținerea aluminiului din alumină topită și a clorului, hidrogenului, sodei caustice.

Două confuzii de reținut. Prima: în electroliză catodul este negativ, spre deosebire de baterie, unde polaritatea se discută altfel; asocierea corectă este cation la catod. A doua: apa distilată nu conduce curentul electric — conduce apa cu săruri dizolvate, pentru că numai atunci există ioni liberi.

Efectul magnetic al curentului electric

Experimentul lui Oersted este punctul de plecare: un ac magnetic așezat lângă un conductor deviază din poziția lui în momentul în care prin conductor trece curent electric. Concluzia, care se cere formulată exact: orice conductor parcurs de curent electric creează în jurul său un câmp magnetic.

Caracteristicile câmpului magnetic al curentului:

• În jurul unui conductor rectiliniu, liniile de câmp sunt cercuri concentrice, situate în plane perpendiculare pe conductor. Sensul lor se stabilește cu regula burghiului drept: dacă burghiul înaintează în sensul curentului, sensul de rotire dă sensul liniilor de câmp.
• În interiorul unei bobine (solenoid), câmpul este practic uniform, iar bobina se comportă ca un magnet bară, cu un pol nord și un pol sud.

Electromagnetul este o bobină cu miez de fier moale. Avantajele lui față de un magnet permanent, cerute frecvent:

• se poate porni și opri oricând, prin întreruperea curentului;
• i se poate regla intensitatea câmpului, mărind curentul sau numărul de spire;
• i se pot inversa polii, schimbând sensul curentului.

Aplicații: soneria electrică, releul, macaraua electromagnetică, difuzorul, motorul electric, ambreiajele electromagnetice.

Detaliu care aduce puncte: miezul se face din fier moale, nu din oțel, tocmai pentru că fierul moale se demagnetizează aproape complet la întreruperea curentului. Un miez de oțel ar rămâne magnetizat și electromagnetul nu ar mai putea fi „oprit”.

Comparație între cele trei efecte și norme de protecție

Cele trei efecte nu se produc în orice situație și nu în aceeași măsură — de aici o serie de întrebări de discernământ.

• Efectul termic apare întotdeauna, la orice trecere de curent prin orice conductor, pentru că orice conductor are rezistență.
• Efectul magnetic apare de asemenea întotdeauna, în jurul oricărui conductor parcurs de curent.
• Efectul chimic apare doar la trecerea curentului prin soluții de electroliți sau prin săruri topite, nu și prin metale. Prin metale, curentul e purtat de electroni, iar substanța nu se descompune.

O comparație suplimentară: efectul chimic este specific curentului continuu; la curent alternativ, ionii oscilează și depunerea nu se produce.

Norme de protecție, cerute la itemii aplicativi:

• nu se ating aparate electrice cu mâinile ude — apa cu săruri conduce curentul;
• nu se folosesc aparate cu cabluri deteriorate sau prize supraîncărcate;
• siguranțele se dimensionează corect și nu se înlocuiesc cu conductoare improvizate;
• priza de împământare conduce spre pământ un eventual curent de defect;
• înainte de orice intervenție se întrerupe alimentarea de la tabloul electric.

Efectul curentului asupra organismului depinde în primul rând de intensitate și de traseul prin corp, nu doar de tensiune — motiv pentru care și tensiuni relativ mici pot fi periculoase dacă rezistența corpului scade, așa cum se întâmplă când pielea este umedă.

Test — 6 întrebări ca la examen