Biblioteca
Tutora
Biblioteca › Fizică › clasa a VIII-a

Fenomene electrice

Aprofundarea cunoștințelor despre curentul electric continuu, circuite și legi fundamentale.

Evaluarea Națională

Curentul electric, tensiunea și rezistența

Curentul electric este mișcarea ordonată a purtătorilor de sarcină electrică. În metale, purtătorii sunt electronii liberi; în soluții de electroliți sunt ionii pozitivi și negativi.

Mărimile de bază, cu definiții care se cer exact:

Rezistența unui conductor depinde de material și de dimensiuni:

R = ρ·l/S

unde ρ este rezistivitatea materialului, l lungimea, iar S aria secțiunii transversale. Deci un fir mai lung are rezistență mai mare, iar unul mai gros are rezistență mai mică.

Greșeala clasică de montaj, penalizată direct în subiecte: ampermetrul se leagă în paralel sau voltmetrul în serie. Ține minte logica: ampermetrul are rezistență foarte mică și trebuie traversat de curentul pe care îl măsoară; voltmetrul are rezistență foarte mare și trebuie pus peste capetele porțiunii, ca să nu devieze curent.

Legea lui Ohm pentru o porțiune de circuit

Pentru o porțiune de circuit care conține doar un rezistor, între tensiunea aplicată la capetele lui și intensitatea curentului care îl străbate există o relație de proporționalitate directă:

I = U/R, de unde U = R·I și R = U/I

Aceasta este legea lui Ohm pentru o porțiune de circuit. Formularea corectă în cuvinte: intensitatea curentului printr-o porțiune de circuit este direct proporțională cu tensiunea aplicată la capetele ei și invers proporțională cu rezistența porțiunii.

Graficul I în funcție de U pentru un conductor la temperatură constantă este o dreaptă care trece prin origine; panta ei este 1/R. Cu cât dreapta e mai înclinată, cu atât rezistența e mai mică. Subiectele de evaluare cer adesea citirea rezistenței de pe un astfel de grafic — se ia orice punct de pe dreaptă și se face raportul U/I.

Atenție la o confuzie de fond: relația R = U/I este o formulă de calcul, nu o definiție a dependenței. Rezistența unui conductor dat nu depinde de tensiunea aplicată sau de curentul care trece prin el, ci de material, lungime, grosime și temperatură. Dacă dublezi tensiunea, se dublează curentul, iar raportul U/I rămâne același.

A doua capcană frecventă: se aplică legea lui Ohm folosind tensiunea de la bornele sursei acolo unde ar trebui folosită tensiunea de pe rezistorul respectiv. Într-un circuit cu mai multe rezistoare, fiecare are propria tensiune la borne.

Gruparea rezistoarelor: serie și paralel

Gruparea în serie – rezistoarele sunt legate unul după altul, pe un singur traseu.

Rezistența echivalentă la serie este întotdeauna mai mare decât fiecare rezistență din grupare. Dezavantajul practic: dacă un element se arde, circuitul se întrerupe complet — cazul vechilor ghirlande de brad.

Gruparea în paralel – rezistoarele sunt legate între aceleași două puncte, pe ramuri diferite.

Rezistența echivalentă la paralel este întotdeauna mai mică decât cea mai mică rezistență din grupare. De aceea consumatorii dintr-o locuință se leagă în paralel: toți primesc aceeași tensiune de 230 V și fiecare poate fi pornit sau oprit independent.

Două verificări care salvează puncte la lucrare. Prima: dacă la o grupare paralel îți iese Rp mai mare decât unul dintre rezistoare, ai greșit sigur — cel mai des s-a uitat inversarea finală, adică s-a calculat 1/Rp și s-a lăsat așa. A doua: pentru n rezistoare identice R legate în paralel, rezultatul e simplu, Rp = R/n, iar în serie Rs = n·R.

Circuitul complet. Tensiunea electromotoare și rezistența internă

O sursă reală (baterie, acumulator) nu este perfectă: are și ea o rezistență proprie, numită rezistență internă (r), datorată materialului din interior.

Tensiunea electromotoare (E) a sursei este energia pe care sursa o transmite unității de sarcină pentru a o pune în mișcare prin întregul circuit. Se măsoară tot în volți.

Legea lui Ohm pentru întregul circuit:

I = E/(R + r)

unde R este rezistența exterioară (a consumatorului), iar r rezistența internă a sursei.

De aici rezultă relația care se cere cel mai des: E = U + u, adică tensiunea electromotoare se distribuie între tensiunea la bornele sursei, U = R·I, și căderea de tensiune internă, u = r·I. Cu alte cuvinte, U = E − r·I: cu cât curentul cerut din circuit este mai mare, cu atât tensiunea la borne scade sub valoarea E.

Două cazuri limită de reținut:

Confuzia clasică: se pune semn de egalitate între tensiunea electromotoare și tensiunea la borne. Ele sunt egale doar când prin circuit nu trece curent.

Energia și puterea curentului electric

La trecerea curentului printr-un consumator, energia electrică se transformă în alte forme de energie: termică, luminoasă, mecanică, chimică.

Lucrul mecanic (energia) curentului electric:

W = U·I·t

măsurat în jouli (J). Folosind legea lui Ohm, se obțin și formele W = R·I²·t și W = (U²/R)·t.

Puterea electrică este energia consumată în unitatea de timp:

P = W/t = U·I = R·I² = U²/R

măsurată în wați (W).

În practică, energia electrică se facturează în kilowatt-oră (kWh): 1 kWh = 3 600 000 J, adică energia consumată de un aparat de 1000 W în timp de o oră. La probleme cu factura de curent, ține minte că timpul se pune în ore, iar puterea în kilowați.

Două observații care apar constant în subiecte. Prima: pe eticheta unui bec scrie, de exemplu, „230 V, 100 W” — acestea sunt valorile nominale, adică puterea de 100 W se obține doar la tensiunea de 230 V. Legat la o tensiune mai mică, becul consumă mai puțină putere și luminează mai slab.

A doua: la două becuri identice, în serie fiecare primește doar jumătate din tensiune, deci luminează mai slab decât unul singur legat direct la sursă; în paralel, fiecare primește tensiunea întreagă și luminează normal. Este exact motivul practic pentru care în casă totul se leagă în paralel.

De reținut

intensitatea curentului electric
sarcina electrică ce trece prin secțiunea transversală a conductorului în unitatea de timp, I = q/t, măsurată în amperi
tensiunea electrică
raportul dintre lucrul mecanic efectuat pentru deplasarea sarcinii și valoarea sarcinii, U = L/q, măsurată în volți
rezistența electrică
mărimea care caracterizează opoziția unui conductor la trecerea curentului, R = ρ·l/S, măsurată în ohmi
legea lui Ohm pentru o porțiune de circuit
intensitatea curentului este direct proporțională cu tensiunea aplicată și invers proporțională cu rezistența: I = U/R
legea lui Ohm pentru circuit complet
I = E/(R + r), unde E este tensiunea electromotoare, R rezistența exterioară, iar r rezistența internă a sursei
tensiune electromotoare
energia transmisă de sursă unității de sarcină electrică pentru a o deplasa prin întregul circuit; E = U + r·I
gruparea în serie
legare succesivă a rezistoarelor, cu aceeași intensitate prin toate, tensiuni care se adună și Rs = R1 + R2
gruparea în paralel
legare pe ramuri între aceleași două puncte, cu aceeași tensiune pe toate, intensități care se adună și 1/Rp = 1/R1 + 1/R2
puterea electrică
energia consumată în unitatea de timp, P = U·I = R·I² = U²/R, măsurată în wați
kilowatt-oră
unitate practică de energie electrică, egală cu 3 600 000 J, adică energia consumată de un aparat de 1000 W într-o oră

Greșeli frecvente

Greșit: Ampermetrul se leagă în paralel, iar voltmetrul în serie
Corect: Ampermetrul se leagă în serie, fiindcă trebuie străbătut de curentul măsurat; voltmetrul se leagă în paralel cu porțiunea de circuit
Greșit: Se crede că rezistența unui conductor crește dacă mărim tensiunea aplicată
Corect: Rezistența depinde de material, lungime, grosime și temperatură; la creșterea tensiunii crește proporțional curentul, iar raportul U/I rămâne același
Greșit: La gruparea în paralel se calculează 1/Rp și se dă acea valoare ca răspuns
Corect: După însumarea inverselor trebuie inversat rezultatul; Rp este întotdeauna mai mică decât cea mai mică rezistență din grupare
Greșit: Tensiunea electromotoare este confundată cu tensiunea la bornele sursei
Corect: U = E − r·I; cele două sunt egale doar când circuitul este deschis, adică atunci când I = 0
Greșit: Se aplică legea lui Ohm cu tensiunea sursei pentru un singur rezistor dintr-o grupare serie
Corect: Fiecare rezistor are propria tensiune la borne; tensiunea sursei se împarte între rezistoarele legate în serie

Test — 6 întrebări ca la examen

1. Un rezistor de 20 Ω este alimentat la o tensiune de 12 V. Intensitatea curentului prin el este:
  1. 0,6 A
  2. 1,67 A
  3. 240 A
  4. 32 A
Vezi răspunsul
0,6 A. Din legea lui Ohm, I = U/R = 12/20 = 0,6 A. Varianta 1,67 A apare la cei care inversează raportul și calculează R/U, o greșeală de ordine foarte răspândită.
2. Voltmetrul se montează într-un circuit:
  1. în serie cu consumatorul, având rezistență foarte mică
  2. în paralel cu consumatorul, având rezistență foarte mare
  3. în serie cu sursa, având rezistență foarte mare
  4. în paralel cu sursa, având rezistență foarte mică
Vezi răspunsul
în paralel cu consumatorul, având rezistență foarte mare. Voltmetrul măsoară diferența de potențial dintre două puncte, deci se leagă în paralel, iar rezistența lui mare face să nu devieze curent din circuit. Prima variantă descrie de fapt ampermetrul.
3. Două rezistoare de 6 Ω fiecare sunt legate în paralel. Rezistența echivalentă a grupării este:
  1. 12 Ω
  2. 6 Ω
  3. 3 Ω
  4. 0,33 Ω
Vezi răspunsul
3 Ω. Pentru n rezistoare identice legate în paralel, Rp = R/n = 6/2 = 3 Ω. Varianta 12 Ω este rezultatul grupării în serie, iar 0,33 Ω apare când se oprește calculul la valoarea 1/Rp, fără inversare.
4. Un bec cu inscripția 230 V, 60 W funcționează la tensiunea nominală. Intensitatea curentului prin el este de aproximativ:
  1. 0,26 A
  2. 3,8 A
  3. 13 800 A
  4. 0,004 A
Vezi răspunsul
0,26 A. Din P = U·I rezultă I = P/U = 60/230 ≈ 0,26 A. Varianta 3,8 A provine din raportul inversat U/P, capcana clasică atunci când formula este reținută mecanic.
5. O sursă cu tensiunea electromotoare de 12 V și rezistența internă de 1 Ω alimentează un rezistor de 5 Ω. Intensitatea curentului din circuit este:
  1. 12 A
  2. 2,4 A
  3. 2 A
  4. 1,2 A
Vezi răspunsul
2 A. Se aplică legea lui Ohm pentru circuitul complet: I = E/(R + r) = 12/(5 + 1) = 2 A. Varianta 2,4 A apare la cei care ignoră rezistența internă și împart doar la 5 Ω, greșeala cea mai frecventă la acest tip de item.
6. Un radiator electric de 2000 W funcționează 3 ore pe zi. Energia consumată într-o zi, exprimată în kWh, este:
  1. 6 kWh
  2. 600 kWh
  3. 2 kWh
  4. 6000 kWh
Vezi răspunsul
6 kWh. Puterea se exprimă în kilowați, 2000 W = 2 kW, iar W = P·t = 2 · 3 = 6 kWh. Varianta 6000 kWh vine din folosirea puterii în wați împreună cu timpul în ore, adică din amestecarea unităților.
Deschide varianta interactivă — cu AI care îți explică
← Producerea și transmiterea călduriiEfectele curentului electric →
BiologieChimieEconomieFilosofieFizicăGeografieInformatică și TICIstorieLogică și argumentareMatematicăPsihologieLimba și literatura română