II.3. Tensiunea electrică.
Generatoarele electrice (sursele electrice) sunt dispozitive care au rolul de a produce și de a menține curentul electric printr-un circuit, adică asigură deplasarea purtătorilor de sarcină electrică prin circuit. Ele efectuează un lucru mecanic asupra acestor purtători pentru a-i deplasa.
Tensiunea electromotoare (prescurtată t.e.m., cu simbolul E) a unei surse este mărimea fizică scalară care măsoară lucrul mecanic efectuat de sursă (Ltotal) pentru deplasarea unității de sarcină electrică (q) de-a lungul întregului circuit.
Unitate de măsură în S.I pentru tensiunea electrică este voltul (V):
Lucrul mecanic total efectuat de sursă pentru a deplasa sarcina q prin întreg circuitul este egal cu lucrul mecanic exterior efectuat de sursă pentru a deplasa sarcina q prin circuitul exterior (Lext) și lucrul mecanic efectuat de sursă pentru a deplasa sarcina q prin circuitul interior al sursei (Lint):
Tensiunea electrică la borne (cu simbolul Ub ) este mărimea fizică scalară care măsoară lucrul mecanic efectuat de sursă (Lext) pentru deplasarea unității de sarcină electrică (q) de-a lungul circuitului exterior.
Tensiunea internă (cu simbolul u) este mărimea fizică scalară care măsoară lucrul mecanic efectuat de sursă (Lint) pentru deplasarea unității de sarcină electrică (q) de-a lungul circuitului interior.
Astfel obținem relația dintre cele trei tensiuni electrice ale unui circuit electric:
E = Ub + u
Caracterizarea tensiunii electrice ca mărime fizică:
🔦 Observație
Dacă alegem două puncte oarecare ale unui circuit electric, 1 și 2, tensiunea electrică între acestea este egală lucrul mecanic efectuat de sursă (L12) pentru deplasarea unității de sarcină electrică ( q ) între aceste două puncte.
Generatorul electric menține o diferență de potențial (tensiune) între cele două puncte pentru a deplasa electronii prin circuit, prin efectuarea unui lucru mecanic de către forțele electrice ale câmpului electric produs de generator:
Bateriile de buzunar au diferite tensiuni electromotoare.
👀 Experiment: Măsurarea tensiunilor electrice
Materiale necesare:
Baterie electrică, bec, fire de legătură, întrerupător, voltmetru.
Descrierea experimentului:
- Leagă în serie bateria electrică, becul, firele de legătură și întrerupătorul.
- Leagă în paralel bornele voltmetrului la sursă, cu întrerupătorul deschis.
Când legăm în paralel voltmetrul la bornele sursei, cu circuitul deschis, măsurăm tensiunea electromotoare a sursei (E).
- Închide întrerupătorul.
- Ce observi ?
La închiderea întrerupătorului, când legăm în paralel voltmetrul la bornele sursei, cu circuitul închis, măsurăm tensiunea la bornele circuitului exterior (Ub).
- Leagă în paralel bornele voltmetrului la bornele becului, cu întrerupătorul închis.
Când legăm în paralel voltmetrul la bornele becului, cu circuitul închis, măsurăm tensiunea la bornele becului (Ubec) .
Concluzia experimentului:
Relația care exprimă bilanțul tensiunilor într-un circuit este:
E = Ub + u
Experimental se poate determina numai tensiunea electromotoare a sursei (E) și tensiunea la bornele circuitului exterior (Ub).
Tensiunea internă (u) se determină din formula tensiunilor:
u = E - Ub
👀 Problemă experimentală: Tensiunea electrică și calibrul voltmetrului
Materiale necesare:
Baterie electrică, bec, fire de legătură, întrerupător, voltmetru.
Descrierea experimentului:
- Tensiunea electrică se măsoară legând voltmetrul în paralel cu elementele circuitului.
- Calibrul voltmetrului este tensiunea maximă pe care el o poate măsura.
- Pentru un voltmetru analog avem:
Exemplu:
- Pentru voltmetrul din imagine, calibrul utilizat este de 25 V.
- Valoarea maximă a scalei gradate (50) corespunde la o tensiune de 25 V.
- Pentru a afla ce tensiune corespunde unei diviziuni mari, împărțim calibrul la valoarea maximă a scalei gradate:
- Pentru a afla ce tensiune corespunde unei diviziuni mici, împărțim tensiunea unei diviziuni mari (0,5 V) la numărul de diviziuni mici dintre două diviziuni mari de pe scala gradată:
- Tensiunea electrică citită pe acest voltmetru este:
U = 4 ∙ 0,5 V + 1 ∙ 0,1 V = 2,1 V
Un circuit electric simplu este format dintr-o baterie cu tensiunea electromotoare E, un bec și un întrerupător.
Cât indică un voltmetru cu rezistența foarte mare legat în paralel la:
a) Bornele bateriei
b) Bornele becului
c) Bornele întrerupătorului.
Răspunde la aceste întrebări când întrerupătorul este deschis (cazul 1) și când întrerupătorul este închis (cazul 2).
Rezolvare
Cazul 1- când întrerupătorul este deschis:
a) Bornele bateriei: t.e.m. = E (tensiunea înscrisă pe baterie)
b) Bornele becului: Ubec = 0 (nu circulă curent prin bec)
c) Bornele întrerupătorului : Uîntr. = E
Cazul 2- când întrerupătorul este închis:
a) Bornele bateriei: Ub < E
b) Bornele becului : Ubec = Ub
c) Bornele întrerupătorului: Uîntr. = 0.
Observație:
Sensul tensiunii electrice UAB ne permite să aflăm sensul curentului electric într-o porțiune de circuit AB, pe care nu se află niciun generator electric:
- Dacă tensiunea UAB este pozitivă, curentul circulă de la A la B:
- Dacă tensiunea UAB este negativă, curentul circulă de la B la A și UAB = - UBA:
👀 Experiment: Tensiunea electrică pozitivă și negativă
Materiale necesare:
Voltmetru cu diviziunea 0 la mijlocul scalei gradate, circuit electric simplu format dintr-o baterie electrică, bec, întrerupător și fire de legătură.
Descrierea experimentului:
- Leagă voltmetrul în paralel la bornele unui bec, legând borna pozitivă a voltmetrului la borna becului legată la borna pozitivă a generatorului, ca în următoarea schemă:
- Ce observi ?
Voltmetrul indică o anumită tensiune la bornele becului pozitivă (citită în partea dreaptă a scalei gradate față de 0), adică UAB >0.
- Leagă voltmetrul în paralel la bornele unui bec, legând borna pozitivă a voltmetrului la borna becului legată la borna negativă a generatorului, ca în următoarea schemă :
- Ce observi ?
Voltmetrul indică aceeași tensiune la bornele becului, dar negativă (citită în partea stângă a scalei gradate față de 0), adică UBA < 0.
Concluzia experimentului:
UAB = - UBA
👀 Experiment: Tensiunea electrică într-o grupare serie
Materiale necesare:
Voltmetru, circuit electric format dintr-o baterie electrică, două becuri în serie, întrerupător și fire de legătură.
Descrierea experimentului:
- Leagă voltmetrul în paralel la bornele fiecărui bec și apoi la bornele grupării serie a becurilor, ca în următoarea schemă:
- Ce observi ?
Voltmetrul de la bornele grupării serie a becurilor indică o tensiune egală cu suma tensiunilor indicate de voltmetrele legate la bornele fiecărui bec.
Concluzia experimentului:
Tensiunea la bornele unei grupări serie a consumatorilor este egală cu suma tensiunilor la bornele fiecărui consumator.
U = U1 + U2
👀 Experiment: Tensiunea electrică într-o grupare paralel
Materiale necesare:
Voltmetru, circuit electric format dintr-o baterie electrică, două becuri în paralel, întrerupător și fire de legătură.
Descrierea experimentului:
- Leagă voltmetrul în paralel la bornele fiecărui bec și apoi la bornele grupării paralel a becurilor, ca în următoarea schemă:
- Ce observi ?
Voltmetrul de la bornele grupării paralel a becurilor indică aceeași tensiune cu tensiunile indicate de voltmetrele legate la bornele fiecărui bec.
Concluzia experimentului:
Tensiunea la bornele unei grupări paralel a consumatorilor este egală cu tensiunea la bornele fiecărui consumator.
U = U1 = U2
Circuite electrice cu masă
Acumulatorul unui automobil alimentează mai multe becuri și aparate (de ex., RadioMp3Player) legate în paralel.
Pentru a face economie de fire conductoare în montajul electric al unui automobil unul dintre capetele becurilor de poziție sau al RadioMp3Player-ului este legat (sudat) de caroseria metalică (numită masă) a vehiculului.
Masa închide circuitul electric ca în următoarea schemă:
Tensiunea între două puncte oarecare ale masei este nulă reprezentând un scurtcircuit, adică UAʹBʹ = UBʹCʹ = UCʹDʹ = 0.
Masa permite să facem economie de fire conductoare și reduce munca de cablare.
Și la bicicleta cu dinam poți întâlni un circuit electric cu masă.
🔓 Problemă rezolvată
1. La capetele unei porțiuni de circuit există o tensiune de 24 V.
a) Calculează lucrul mecanic efectuat de sursa electrică pe acea porțiune de circuit prin care trece o sarcină de 8 C.
b) Știind că intensitatea curentului electric este de 2 A, află timpul în care se efectuează acest lucru mecanic ?
Rezolvare :
Notăm datele problemei:
U = 24 V
q = 8 C
I = 2 A
a) L = ?
b) t = ?
a) Scriem formula de definiție a tensiunii electrice:
b) Scriem formula de definiție a intensității curentului: