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 (L_total) 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 (L_ext) și lucrul mecanic efectuat de sursă pentru a deplasa sarcina q prin circuitul interior al sursei (L_int):

Tensiunea electrică la borne (cu simbolul U_b ) este mărimea fizică scalară care măsoară lucrul mecanic efectuat de sursă (L_ext) 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 (L_int) 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 = U_b + 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 (U_bec) .

Concluzia experimentului:

Relația care exprimă bilanțul tensiunilor într-un circuit este:

E = U_b + u

Experimental se poate determina numai tensiunea electromotoare a sursei (E) și tensiunea la bornele circuitului exterior (U_b).

Tensiunea internă (u) se determină din formula tensiunilor:

u = E - U_b

👀 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: U_bec = 0 (nu circulă curent prin bec)
c) Bornele întrerupătorului : U_într. = E

Cazul 2- când întrerupătorul este închis:
a) Bornele bateriei: U_b < E
b) Bornele becului : U_bec = U_b
c) Bornele întrerupătorului: U_într. = 0.

Observație:

Sensul tensiunii electrice U_AB ne permite să aflăm sensul curentului electric într-o porțiune de circuit AB, pe care nu se află niciun generator electric:

• Dacă tensiunea U_AB este pozitivă, curentul circulă de la A la B:

• Dacă tensiunea U_AB este negativă, curentul circulă de la B la A și U_AB = - U_BA:

👀 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 U_AB >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 U_BA < 0.

Concluzia experimentului:
U_AB = - U_BA

👀 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 U_AʹBʹ = U_BʹCʹ = U_CʹDʹ = 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: