II.11. Sinteză recapitulativă - Electrizare. Circuite electrice

Sarcina electrică (q/Q), este o mărime fizică scalară care măsoară starea de electrizare a unui corp.

Sarcină electrică elementară (e) este cea mai mică sarcină existentă în natură, fiind egală cu modulul sarcinii unui electron (respectiv proton).

Sarcina unui corp (q/Q) este un multiplu întreg al sarcinii electrice elementare:

unde n = nr.întreg și e = sarcină electrică elementară = 1,6 ∙ 10^-19 C .

Electrizarea corpurilor prin frecare are loc printr-un transfer de electroni de la un corp la altul, astfel:

- Corpul care cedează electroni, se va încărca cu sarcini electrice pozitive, deoarece va avea un surplus (mai mulți) protoni în nucleele atomilor .

- Corpul care primește electroni, se va încărca cu sarcini electrice negative, deoarece va avea un surplus de electroni în învelișurile electronice ale atomilor.

Interacțiunile electrostatice sunt de două feluri:

1. Atracția are loc între două corpuri electrizate cu sarcini opuse ( pozitivă cu negativă). Forțele de atracție sunt egale în modul, dar de sens opus.

2. Respingerea are loc între două corpuri electrizate cu sarcini de același fel (pozitivă cu pozitivă sau negativă cu negativă). Forțele de respingere sunt egale în modul, dar de sens opus.

Interacțiunile dintre două corpuri electrizate au loc la distanță prin intermediul câmpului electrostatic din jurul oricărui corp electrizat.

Electrizarea prin contact are loc prin trecerea electronilor de pe corpul electrizat pe cel neutru, care se va încărca cu același fel de sarcină electrică precum cea a corpului electrizat.

La electrizarea prin contact cele două corpuri se încarcă cu sarcini de același semn. Se modifică sarcina electrică a fiecărui corp, dar sarcina electrică totală rămâne constantă.

Electrizarea prin influență (de la distanță) are loc prin încărcarea capătului corpului neutru cu sarcină electrică opusă celui electrizat adus în apropierea lui.

Corpul electrizat prin influență (de la distanță) nu-și modifică sarcina electrică, dar la extremități se încarcă ce sarcini de semne contrare. Are loc o redistribuire a electronilor din corp.

Pentru a electriza un corp neutru, există trei metode de electrizare:

1) Electrizarea prin frecare: cele două corpuri, ambele neutre, se încarcă cu sarcini de semne opuse.

2) Electrizarea prin contact: corpul neutru se încarcă cu sarcini de același semn ca ale corpului electrizat.

3) La electrizarea prin influență (de la distanță): capătul corpului neutru apropiat de un corp electrizat se va încărca cu sarcini electrice opuse celui electrizat.

Legea lui Coulomb:

“Două corpuri electrizate aflate într-un anumit mediu, considerate punctiforme în raport cu distanța dintre ele, interacționează cu o forță direct proporțională cu produsul modulelor sarcinilor electrice și invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele (r²).

🔥 Atenție!

În timpul furtunilor cu descărcări electrice (fulgere și trăsnete) trebuie să respectați următoarele reguli împotriva trăsnirii:

• Adăpostiți-vă în casă sau în mașină (tramvai, troleibuz, vehicul cu caroserie metalică).

• Nu vă apropiați de geamuri.

• Nu vă plimbați cu bicicleta.

• Nu înotați.

• Nu vă adăpostiți sub copaci. Dacă sunteți în pădure, ieșiți cât mai repede într-o poiană, stați ghemuiți acoperiți de o mantie și nu deschideți umbrela.

• Nu vorbiți la telefon.

📚 Sinteză recapitulativă

Curentul electric este mișcarea ordonată a purtătorilor de sarcină electrică printr-un circuit electric.

Purtătorii de sarcină electrică a căror mișcare determină apariția curentului electric pot fi:

a) Electronii liberi, în metale.

b) Ionii și electronii, în electroliți (soluții sau topituri de acizi, baze sau săruri) și în gaze.

Componentele unui circuit electric

1) Generatoare electrice (surse electrice) sunt dispozitive care au rolul de a produce și de a menține curentul electric printr-un circuit.

Clasificarea generatoarelor după felul curentului produs:

• Generatoare de curent continuu (c.c.), care are un singur sens prin circuit: bateria electrică, acumulatori electrici, bateria solară.

• Generatoare de curent alternativ (c.a.), care își schimbă periodic sensul prin circuit: generatorul din cadrul centralelor electrice, dinamul de la bicicletă.

Simboluri pentru surse electrice :

2) Aparate electrice (consumatori electrici) sunt dispozitive care transformă energia electrică ( a curentului electric ) în :

a) lumină, numit bec electric cu simbolul:

b) căldură, numit rezistor electric (cu nichelină/manganină), cu simbolul:

Exemple de aparate care au rezistori: foen (uscător de păr), aerotermă, calorifer electric, plită electrică, filtru de cafea, fier de călcat, prăjitor de pâine etc.

c) energie mecanică (pune ceva în mișcare), numit motor electric, cu simbolul:

Exemple de aparate care au motoare electrice: aspirator, ventilator, mașină de spălat, frigider, hotă, aer condiționat, mixer etc.

3) Conductoare de legătură sunt fire confecționate din aluminiu sau cupru și care leagă componentele circuitului între ele.

Simbolul pentru conductoarele de legătură este:

4) Întrerupătoare electrice care au rolul de a închide și de a deschide circuitul electric. Numai când întrerupătorul este pe poziție închis, trece curentul electric prin circuit.

Simbolurile pentru întrerupătoare electrice sunt:

Sensul convențional al curentului electric printr-un circuit este de la borna pozitivă a sursei spre borna negativă, prin circuitul exterior (prin consumatori).

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):

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:

Characterization of electrical voltage as a physical parameter:

Observaţie: 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.

Diferența de potențial dintre 2 puncte:

Când aplicăm o tensiune electrică între două puncte ale unui conductor, apare un curent electric, adică o mișcare dirijată a electronilor săi liberi, care transportă o sarcină q = n ∙ e.

Intensitatea curentului electric (I) este o mărime fizică scalară care măsoară sarcina electrică ce trece prin secțiunea transversală a unui conductor în unitatea de timp.

Characterization of the electrical current intensity as a physical parameter:

Constanta de proporționalitate dintre tensiunea aplicată (U) și intensitatea curentului (I) este cunoscută sub numele de rezistența electrică a conductorului.

Rezistenţa electrică este mărimea fizică ce ne arată cât de mult se opune un conductor la trecerea curentului electric prin el.

Rezistența electrică a unui conductor (R) este mărimea scalară egală cu raportul dintre tensiunea aplicată (U) la capetele conductorului și intensitatea curentului (I) stabilit prin el, când temperatura conductorului rămâne constantă.

Characterization of the electrical resistance as a physical parameter:

Constanta de proporționalitate dintre tensiune și intensitate este rezistența electrică a conductorului respectiv.

Rezistenţa unui conductor depinde de :

a) materialul din care este confecţionat. Astfel, conductoarele sunt de două categorii:

• Bune conductoare (exemple: argintul, cuprul, aurul, aluminiul), care au rezistenţa mică.

• Slab (greu) conductoare (exemple: fierul, wolframul, nichelina, manganina, grafitul etc.), care au rezistenţa mare.

b) de lungimea lui (cu cât lungimea conductorului e mai mare, cu atât şi rezistenţa lui e mai mare).

c) de aria secțiunii transversale (cu cât aria transversală lui e mai mare, cu atât el are rezistenţa mai mică).

Dependența rezistenței electrice de natura și de dimensiunile conductorului este:

unde ρ este rezistivitatea electrică a materialului conductor:

Legea lui Ohm pentru o porțiune de circuit: “Dacă la capetele unei porțiuni de circuit se aplică o tensiune(U), atunci intensitatea curentului electric (I) produs prin porțiune respectivă de circuit este direct proporțională cu tensiunea electrică (U) aplicată acelei porțiuni .”

Observații importante:

a) Afirmația “intensitatea este direct proporțională cu tensiunea pentru un conductor dat“ este echivalentă cu afirmația “rezistența unui conductor metalic este constantă“.

b) Legea lui Ohm este valabilă pentru conductoare metalice menținute la temperatură constantă.

c) Relația dintre intensitate și tensiune este o relație cauzală: tensiunea aplicată conductorului este cauza, iar intensitatea curentului este efectul.

Legea lui Ohm pentru întregul circuit:

“Intensitatea curentului electric printr-un circuit este direct proporțională cu tensiunea electromotoare a sursei (E) și invers proporțională cu rezistența totală a circuitului (R+r).“

Observație:Dacă rezistența exterioară (R) are valori foarte mici, obținută de exemplu prin scurtcircuitarea sursei cu un conductor scurt, adică dacă R = 0, intensitatea curentului debitat de sursă devine maximă:

Acest lucru nu este de dorit, deoarece curenții mari pot provoca daune, iar sursa se consumă rapid.

Energia electrică (notată cu W) a unei surse măsoară lucrul mecanic efectuat de aceasta pentru a deplasa sarcina electrică (q) prin secțiunea transversală a circuitului, într-un interval de timp (Δt):

W = L = E ∙ q

Dar q = I ∙ Δt ( din formula intensității )

W_tot = E ∙ I ∙ Δt ( energia consumată pe întreg circuitul ).

W_ext = U ∙ I ∙ Δt ( energia consumată pe o porțiune de circuit ).

W_int = u ∙ I ∙ Δt ( energia consumată pe circuitul interior ).

Characterization of electrical energy as a physical parameter:

Puterea electrică (P) este o mărime fizică ce măsoară viteza de transfer a energiei electrice.

Characterization of electrical power as a physical parameter:

Valorile nominale inscripționate pe aparatele electrice sunt o pereche dintre valorile P_n, I_n, U_n.

P_n = U_n • I_n