repàs corrent elèctric

6
4 Corrent eledric: carreguer en MoviMent Fig. 2. Sentit real i sentit convencional del corrent ele tric en un conductor metal·lie. 4.1. NATURALESADELCORRENTELECTRIC Suposa que ten s una pila de petaca i una bombeta de llanterna. Quan apliques els pols de la pila sobre la bombeta, de manera que un toqui la rosca i l'altre toqui la base, la bombeta s'encén. Aquest fenomen té l'origen en el despla<;:ament d'electrons a través del filament metal·lic de la bombeta per efecte de la pila. Concreta- ment, els electrons, que tenen carrega negativa, es mouen del poI ne- gatiu (-) al positiu (+) de la pila a través del [llament (fig.l). S'anomena corrent electric el flux de carregues en moviment. En el conductors metal·lics, el sentit real del corrent electric és el del moviment deIs electrons lliures en el metall. En canvi, per raons historiques, es considera com a sentit convencional del corrent elec- tric el del moviment d'unes carregues positives imaginaries que es desplacen de manera oposada (fig.2). 4.2. INTENSITAT DE CORRENT L'efecte del corrent que travessa el filament d'una bombeta esta re- lacionat amb la intensitat del flux de carregues: la bombeta lluira més o menys segons que hi hagi un flux de carregues més gran o més petit. La intensitat de corrent és la quantitat de carrega que circula per unitat de temps a través d'una secció d'un conductor. Imagina't que poguéssim tenir un comptador deIs electrons que passen per la secció d'un conductor. Si anomenem Q la carrega de tots els electrons que passen en un temps t, la intensitat 1 és (fig.3): Fig. 1. La bombeta s'il·lumina a causa del moviment d'elec- trons a través del fi- lament metal·lie. sentit convencional Q 1=- t La unitat en que es mesura la intensitat de corrent en el sistema in- ternacional és l'ampere (A). Un corrent electric d'un ampere trans- porta la carrega d'un coulomb cada segon. L'ampere és una unitat molt gran per mesurar corrents com els que apareixen en les experiencies amb piles, motiu pel qual se sol utilitzar el mil-liampere (mA), sub múltiple de l'ampere: 1A = 1000 mA. 4.3. DIFERENCIA DE POTENCIAL ELECTRIC secció conductor \: I\~ I , . ~ , ~~~~ WI I I ~ \ ~ \I \ I ]."",,-o-n-s-q-ue-,,,,,,,,, ,:1 seccíó en un temps t Fig. 3. Electrons que travessen una secció d'un condl tor en un interval de temps. La pila connectada a la bombeta es comporta com una font d'elec- trons, als quals aporta l'energia necessaria per moure's del poI (-) al poI (+) a través del filament (fig.4). La diferencia de potencial electric entre dos punts és l'energia ne- tessaria per moure la unitat de carrega d'un punt a un altre. La diferencia de potencial s'anomena també tensió o voltatge i s'ex- pressa amb 11 V o, simplement, amb V. La unitat en que es mesura la diferencia de potencial electric en el sistema internacional és el volt (V). Entre dos punts hi ha una diferen- cia de potencial d' 1 V si per traslladar entre ells una carrega d' 1 C es requereix una energia d'l J. 224 TeMa 11 ea.. ~" r.f~~·_1 tenen més /' !lnergia 6~ f------.-... e I s electrons han perdut energía Fig. 4. La aporta ener~ de manera ea. nuada per m ten ir el flux lectrons.

Upload: joangavilan4005

Post on 27-Apr-2015

727 views

Category:

Documents


3 download

TRANSCRIPT

4 Corrent eledric: carreguer en MoviMent

Fig. 2. Sentit real i sentit convencional del corrent eletric en un conductor metal·lie.

4.1. NATURALESADELCORRENTELECTRIC

Suposa que ten s una pila de petaca i una bombeta de llanterna.

Quan apliques els pols de la pila sobre la bombeta, de manera que un

toqui la rosca i l'altre toqui la base, la bombeta s'encén.

Aquest fenomen té l'origen en el despla<;:ament d'electrons a través

del filament metal·lic de la bombeta per efecte de la pila. Concreta­

ment, els electrons, que tenen carrega negativa, es mouen del poI ne­

gatiu (-) al positiu (+) de la pila a través del [llament (fig.l).

S'anomena corrent electric el flux de carregues en moviment.

En el conductors metal·lics, el sentit real del corrent electric és el

del moviment deIs electrons lliures en el metall. En canvi, per raons

historiques, es considera com a sentit convencional del corrent elec­

tric el del moviment d'unes carregues positives imaginaries que es

desplacen de manera oposada (fig.2).

4.2. INTENSITAT DE CORRENT

L'efecte del corrent que travessa el filament d'una bombeta esta re­

lacionat amb la intensitat del flux de carregues: la bombeta lluira méso menys segons que hi hagi un flux de carregues més gran o més petit.

La intensitat de corrent és la quantitat de carrega que circula per

unitat de temps a través d'una secció d'un conductor.

Imagina't que poguéssim tenir un comptador deIs electrons que

passen per la secció d'un conductor. Si anomenem Q la carrega de tots

els electrons que passen en un temps t, la intensitat 1 és (fig.3):

Fig. 1. La bombetas'il·lumina a causa

del moviment d'elec­

trons a través del fi­

lament metal·lie.

sentit convencional

Q1=-t

La unitat en que es mesura la intensitat de corrent en el sistema in­

ternacional és l'ampere (A). Un corrent electric d'un ampere trans­

porta la carrega d'un coulomb cada segon.

L'ampere és una unitat molt gran per mesurar corrents com els que

apareixen en les experiencies amb piles, motiu pel qual se sol utilitzar

el mil-liampere (mA), sub múltiple de l'ampere: 1 A = 1000 mA.

4.3. DIFERENCIA DE POTENCIAL ELECTRIC

secció conductor

\:I\~I, .~,

~~~~WI II~

\ ~\ I \ I

]."",,-o-n-s-q-ue-,,,,,,,,, ,:1seccíó en un temps t

Fig. 3. Electrons que travessen una secció d'un condl

tor en un interval de temps.

La pila connectada a la bombeta es comporta com una font d'elec­

trons, als quals aporta l'energia necessaria per moure's del poI (-) al

poI (+) a través del filament (fig.4).

La diferencia de potencial electric entre dos punts és l'energia ne­

tessaria per moure la unitat de carrega d'un punt a un altre.

La diferencia de potencial s'anomena també tensió o voltatge i s'ex­

pressa amb 11V o, simplement, amb V.

La unitat en que es mesura la diferencia de potencial electric en el

sistema internacional és el volt (V). Entre dos punts hi ha una diferen­

cia de potencial d' 1 V si per traslladar entre ells una carrega d' 1 C es

requereix una energia d'l J.

224 TeMa 11

ea.. ~"r.f~~·_1

tenen més /'!lnergia 6~f------.-... e Is

electrons

han perdut

energía

Fig. 4. La

aporta ener~de manera ea.

nuada per mten ir el flux

lectrons.

EXEMPLES RESOL TS

D El sentit convencional del corrent considera que

aquest és un flux de carregues positives. En quindeis dos pols d'una pila connectada a un conductortenen més energia aquestes carregues?

Tenen més energia al poi positiu, i en transfereixen una

part en el recorregut fins a arribar al poi negatiu ambmenys energia.

f] En realitat, són els electrons els que es desplacen

per un conductor connectat a una pila. A quin poi te­nen més energia els electrons?

Tenen més energia al poi negatiu, motiu pel qual acon­segueixen desplac;;ar-se fins al poi positiu, on arribenamb menys energia.

El Expressa en la unitat SI el valor d'una intensitat decorrent de 85 mA.

La unitat SI d'intensitat de corrent és I'ampere, que

equival a 1 A = 1000 mA. Per tant:

1 AI = 85 mA "M~ • = 0,085 A

~ Per la secció d'un conductor hi passa una carrega de2 e cada 10 s. Quina és la intensitat de corrent? Ex­

pressa'n el resultat en mA.

Q 2 eI = - = - = o 2 A = 200 mA

t 10 s '

o Quin significat té que la diferencia de potencial d'unapila sigui de 4,5 V?

La pila aporta una energia de 4,5 J per traslladar unacarrega d'1 e del poi positiu al poi negatiu.

CORRENT CONTINU I CORRENT ALTER N

El corrent eléctric rep el nom de corrent continu quan con­sisteix en un moviment de carregues a través deis conductorsen un sol sentit.

Aquest tipus de corrent s'obté per mitja de bateries, piles odinamos, i també en les fonts d'alimentació. És I'habitual en

els circuits deis radioreceptors, els walkman, les maquines defotografiar o qualsevol altre dispositiu que funcioni amb piles.

En els instruments eléctrics hi ha els símbols = i ee per in­

dicar que es poden utilitzar amb corrent continuo

Hi ha una altra c1asse de corrent, el corrent altern, que ésel de la xarxa eléctrica de les cases i indústries, i que consis­teix en un moviment alternatiu de carregues en els dos sentitsd'un conductor.

En els instruments eléctrics hi ha els símbols - i eA per in­

dicar que són adequats per a corrent altern.

EFECTES DEL CORRENT

El corrent continu i el corrent altern produeixen els mateixosefectes en els dispositius eléctrics? Per contestar aquestapregunta podem muntar un circuit senzill amb una bombeta iun motor eléctric (fig. 5).

Observa que la bombeta s'encén igual quan s'inverteix lapolaritat de la pila, és a dir, quan s'inverteix el sentit del cor­rent eléctric, i que, en canvi, el sentit de gir del motor canvia.Aixo posa de manifest que la Iluminositat de la bombeta és in­dependent del sentit del corrent, mentre que el sentit de girdel motor no ho és.

Els dispositius eléctrics estan preparats per funcionar ambun tipus de corrent eléctric o amb I'altre.

Hg. 5. El sentit del corrent electric influeix sobre el sentit de gir del

motor, pero no sobre la il·luminació de la bombeta.

IDEES BASIQUES

• S'anomena corrent electric el flux de carregues en mo­viment.

• La intensitat de corrent és la quantitat de carrega quecircula per unitat de temps a través d'una secció d'unconductor.

• La diferencia de potencial electric entre dos punts és

I'energia necessaria per moure la unitat de carrega d'unpunt a un altre.

D Quan unim amb un conductor metaJlic els pols d'unapila, en quin sentit es desplacen els electrons Iliures?

carre<3a ; (orrent e/!~driu 225

S Circuitf eledria

5.1. CIRCUlT ELECTRIC

El conjunt format per una pila i una bombeta unides

amb fils metaHics constitueix un exemple senzill de circuitelectric.

Els circuits electrics es dibuixen mitjan<;:ant esquemes.Uns símbols universals representen graficament els diver­

sos elements del circuit (fig. 1): la pila és el generador, labombeta és el receptor, l'interruptor és l'aparell de coman­dament i els flls metaHics són els conductors.

L'interruptor té dues posicions: tanca o obre la connexió,

amb la qual cosa permet que hi passi corrent o ho impedeix.

5.2. ÁNALOGIA ENTRE UN CIRCUIT ELECTRIC1 UN CIRCUlT HIDRÁULIC

Podem establir ara una analogia entre el flux de carre­

gues en un circuit electric i el cabal d'aigua en un circuit hi­

draulic (fig.2):

• L'aigua té més energia en el nivell A que en el nivell Bperque esta més enlaire. Si col·loquem una turbina a mig

camí, aquesta adquireix una energia utilitzable a costa de

la perdua d'energia potencial gravitatoria de l'aigua quecau des de A fins a B.

• Per mantenir el flux d'aigua, l'elevem des de B fins a A

amb una motobomba. Així s'aconsegueix que l'aigua queesta al nivell B assoleixi el nivell A i adquireixi la mateixa

energia que tenia en iniciar el procés.

La motobomba aporta energia al circuit hidraulic igualque la pila aporta energia al circuit electric: d'aquesta ma­

nera s'aconsegueix una diferencia d'energia constant entreAiB.

conductor

-------------- ---1~~interruptor

pilabombeta

I

~

---c:J--

-®-j~~

resistencia

motorconnexió deesquema delconductors

circuit

Fíg. 1. Símbols electrics i esquema d'un circuito-pila

Ibombeta

A

Fig. 2. Analogia entre un circuit electric, format per una pila i

bombeta, i un circuit hidraulic, format per una motobomuna turbina.

La turbina fa una funció analoga a la de la bombeta:

aprofita l'energia potencial gravitatoria que hi transfereix

l'aigua, mentre que la bombeta aprofita l'energia electricade la pila.

5.3. MESURES EN UN CIRCUIT ELECTRIC

Per mesurar la intensitat de corrent que circula per un cir­cuit s'utilitza un instrument anomenat amperímetre. L'am­

perímetre es connecta de manera que tot el corrent passi per

l'aparell: es diu que s'ha connectat en serie (fig. 3).

Per mesurar la diferencia de potencial entre dos puntsd'un circuit s'utilitza un instrument anomenat voltímetre.

El voltímetre es connecta unint els punts del circuit entreels quals es vol mesurar la diferencia de potencial: diem que

el voltímetre s'ha connectat en paral·lel (fig. 4).

A la practica, les me sures electriques se solen efectuar

amb instruments universals anomenats polímetres.

226 TeMa1l

t

.~I\B

motobomba

amperímetreconnectat en serie

l'ENERGIA ES REPARTEIX EN EL CIRCUIT

Muntem un circuit amb una pila de 4,5 V i dues bombetes

iguals connectades en serie, motiu pel qual passa la mateixaintensitat de corrent per totes dues (fig. 5).

Podem observar que la lIuminositat de cada una de les

bombetes varia respecte de quan només hi ha una bombetaconnectada a la pila.

L'explicació d'aquest fenomen és que I'energia que es radiaen forma de lIum depen de la diferencia de potencial entre elsterminals de cada bombeta i, com que són bombetes iguals,es reparteix uniformement entre totes dues la diferencia depotencial que aporta la pila.

En aquest cas, si la diferencia de potencial de la pila és de4,5 V, la mesura de cada voltímetre sera de 2,25 V.

)

(

interruptor

voltímetre connectat

________ en paral.lelbombeta

~

Fig. 3. La intensitat de corrent que pass a pel filament de la bombeta

es mesura amb I'amperímetre connectat en serie.

Fig. 4. La diferencia de potencial entre els extrems del filament de la

bombeta es mesura amb el voltímetre connectat en paraJ./el. Fig. 5. (ircuit amb dues bombetes connectades en serie.

IDEES BÁSIQUES

• Els circuits electrics estan formats per generadors, re­ceptors, aparells de comandament i conductors.

• L'amperímetre mesura la intensitat de corrent electric ies connecta en serie al circuit.

• El voltímetre mesura la diferencia de potencial i es con­

necta en paral·lel al circuit.

Activitatr

D Quines mesures donen els voltímetres?

carrega i corrent electriu 227

6 lle; d'OhM ; rer;rtenc;a electr;ca

6.1. LLEI D'OHM PERA UN CONDUCTOR CODI DE COlORS D'UNA RESISTENCIA -'T

Uns anells de colors pintats sobre una resistencia comercié..serveixen per identificar-ne el valor (taula 1):

1r = primera xifra. 3r = nombre de zeros.

2n = segona xifra. 4t = límit de tolerancia.

La tolerancia, en tant per cent, indica el grau de fiabilité.­

que el fabricant atribueix al valor nominal de la resistencia.

El resultat d'estudiar experimentalment la relació entre

la diferencia de potencial que s'aplica a un conductor i la

intensitat que hi passa du a la llei d'Ohm.

El quocient entre la diferencia de potencial, L1V, entre els

extrems d'un conductor i la intensitat de corrent, 1, que hi

circula és igual a una constant que rep el nom de resisten­cia electrica, R.

Matematicament:

R= L1V1

o també:

L1V=R.I ; 1= L1VR

primera xifra

segona xifra

Exemple del codi de colors d'una resistencia.

nombre de zeros

limit de tolerimcia

La resistencia és una magnitud, amb valor diferent per a

cada conductor, que mesura l'oposició que aquest conduc­

tor exerceix quan hi passen carregues electriques.

La unitat en que es mesura la resistencia en el sistema in­ternacional és l'ohm (D).

Un conductor té una resistencia d' 1 D si, en aplicar entre

els extrems una diferencia de potencial d'l V, hi circula uncorrent d'l A.

6.2. FACTORS DELS QUALS DEPENLA RESISTENCIA D'UN CONDUCTOR

Quan els experiments que condueixen a la llei d'Ohm es

duen a terme variant la longitud, la secció o el tipus de ma­

terial del conductor, es conclou que la resistencia compleix

les propietats segiients (fig· 1):

• És directament proporcional a la longitud, L, del con­ductor estudiat.

• És inversament proporcional a la secció, S, del conductorestudiat.

• És directament proporcional a un factor p, anomenat re­

sistivitat, que té valors diferents per a cada tipus de ma­terial.

Matematicament:

LR=p' ­

S

A la fórmula anterior, R s'expressa en ohms (D); p, en

D· mm2/m; L, en metres (m), i S, en mil-límetres quadrats(mm2).

D'aixo es dedueix que, com més llarg i més fi és un con­

ductor, més gran és la seva resistencia, i, inversament, com

més curt i més gruixut és, més petita és la seva resistencia.

228 TeMa 1Z

Taula 1

color

resistencia en n70 xifro

2axifron. de zerostolerancic

cap

---± 20%

plata

--10-'I± 10%

or

--10-1I±5%

negre

-O100 = 1

marró

1110'

vermell

22la'

taronja

33la'

groc

44104

verd

55105

blau

66106

violeta

77107

gris

88108

blanc

99109

Longitud (m)

Fig. 7. Factors que intervenen en lo resistencia d'un conductor.

7 Ener9ia i potencia del (orrent ele(tri(

7.1. EL CORRENT ELECTRIC PRODUEIX CALOR

El pas del corrent electric pels components d'un circuít

produeix l'emissió de calor. Aquest fet es pot observar, per

exemple, en la incandescencia del filament d'una bombeta.

Aquest fenomen és facil de comprovar en l'experiencia

segiient (fig. 1):

• Agafa un cable de coure que faci, aproximadament, 15 cm

o 20 cm i pela'!. Veuras que dins de la protecció plastica hiha molts fils. Talla'n un i connecta'l als pols d'una pila de

petaca de 4,5 V. Acosta amb compte els dits fins al fil i

notaras que esta calent.

• Obtindras un resultat semblant si uneixes els pols d'una

pila amb una mina de llapis de grafit: notaras que la mi­na s'escalfa.

Fig. 1. Els conductors connectats als pols de la pila s'escalfen inte, ­sament.

/cable de connexió

\punta detreball

aire fred

\

Fig. 2. La I/ei de joule explica el funcionament de molts electrod,

mestics, com I'eixugacabells o la planxa. Per la seva banda, el sol,

dor electric té una resistencia que proporciona prou calor per fon

metalls de punt de fusió baix.

Convé que facís aquesta experiencia amb una certa rapi­

desa, ja que comprovaras que la pila també s'escalfa i aixoen comporta el deteriorament. Controla, doncs, la teva cu­riositat!

• La diferencia de potencial, /:1 \1, que hi ha entre els seus ex­trems.

• La intensitat de corrent, !,que hi passa.

• El temps, t, en que hi passa el corrent.

En termes matematics:

Quan les experiencies es fan prenent dades de les magni­

tuds físiques que hi intervenen, es conclou que l'energía, E,

dissipada en el conductor és directament proporcional a:

7.2. ENERGIA ELECTRICA: LLEI DE JOULE

E=/:1\1·!·t

En aquests exemples, el conductor pel qual passa el cor­

rent electric, el filament metal·líc o la mina de grafit, dissi­

pa una certa quantitat d'energía en forma de calor, que

augmenta si és més gran la diferencia de potencial que pro­

porciona la pila, la intensitat de corrent que travessa el con­

ductor o el temps en que hi passa el corrent.

La unitat en que es mesura l'energía en el sistema inter­

nacional és el joule 0).

Tenint en compte la llei d'Ohm, /:1\1= R . !, l'expressió

anterior queda així:

E=R·!·!·t=R·¡2·t

Aquesta expressió es coneL'Camb el nom de lleí de Joule i

posa de manifest que l'energia que es dissipa en un con­

ductor és directament proporcional a la seva resistencia,

al quadrat de la intensitat i al temps en que hi passa el cor­

rent (fig.2).

230 TeMa1Z