repàs corrent elèctric
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