Legea Joule. Energia electrică.

Într-un circuit electric:

Energia electrică disipată pe consumator este descrisă de relația:

$W_{ext}=UI\Delta t$

iar energia electrică consumată în întreg circuitul de relația:

$W=EI\Delta t=\left(R+r\right)I^2\Delta t$

În rezistoare toată energia se disipă sub formă de căldură, lucru descoperit de Joule și descris de relația ce îi poartă numele:

$Q=UI\Delta t=R{I}^2\Delta t$

Puterea electrică

Puterea electrică a unei porțiuni de circuit este dată de relația:

$P_{ext}=UI=R{I}^2$

iar a întregului circuit:

$P_{tot}=EI=\left(R+r\right)I^2$

Randamentul electric

Randamentul este dat de raportul dintre puterea utilă și puterea consumată, adică dintre puterea dezvoltată de consumator și puterea întregului circuit:

$\eta =\frac{P_{utilă}}{P_{consumată}}=\frac{UI}{EI}=\frac{R}{R+r}$

Un consumator dezvoltă o putere maximă atunci când rezistența lui este egală cu rezistența internă a sursei (R = r) situație în care puterea este:

$P_{max}=\frac{E^2}{4r}$

Pentru a mări randamentul liniei de transport a curentului electric se mărește tensiunea electrică în detrimentul scăderii intensității acestuia.

Efectul chimic

Există subsatanțe care, atunci când sunt dizolvate într-o soluție sau sunt topite, se descompun în cationi (ioni pozitivi) și anioni (ioni negativi). Aceste substanțe se numesc electroliți. Electroliții conduc curentul electric, purtătorii de sarcină fiind ionii, de aceea curentul electric prin electroliți se numește curent ionic.

Electroliza este fenomenul de descompunere și depunere la electrozi (catod și anod) a unor substanțe cu ajutorul curentului elctric ce trece printr-un electrolit.

Legea lui Faraday, a elctrolizei, afirmă că masa de substanță depusă la unul din elctrozi este proporțională cu cantitatea de sarcină electrică ce străbate electrolitul și este descrisă de relația:

$$\begin{gathered} m=KI\Delta t, unde K=\frac{A}{Fn} \\ k - echivalentul electrochimic; \\ I - intensitatea curentului prin electrolit; \\ \Delta t - intervalul de timp; \\ A - masa atomică sau moleculară a ionului; \\ n - valența ionului; \\ F=96400 C/echivalent gram - cons\tan ta Faraday \end{gathered}$$

Câmpul magnetic

Câmpul magnetic este o formă de existență a materiei ce apare în jurul magneților permanenți și a conductorelor parcurse de curenți electrici și se manifestă prin acțiune asupra acului magnetic și a curentului electric. Câmpul magnetic este caracterizat de doi poli numiți polul nord și polul sud după câmpul magnetic al Pământului.

Câmpul magnetic poate fi vizualizat cu ajutorul piliturii de fier și este descris cu ajutorul liniilor de câmp magnetic. Linia de câmp magnetic este linia tangentă în fiecare punct la orientarea acului magnetic. Liniile de câmp magnetic ies din polul nord și intră în polul sud.

În jurul oricărui conductor parcurs de curent electric apare un câmp magnetic cu linii de câmp închise. În jurul unei linii de curent liniile de câmp magnetic au formă circulară. În jurul unui solenoid avem linii de câmp paralele și echidistante în interiorul solenoidului și linii identice cu cele ale unui magnet de tip bară în exteriorul solenoidului.

Sensul liniilor de câmp magnetic este dat de regula burghiului drept.

Produsul scalar a doi vectori

Produsul scalar a doi vectori este o mărime scalară și este egală cu produsul dintre mărimile vectorilor prin cosinusul unghiului dintre cei doi vectori.

$\overrightarrow{a}·\overrightarrow{b}=ab\cos \left(\vartheta \right)$

Produsul vectorial a doi vectori

Produsul vectorial a doi vectori este un vector cu direcția perpendiculară pe planul format de cei doi vectori, având sensul dat de regula burghiului drept și mărimea egală cu produsul mărimilor celor doi vectori prin sinusul unghiului dintre ei.

$$\begin{gathered} \overrightarrow{a}\times \overrightarrow{b}=\overrightarrow{c} \\ c=ab\sin \left(\vartheta \right) \end{gathered}$$

Forța electromagnetică

Este forța cu care câmpul magnetic acționează asupra unui conductor parcurs de curent electric.

$\overrightarrow{F}=I\overrightarrow{l}\times \overrightarrow{B}$

Forța electromagnetică este perpendiculară pe planul format de de conductor și liniile de câmp, deci va acționa perpendicular pe conductor. Sensul forței este dat de regula mâinii stângi sau de regula burghiului.

Inducția magnetică a curenților electrici

Conductorul rectiliniu sau linia de curent generează în jurul său un câmp magnetic cu linii de câmp circulare cu centrul pe conductor. Sensul liniilor de câmp este dat de regula burghiului drept iar vectorul inducție magnetică este tangent în fiecare punct la linia de câmp și are mărimea dată de relația:

$$\begin{gathered} B=\frac{\mu I}{2\pi r}, unde \\ \mu - permeabilitatea magnetică a mediului în care se află conductorul; \\ I- intensitatea curentului prin conductor; \\ r - distanța de la conductor la linia de câmp magnetic; \end{gathered}$$

Unitatea de măsură pentru inducția magnetică este Tesla notată cu ”T”.

Permeabilitatea magnetică a unui mediu descrie prorpietățile sale magnetice. În practică se utilizează permeabilitatea magnetică relativă care este un număr ce ne arată de câte ori este mai mare permeabilitatea magnetică a unui mediu decât cea a vidului.

$$\begin{gathered} {\mu }_r=\frac{\mu }{{\mu }_0}, unde \\ {\mu }_0 - permeabilitatea magnetică a vidului; \\ {\mu }_0=4\pi ·{10}^{-7}N/A^2. \end{gathered}$$

Conductorul circular sau inelul de curent generază în jurul lui un câmp magnetic ce are în centrul inelului o inducție magnetică perpendiculară pe planul inelului, cu sensul dat de regula burghiului drept  și cu mărimea dată de relația:

$$\begin{gathered} B=\frac{\mu I}{2r}, unde \\ \mu - permeabilitatea magnetică a mediului în care se află conductorul; \\ I- intensitatea curentului prin inelul de curent; \\ r - raza inelului de curent; \end{gathered}$$

Solenoidul sau bobina parcursă de curent electric continuu produce un câmp magnetic asemănător cu un magnet de tip bară cu diferența că în interiorul bobinei se formează un câmp magnetic uniform cu linii de câmp paralele și echidistante, cu sensul dat de regula burghiului drept și a cărui inducție magnetică este dată de relația:

$$\begin{gathered} B=\frac{\mu IN}{2l}, unde \\ \mu - permeabilitatea magnetică a mediului în care se află conductorul; \\ I- intensitatea curentului prin solenoid; \\ l - lungimea solenoidului; \\ N- numărul de spire al solenoidului; \end{gathered}$$

Forța electrodinamică

Forța electrodinamică este forța cu care intereacționează între ei conductorii parcurși de curent electric. Intereacțiunea se datorează câmpurilor magnetice pe care le produc conductorii. Doi conductori paraleli, parcurși de curenți de același sens se vor atrage. Doi conductori paraleli, parcurși de curenți de sens opus se vor respinge.

Forța de intereacțiune (numită forță electrodinamică) dintre doi conductori paraleli parcurși de curent electric continuu este dată de relația:

$$\begin{gathered} F=\frac{\mu I_1{I}_{2}l}{2\pi d}, unde \\ {I}_1, I_2 - intensitățile curenților prin cei doi conductori; \\ l - lungimea pe care conductorii sunt paraleli; \\ d - dis\tan ța dintre conductori; \end{gathered}$$

Forța electrodinamică permite definirea unității de măsură pentru intensitatea curentului electric care este mărime fizică fundamentală.

Amperul reprezintă curentul electric continuu ce străbate doi conductori rectilinii, paraleli, foarte lungi, aflați în vid, la distanța de un metru unul de altul și între care se exercită o forță de $2·{10}^{-7} N$ pe fiecare metru de lungime a conductorilor.