Curentul electric. Tensiunea şi intensitatea.

În cea de-a patra lecție despre curentul electric continu, vom discuta despre generarea curentului electric, tensiunea electrică și intensitatea electrică.

Curentul electric este prezent în deosebiri metale, care sunt principalul tip de conductor electric.

La temperaturi normale, electronii de valență din atomii unui metal se desprind de acești atomi, devenind electroni liberi.

Ei se pot deplasa liber prin metal, formând un așa-numit gaz electronic, care se află în agitație termică datorată temperaturii metalului.

Haideți să descriem un pic mai în detaliu acest model al mecanismului generării curentului electric.

Pentru că vorbim de un model. El poate fi îmbunătățit ținând cont de efecte cuantice sau efecte electromagnetice de nivel mai avansat.

Totuși, pentru studiu circuitelor electrice, pe care îl vom face în lecțiile viitoare, acest model este suficient.

Deci, un atom al unui metal, precum zincul, are în centrul un nucleu cu sarcină electrică pozitivă, în cazul zincului, plus 30 unități elementare de sarcină E.

Și în jurul lui se vor găsi 30 de electroni încărcați negativ, din care 28 se află în învelișurile apropiate din jurul nucleului, iar 2 electroni se vor afla într-un înveliș mai îndepărtat,

care este suficient de îndepărtat ca să simtă interacția cu ceilalți atomii învecinați și deci ei vor putea părăsi atomul de zinc, devenind electroni liberi.

Dacă desenăm schematic structura unui bucăț de conductor din zinc, vom avea o structură de atomi, deci fiecare astfel de punct roșu este un atom care are în jurul lui 2 electroni de valență.

Acești 2 electroni de valență se pot mișca liber prin material, deci ei devin partea acestui gaz electronic.

Dacă aplicăm un câmp electric a acestui conductor, electronii vor simți o forță electromotoare sau electrică datorată prezenței câmpului, deci în acest caz formăm un curent electric de conducție.

Mai exact, dacă, spre exemplu, conectăm o baterie în așa fel încât polul ei pozitiv este conectat la borna B a conductorului și polul lui negativ este conectat la borna A,

atunci toți electronii se vor îndepărta de capătul A pentru că este negativ și se vor îndrepta către capătul B.

Această mișcare colectivă a electronilor dinspre un capăt, spre celălalt capăt al conductorului se numește curent electric de conducție.

Curentul se menține atât timp cât există o diferență de potențial, pentru că această diferență de potențial generează lucru mecanic necesar deplasării electronilor în interiorul conductorului.

De asemeni, această sursă sau generator, bateria în cazul nostru, pe lângă faptul că generează energia necesară a mișcării electronilor, trebuie să își închidă circuitul,

adică, odată ce electronii ajung la capătul B al conductorului, ei trec prin cablul sau conectorul metalic și apoi curentul trebuie să treacă prin interiorul generatorului pentru a ajunge din nou la capătul A și a repeta mișcarea.

Deci, pentru ca curentul electric să fie continuu în acest circuit, trebuie ca sursa să permite sau să genereze mișcarea electronilor în tot circuitul.

Dacă sursa menține o diferență de potențial între capetele A și B constantă, atunci avem de a face cu un curent electric continuu.

Pentru a discuta tensiunea electrică, sau înainte de a discuta tensiunea electrică, să prezentăm foarte pe larg elementele principiale sau de bază ale unui circuit electric.

Circuit electric e un sistem format din următoarele componente reprezentate schematic în acest desen.

Deci, în primul rând, avem, după cum am spus, un generator sau sursă, care este această componentă.

Ea e descrisă de tensiunea electromotoare, pe care o vom defini imediat, și rezistența internă, R.

Sursa asigură faptul că electronii se mișcă în tot circuitul, formând sau generând curentul electric.

Exemplu de generatoare sau surse sunt bateriile, dinamurile.

Și exemple mai complexe sunt centralele electrice, hidrocentrale, termocentrale, centrale nuclearo-electrice și așa mai departe.

Al doilea element al unui circuit electric este receptorul sau consumatorul, care este acesta în desenul nostru.

El beneficiază de energia furnizată de către generator și, deci, de curentul electric ce circulă prin el

pentru a performa avarii lucruri mecanice utile.

El este definit, în principiu, prin rezistență R, dar poate și este definit și de alți parametri.

Exemplu de receptoare sau consumatoare de curent electric sunt rezistențele, condensatoarele, componente electronice, precum biode, tranzistoare și așa mai departe.

Ultimul element sunt conductorii, care sunt aceste linii în desenul nostru.

În lecțiile ce urmează vom considera conductorii ideale, adică dacă vreți un fel de conducte simple, goale,

prin care acest curent de electron se mișcă fără a genera efecte colaterale, precum încălzirea, efecte termice sau efecte electrodinamice,

sau așa mai departe.

Ele vor fi studiate mai târziu.

Deocamdată, în studiul circuitelor, considerăm conductorii ideale.

Tensiunea electrică sau electromotoare e a unui generator e lucru mecanic efectuat de acesta pentru a deplasa unitatea de sarcină pozitivă în întregul circuit, atât extern cât și intern.

Deci, practic, e lucru mecanic efectuat pentru crearea curentului electric.

Spunem aici întregul circuit, atât extern cât și intern, pentru că, din nou, acest curent electric, pentru a fi continu, trebuie să circule și în zona internă,

deci în interiorul generatorului.

Circuitul se numește extern sau extern în raport cu generatorul.

Extern este în afara, generatorul intern este înăuntru.

Deci, tensiunea electromotoare sau electrică este lucru mecanic al unității de sarcină și are două componente, externă și internă.

Ea se măsoară cu un voltmen, tensiunea electrică, acest aparat conectându-se numai în paralel.

În această imagine vedeți un exemplu de voltmetru conectat cu două conectoare electrice la un instrument electronic unde dorim să măsurăm tensiunea electrică.

Intensitatea electrică.

Înainte de a discutați intensitatea electrică, câteva comentarii în legătură cu sensul curentului electric.

Prin convenție, acesta este ales ca sensul de deplasare a sarcinor pozitivi.

Bineînțeles, știm din tot ce am discutat în această lecție că de fapt curentul electric este format din electroni care au sarcin negativ.

Totuși, acest lucru s-a descoperit mult mai târziu în istoria fizicii.

Deci, toate legile circuiturilor electrice și fenomenele din spatele lor au fost descoperite și studiate înainte de a se putea identifica elementul de sarcină din curentul electric ca și electronul.

De aceea s-a folosit în dezvoltarea întregii teorii convenția că purtătorii de sarcină din curențe electric sunt pozitivi, descoperindu-se ulterior că sunt negativi.

Din acest motiv și plus din cauza faptului că de fapt nu contează foarte mult ce semn are elementul de sarcină din curentul electric, ci intensitatea curentului sau diferența de potență și așa mai departe, s-a păstrat această convenție.

Intensitatea curentului electric e sarcina electrică transportată de curent în unitatea de timp prin secțiunea transversală a conductorului.

Deci foarte simplu, considerăm o secțiune transversală a conductorului și numărăm câte sarcini electrice au trecut în unitatea de timp și cel număr este intensitatea curentului electric.

Ecoația acestei definiții este aceasta.

Dacă curentul este variabil, adică depinde de timp, trebuie să o modificăm un pic și să introducem o intensitate instantaneă sau momentană care este dependentă de timp,

care are aceeași definiție dar pentru un interval de timp ce tinde către zero.

Această definiție este foarte asemănătoare ca cea pentru viteză, unde avem o viteză și o viteză momentană sau instantană, în mecanică mă refer.

Ampermetrul este instrumentul folosit pentru măsurarea intensității curentului și se conectează numai în serie.

Se numește ampermetrul pentru că unitatea de măsură a curentului este amperul.

Deci curentul se măsoară în amperi.

Un amper este unitatea de măsură care se notează cu A mare.

Ultima mărime ce se folosește în studiu circuitelor electrice este densitatea curentului electric.

Pentru a introduce această mărime, care e legată de cea de intensitate, să considerăm o bucată dintr-un conductor prin care trece un curent electric.

Deci avem un curent electric cu intensitatea I, ce circulă prin acest conductor, care are lungimea el, un conductor cilindric și are asupra feței transversale S.

Deci vom avea tot felul de conductori care se mișcă cu o viteză V în interior.

Am văzut că intensitatea curentului electric se definește ca numărul de sarcini electrice ce trece prin această bucată de conductor unitatea de timp.

Dar dacă introducem cu N concentrația electronelor liberi, adică, prin definiție, este numărul sau sarcina totală din interior împărțită la volum și trebuie să mulțim cu E,

care este sarcina electrică elementară, pentru a obține o sarcină totală, concentrația totală de sarcină.

Deci cu această definiție putem scrie încă ΔQ, adică numărul total de sarcini ce trece prin această bucată de conductor în intervalul de timp ΔT,

ca fiind sarcina elementară mulțită cu concentrația de electroni liberi mulțită cu volumul bucății de conductor.

În fine, ΔT se poate scrie ca raportul dintre lungimea conductorului și viteza medie acestor electroni.

Altfel spus, viteza medie V a electronor va fi L împărțit la ΔT, care este evident.

Din aceste relații putem scrie că intensitatea curentului I este ENV împărțit la L împărțit la V mic viteza medie.

Deci este egal cu V împărțit la L, EN îmulțit cu V, care este lungimea mulțită cu area secțiunii transversale.

Deci acest curent va fi E or N or S or V.

Se definește raportul dintre intensitatea curentului și area secțiunii transversale ca fiind această densitate a curentului electric notată cu J.

Și, în particular, obținem că J este egal cu E or N or V.