L’ELECTRICITAT I L’ELECTRICITAT I EL CIRCUIT EL CIRCUIT ELÈCTRICELÈCTRIC

Glòria García GarcíaGlòria García García

1. Què és l’electrotècnia i els seus inicis

2. Naturalesa de l’electricitat:– Fenòmen electroestàtic Tales de Milet s. VII a.C.

(elektron=ambre).

– Estructura dels àtoms:• Cations i anions

3. Càrrega elèctrica i llei de Coulomb:

3. LLEI DE COULOMB3. LLEI DE COULOMB• La càrrega elèctrica Q d’un cos depèn del nº

d’electrons que té de més o de menys (C). 1C=6,25·1018 electrons.

• Coulomb (s. XVIII) va trobar que la força d’atracció o repulsió entre dues càrregues puntuals és inversament proporcional al quadrat de la distància que les separa:

• K=1/40 (Nm2/C2 ) 0 = constant dielèctrica o permitivitat buit

• El valor de la constant de proporcionalitat K depèn de les unitats en les que s’expresse F, q, q’, r i del medi que envolta les càrregues. En el Sistema Internacional d’Unitats val 9·109 Nm2/C2 quan el medi és el buit.

 

4. CAMP ELÈCTRIC4. CAMP ELÈCTRIC • Definició camp elèctric.• El camp elèctric d’una càrrega puntual Q en un punt P distant r de la càrrega es representa per vectors (línies de força) de:

•direcció radial •sentit cap fora si la càrrega és positiva, i cap dintre si la càrrega és negativa .•mòdul              E:intensitat de camp elèctric (1N/1C)

E=F/Q’=

         

                                                               

• Un camp elèctric pot representar-se per línies de força, línies que són tangents a la direcció del camp en cada un dels seus punts.

• A la figura, es representen les línies de força d’ una càrrega puntual, que són línies rectes que passen per la càrrega.

• http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/electrico/cElectrico.html - Actividades

Camp elèctric d’un sistema de Camp elèctric d’un sistema de dos o més càrreguesdos o més càrregues

• Si tenim un conjunt de càrregues s’aplica el principi de superposició:

E= E1 + E2 +...+EN

• Considerem el sistema de dues càrregues de la figura:

•El mòdul del camp elèctric produït per cada una de les càrregues és:

                                   •I les components del camp total són:

                                   

5.5. EL POTENCIAL ELÈCTRICEL POTENCIAL ELÈCTRIC• El potencial elèctric és una propietat del punt P de l’espai que envolta la càrrega

Q. Es defineix el potencial (V) com l’energia potencial de la unitat de càrrega positiva imaginariament situada en P. El potencial és una magnitud escalar.

V=Ep/q

• La unitat de mesura del potencial en el S.I. és el Volt (V=J/C).• Com la fòrmula de l’energia potencial elèctrica és:

• Substituim i obtenim que el potencial del punt P degut a la càrrega Q és un escalar i val:

• El nivell zero d’energia potencial s’ha establert en l’infinit, per r=∞, Ep=0.

6. DIFERÈNCIA DE POTENCIAL6. DIFERÈNCIA DE POTENCIAL• El treball que realitza el camp elèctric sobre una càrrega q quan es mou

des d’una posició a on el potencial és VA a un altre punt a on el potencial és VB és:

VA-VB=W/q

• A partir d’aquesta fòrmula podem definir la diferència de potencial entre dos punts d’un camp elèctric com la divisió del treball realitzat al traslladar-se una càrrega Q des d’un punt a un altre del camp entre el valor d’aquesta mateixa càrrega.

• De l’ànalisi de l’expressió anterior W=Q·(VA-VB) podem donar les següents conclusions:

1.Si la càrrega q és positiva i VA>VB les forces del camp

elèctric realitzen un treball W>0 i fan que la càrrega es desplaci espontàniament del punt A fins el B. Si VA<VB el

W <0 i significa que per traslladar la càrrega de A a B és necessari realitzar un W des de l’exterior contra les forces del camp.

2.Si la càrrega és negativa q les forces del camp elèctric realitzen un W>0 quan una es mou des d’un punt B a on el potencial és més baix a un altre A de potencial més alt.  

3.Si VA=VB W=0 no es realitza treball quan es desplaça la

càrrega.

• Si subtituim w per Ep obtenim que:

VA-VB=Q/40.[1/RA-1/RB]

• Exemple:

Dues càrregues puntuals de Q1=15nC i Q2=–16 nC disten entresi 10 cm al buit: P¤

10cm 8 cm

Q1¤ M¤ Q2 ¤ 10 cm

Trobar:1. Potencial elèctric en P:

VP=KQ/r= 9·109 Nm2/C2 15·10-9 C/10-1 m – 16·10-9 C/8·10-2 m= -450V.

º2. Treball per traslladar una q de 2 C des de P fins M punt mig entre les dues càrregues:

VM=KQ/r= 9·109 Nm2/C2 15·10-9 C/5·10-2 m – 16·10-9 C/5·10-2 m= -180V.

W= Q’·(VP- VM)= 2”10-6 C · -450V-(-180V) = -5,4 ·10-4J.

7. ELS MATERIALS 7. ELS MATERIALS • 7.1 MATERIALS CONDUCTORS:7.1 MATERIALS CONDUCTORS:

• Els conductors poden ser sòlids, líquids o gasosos, i es classifiquen en òhmics o lineals: compleixen la llei d'Ohm (els metalls i el carboni) i en no òhmics: no compleixen la llei d'Ohm (les solucions electrolítiques).

• Conductors metàl·lics:Conductors metàl·lics:• Els àtoms del metall es disposen en xarxes cristal·lines

compactes amb un gran nombre d'electrons lliures que formen un núvol electrònic (el coure, l'argent, l'alumini... ).

• Platí>plata >coure >or >alumini >ferro...• Aplicacionshttp://concurso.cnice.mec.es/

cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/enlaces/metalico.htm

• Solucions electrolítiquesSolucions electrolítiques:• Contenen ions positius i negatius procedents de substàncies dissoltes (una solució de CuCl2 en

aigua). Els ions dissolts es comporten com a càrregues lliures, ja que es poden desplaçar a través de la solució.

• Gasos ionitzats:Gasos ionitzats:• Són gasos amb molècules ionitzades que actuen com a càrregues lliures i fan que el gas

condueixi l'electricitat.

• 7.2 MATERIALS SEMICONDUCTORS:7.2 MATERIALS SEMICONDUCTORS:• Necessiten poca energia per convertir-se en conductors. Es comporten com a aillants a baixes

temperatures, però condueixen l'electricitat si augmenta la temperatura. Els seus àtoms (de 4 electrons de valència) es disposen en xarxes cristal·lines i, encara que no existeix un núvol electrònic, aquests àtoms s'ionitzen quan augmenta la temperatura i donen lloc a electrons lliures. (Germani i Silici).

• Aplicacions

• 7.3 MATERIALS AILLANTS:7.3 MATERIALS AILLANTS:• Resistència molt alta i no tenen en la seva

estructura molecular electrons lliures perquè tots formen part d’enllaços covalents.

• Tipus:Minerals sòlids:Minerals sòlids: vidre, porcellana i

mica.Orgànics sòlids:Orgànics sòlids: fusta, plàstic, paper i

fibres tèxtils.Aïllants líquids:Aïllants líquids: olis mineralsAïllants gasosos:Aïllants gasosos: aire.

• Aplicacions

8. COMPONENTS CIRCUIT:8. COMPONENTS CIRCUIT:• 8.1 GENERADORS:8.1 GENERADORS:

• Aparells que transformen el W o qualsevol E en E elèctrica, mantenint una diferència de potencial necessària perquè els electrons es moguin. Són les fonts de força electromotriu E(FEM)=W/Q.

• Hi ha generadors de corrent continu i generadors de corrent altern:

• Com es pot generar energia elèctrica?:Com es pot generar energia elèctrica?:a.Reaccions químiques: Piles i bateries

b.b. Inducció electromagnètica: Inducció electromagnètica: és el principi de funcionament dels alternadors de les centrals que es basa en fer moure un conductor elèctric a l’interior d’un camp magnètic creat per un imant creant-se corrent elèctric “Llei de Faraday”.

c.c. Acció de la llum:Acció de la llum: les cèl·lules fotovoltaiques estan formades per silici que és fotosensible.Les plaques fotoelèctriques tenen infinitat d’aplicacions: font d’energia per satèl·lits, habitatges, encesa automàtica dels llums del carrer...

• Per fregamentPer fregament

e.e. Efecte piezoelèctric o producció d’electricitat per Efecte piezoelèctric o producció d’electricitat per pressió: pressió: alguns materials com el quarç quan són pressionats alliberen e- generant-se una diferència de potencial entre les seves cares.

Efecte piezoelèctricEfecte piezoelèctric

Generador de corrent elèctrica a escala Generador de corrent elèctrica a escala nanomètrica que funciona amb vibracionsnanomètrica que funciona amb vibracions..

f.f. Acció de la calor “Termopar”: Acció de la calor “Termopar”: dos filferros de metalls diferents units pels seus extrems quan reben calor en el punt d’unió generen una petita diferencial de tensió entre els seus extrems. Aplicació per la fabricació de termòmetres.

• 8.2 CONDUCTOR: 8.2 CONDUCTOR: fet de coure o altre metall amb resistència molt petita.

• 8.3 RECEPTOR: 8.3 RECEPTOR: transforma el corrent elèctric en un altre tipus d’E útil. Exemples: estufes, motors, bombetes, brunzidor...– Fenòmens originats pel corrent elèctric:a. Efectes magnètics: principi de funcionament dels motors i generadors.b. Efecte calorífic “Efecte Joule”:

W = R · I2 · t R= resistència ()

I = intensitat (A) t = temps (s) Q = 0,24 · R · I2 · t Q = quantitat calor (J o

cal)

c.c. Efectes químics:Efectes químics: el pas de corrent a través d’una solució provoca reaccions químiques (recobriment dels metalls).

d.d. Efectes lumínics:Efectes lumínics: degut a l’efecte Joule (plasma i fills de tungstè) i per efecte luminiscent (neó).

e.e. Efectes biològics:Efectes biològics: 15 mA fa pessigolles i el diferencial és de 30 mA.

• 8.4 DISPOSITIUS DE CONTROL: 8.4 DISPOSITIUS DE CONTROL: permeten obrir o tancar el pas de corrent.

Polsador normalment obert Polsador normalment tancat

Commutador Interruptor

• 8.5 ELEMENTS DE PROTECCIÓ: 8.5 ELEMENTS DE PROTECCIÓ: elements destinats a portegir les instal·lacions com els fusibles o a protegir als usuaris el diferencial.

9. SENTIT DEL CORRENT e9. SENTIT DEL CORRENT e--::• En un circuit elèctric de corrent continua el fluxe d’e- anirà

sempre del pol – del generador al pol +.

Real Convencional

• El sentit convencional que s’utilitza per resoldre els circuits és al contrari.

• En els circuits de corrent alterna que donen els generadors de les centrals elèctriques, el fluxe del corrent canvia constantment de sentit tantes vegades en un segon com freqüència tingui.

9. TIPUS DE CORRENT e9. TIPUS DE CORRENT e--::9.1. Corrent continu (DC = Direct Current, en 9.1. Corrent continu (DC = Direct Current, en

anglès):anglès):

La intensitat de corrent sempre és igual i circula en un sol sentit. Exemple: cel fotovoltaica

9.2. Corrents variables:9.2. Corrents variables: la intensitat és variable.

Corrent altern (AC = Alternate Corrent altern (AC = Alternate Current, en anglès):Current, en anglès):- El corrent elèctric canvia constantment de

sentit.- És el tipus de corrent que subministren els

endolls de casa i les centrals elèctriques.

Corrent variable continu:Corrent variable continu:- El sentit del corrent sempre és el mateix.

10. MAGNITUDS DEL CIRCUI e10. MAGNITUDS DEL CIRCUI e--

10.1 Intensitat de corrent:10.1 Intensitat de corrent:• És la quantitat d’electrons que circulen per un

circuit en un temps determinat “Fluxe d’e-”.• Unitat Amper (A): 1A=1C/1s.

• I=Q/t

• Es mesura mitjançant l’amperímetre que es posa en sèrie amb el circuit.

CONNEXIÓ AMPERÍMETRECONNEXIÓ AMPERÍMETRE

10.2 Voltatge, tensió o ddp (V) :10.2 Voltatge, tensió o ddp (V) :• És el treball que realitza la unitat de càrrega en traslladar-se d’un punt A

a un punt B.

• Es creat sempre per una f.e.m del generador i és mesurable.

• Unitat Volts (V): 1V=1J/1C

• Va-Vb= W/Q

• Es mesura mitjançant el voltímetre que es posa en paral·lel amb dos punts del circuit.

CONNEXIÓ VOLTÍMETRECONNEXIÓ VOLTÍMETRE

10.3 Força electromotriu F.E.M (10.3 Força electromotriu F.E.M ():):• És el treball que fa el generador per traslladar les càrregues però que no es pot mesurar.

=W/Q =W/Q

• Es mesura en Volts.10.4 Resistència elèctrica (R):10.4 Resistència elèctrica (R):• Oposició o dificultat al pas de corrent elèctric.• Unitat Ohms () aparell mesura: òhmmetre• Resistència elèctrica d’un conductor:

R=·l/s =resistivitat material ( mm2/m)

l = longitud (m) s = secció (mm2)

• Variació de la resistivitat i resistència d’un Variació de la resistivitat i resistència d’un material amb la T:material amb la T:Si augmenta la T la resistivitat dels materials metàl·lics

augmenta i la seva resistència també.

(T) = (20ºC) (1+(T – 20ºC)) =coeficient de T (ºC-1)

=resistivitat ( mm2/m)

R=R0(1+ T)

• Conductivitat (Conductivitat (): ): és la inversa de la resistivitat =1/

• Conductància (G):Conductància (G): és la facilitat pel pas del corrent e-

G=1/R Siemens (S)

10.5 Potència elèctrica (P):10.5 Potència elèctrica (P):

P= W/t = V·Q/t = V·I

• Unitat Watt (W) 1 W= 1V · 1A

• Si apliquem la llei d’Ohm:

P=V2/R P=I2·R