Coneixements bàsics d'electricitat

En aquest apartat estudiarem

 

i també haureu de resoldre exercicis i pràctiques.

 

L'electricitat

L'electricitat és una forma d'energia que prové de l'àtom. Les substàncies es componen d'uns elements petitíssims, anomenats àtoms, o d'una combinació d'àtoms, que són les molècules i els compostos. L'àtom, contràriament al que creien els grecs quan li van donar nom (àtom vol dir 'indivisible'), no és compacte, sinó que és format per partícules. El nombre i la disposició d'aquestes partícules són els factors que determinen que els àtoms i les molècules i els compostos formin cadascuna de les substàncies existents en la natura.

 


Algunes d'aquestes partícules dels àtoms tenen càrregues elèctriques (electricitat). N'hi ha unes, anomenades protons, que tenen càrrega elèctrica positiva, mentre que unes altres, els electrons, en tenen de negativa. 

 

Si ajuntem un protó i un electró prou a prop l'un de l'altre veurem com s'atreuen entre sí, en canvi, si ajuntem dos electrons o dos protons veurem com es rebutgen. Per tant, càrregues d'igual signe es rebutgen, i càrregues de diferent signe s'atreuen.

 


Normalment, aquestes càrregues es troben en equilibri perquè el nombre de protons de l'àtom és igual al d'electrons. També pot succeir, però, que no hi hagi equilibri i que uns àtoms tinguin més electrons (càrregues negatives) del compte; en aquest cas, la càrrega és negativa i l'àtom es converteix en emissor d'electrons (perquè li'n sobren). Inversament, pot passar que a l'àtom li faltin electrons, i si això succeeix, diem que la càrrega és positiva, i aleshores l'àtom es converteix en receptor d'electrons (perquè li'n falten). Tant en un cas com en l'altre, diem que l'àtom és carregat elèctricament. Per tant, els electrons tendeixen a circular d'uns àtoms (emissors) a uns altres (receptors) i així generen el que s'anomena corrent elèctric, expressió que pràcticament equival a ''circulació d' electrons''.

 

 


El corrent elèctric. Els conductors.

D'acord amb la descripció anterior, el corrent elèctric consisteix en un desplaçament d'electrons (càrregues elèctriques negatives).

En un circuit elèctric cal que hi hagi un aparell que produeixi el corrent elèctric. Aquests aparells s'anomenen generadors i tenen dos pols, el positiu i el negatiu. Les càrregues elèctriques es desplacen entre aquests dos pols. Perquè puguin fer aquest trànsit, els electrons necessiten recórrer un "camí", anomenat conductor, que generalment és de metall. Es tracta de cables o fils de corrent com els que tenim a casa, normalment recoberts de plàstic, i que fan funcionar llums, estufes, màquines, etc., o bé els que trobem a valls i muntanyes, penjats en unes torres metàl·liques molt altes.

 

 


Corrent continu i corrent altern

Els generador que ja coneixes, les piles i les bateries, tenen dos pols de corrent ben determinats, el positiu i el negatiu, clarament indicats amb els signes + i -. Per tant, en una de les terminacions metàl·liques sempre hi ha potencial positiu i en l'altra, potencial negatiu. Els electrons, en aquest cas, circulen sempre en el mateix sentit i per això diem que el corrent és continu.

Hi ha un altre tipus de corrent, generat pels alternadors: és el corrent altern. En aquest cas, els pols de corrent es van intercanviant, de manera que quan un és positiu, l'altre, evidentment, és negatiu, i a l'inrevés. Així, el sentit dels electrons canvia (''alterna'') constantment i a gran velocitat: 50 o 60 vegades cada segon. La major o menor rapidesa amb què s'efectua aquest canvi s'anomena freqüència. Actualment, les centrals elèctriques funcionen amb alternadors per a generar precisament corrent altern, que pot ser transportat fàcilment a grans distàncies.

 

 


Les magnituds elèctriques fonamentals

Tot seguit estudiarem les magnituds elèctriques fonamentals:

Quantitat de càrrega elèctrica

La unitat de càrrega en el sistema internacional (SI) és el coulomb (C). Un coulomb és, aproximadament, la càrrega de sis trilions d'electrons. Per tant, cada electró té una càrrega d'1,6 x 10-19 C.


El voltatge o diferència de potencial

La diferència energètica entre els dos pols d'un generador, el pol positiu i el pol negatiu, s'anomena diferència de potencial, tensió o voltatge.
La unitat per a mesurar el voltatge és el Volt (V) i l'aparell per a fer-ho és el voltímetre.

 

La intensitat

La intensitat es pot definir com la quantitat d'electrons que circulen per un conductor en un temps determinat.

I = Q / t

La unitat per a mesurar la intensitat elèctrica és l'amper (A), que indica la quantitat de càrrega elèctrica expressada en coulombs que passa, cada segon, per la secció d'un conductor. El seu valor es mesura mitjançant un aparell anomenat amperímetre.


 

La resistència

La resistència és la dificultat que oposa qualsevol material, fins i tot els conductors, al pas del corrent elèctric. La resistència es mesura en Ohms.
Un Ohm és la resistència que hi ha entre els extrems d'un conductor quan se li aplica una tensió constant d'1 volt i es produeix una intensitat d'1 amper.
La resistència depèn del tipus de material (r), la llargada (L) i la secció transversal (S) del conductor. 

R = r L / S

on r = resistivitat del material expressada en ohms x m

on L = longitud expressada en metres

on S = secció expressada em m2

 

L'energia i la potència

L'energia elèctrica, com qualsevol altra tipus d'energia, no es destrueix sinó que es transforma en llum, calor, so, moviment, etc.
Aquesta transformació la poden fer els aparells receptors, que necessiten consumir una determinada quantitat d'energia en un temps determinat per a realitzar la funció per a la qual han estat dissenyats.
Així doncs, la potència és la quantitat d'energia (joules) que, cada segon, consumeix l'aparell receptor per efectuar el treball per al qual ha estat dissenyat.
La unitat de mesura de la potència és el watt (W). Com que de vegades aquesta unitat pot resultar petita, també s'utilitza el kilowatt (kW; 1 KW = 1.000 W) i el megawatt (MW; 1 MW = 1.000.000 W).

 Magnitud

Símbol Magnitud

Unitat

Símbol Unitat

Aparell de mesura

Connexió de l'aparell de mesura

Intensitat

I

Amper

A

Amperímetre

En sèrie

Voltatge

V

Volts

V

Voltímetre

En paral·lel

Resistència

R

Ohm

 

Ohmímetre

En paral·lel

Potència

P

Watt

W

Wattímetre

Sèrie - Paral·lel

Energia

E

Kilowatt hora

(En S.I. Joule)

Kwh

comptador elèctric

Sèrie - Paral·lel



La llei d'Ohm

EI físic alemany Georg Simon Ohm va estudiar la relació que hi ha entre la tensió (volts) aplicada a un circuit, la intensitat (ampers) que hi circula, i la resistència (ohms) que oposa el circuit segons els material que el componen. Aquest estudi li va permetre determinar la llei que duu el seu nom, la llei d'Ohm, que diu:

La intensitat elèctrica és la relació que hi ha entre la tensió o voltatge que s'aplica a un circuit elèctric i la resistència que els conductors i els receptors del circuit ofereixen al pas del corrent elèctric.


Aquesta llei de proporcionalitat tan simple entre el voltatge, la intensitat del corrent elèctric i la resistència del conductor, és la base per a molts càlculs dels circuits elèctrics.

 

Fórmula de l'energia. El treball elèctric (T)

El treball realitzat per traslladar una quantitat de càrrega elèctrica Q des d'un punt de menor potencial al de major potencial és:

E = T = Q · V

Com que sabem que Q = I · t, llavors quedarà

E = T = I · t · V

 


Fórmules de la potència i de l'energia.

L'expressió matemàtica de la potència és P = T / t, tenint en compte l'expressió de l'apartat anterior, ens queda que P = I · t · V / t, que simplificant queda

P = I · V

P és la potència en watts (W)

V és la tensió o el voltatge en volts (V)

I és la intensitat en ampers (A)

a partir d'aquesta fórmula, i tenint en compte l'expressió E = I · t · V, podem obtenir una nova fórmula per a l'energia, més emprada en el sector elèctric:

E = P · t

E és l'energia el kilowattshora (Kwh)

P és la potència en watts (W)

t és el temps en hores (h)

 


Associació de components

En un circuit elèctric existeixen tres formes de connexionar els generadors i els receptors: en sèrie, en paral·lel i en mixta

Muntatge en sèrie: es diu que els elements d'un circuit estan connectats en sèrie quan es col·loca un a continuació de l'altre formant una cadena, de manera que el corrent que circula per un determinat element serà el mateix que per a la resta. Si prenem com a referència una pila de petaca, una resistència (R), una làmpada (L) i un motor (M), la connexió en sèrie d'aquests elements serà la que mostrem a la figura del costat.

Muntatge en paral·lel: es diu que els elements d'un circuit estan connectats en paral·lel quan tots ells estan connectats entre els mateixos punts i, per tant, a tots se'ls aplica la mateixa diferència de potencial o tensió.


Muntatge mixta: es diu que els elements d'un circuit estan connectats en muntatge mixta quan existeixen elements connectats en sèrie i en paral·lel.


Associació de generadors de corrent continu (piles)

  • Sèrie simple: La tensió equivalent (Veq) serà la suma de les tres piles, ja que totes elles estan connectades en el mateix sentit.

Veq = V1 + V2 + V3 

  • Sèrie en oposició: La tensió equivalent (Veq) serà la diferència entre el valor de la suma de les piles que estan connectades en un sentit i el valor de la suma de les piles connectades en sentit contrari.

Veq = V1 - V2 

  • Paral·lel: En aquest cas s'han de connectar sempre piles del mateix voltatge i en el mateix sentit. D'aquesta manera, la tensió equivalent serà la mateixa que la de una de les piles però aconseguim proporcionar al circuit el doble d'intensitat.

Veq =  V1 

 


Associació de resistències

  • Sèrie: Es troben una a continuació de l'altre. Per al cas de "n" resistències en sèrie, el valor de la resistència equivalent és:

Req = R1 + R2 +...+ Rn 

Es pot comprovar que si apliquem una pila (tensió) a vàries resistències connectades en sèrie, la intensitat que circula per la pila és la mateixa que la que circula per cada una de les resistències, essent la tensió de la pila igual a la suma de les caigudes de tensió de cada resistència.

Exemple

  • Paral·lel: Es connecten entre dos punts elèctrics essent la inversa de la resistència equivalent igual a:

1/Req=1/R1+1/R2+...+1/Rn 

Exemple

  • Mixta: Es tracta d'una combinació dels casos anteriors.

Exemple


Simbologia elèctrica normalitzada


 

Aparells de mesura i magnituds

Els instruments per a mesurar magnituds elèctriques depenen de la classe de magnitud i del valor de la mesura. Generalment tenen el nom genèric de la magnitud per a la qual estan destinats; així, el voltímetre permet mesurar volts; l'amperímetre, mesurar ampers; el wattímetre, mesurar watts; etc.

Cadascun està dissenyat per a mesurar una magnitud determinada; per tant s'ha de tenir molta cura en l'elecció de l'instrument a l'hora de mesurar una magnitud elèctrica i, sobretot, cal tenir molt present si es tracta de mesurar corrent altern o continu.

La lectura de les mesures en aquest tipus d'instruments es pot fer de forma analògica, és a dir, quan una agulla marca el valor sobre una escala graduada, o bé de forma digital, en aquest cas indica directament el valor de la mesura (millorant la seva lectura) i no porten cap escala.

Quan s'utilitzen aparells analògics que disposen de diverses escales, abans de fer una mesura cal:

El voltímetre permet mesurar el voltatge, és a dir, la diferència de potencial entre els dos pols d'un generador. Els dos cables conductors que surten del voltímetre amb el corresponent terminal metàl·lic i amb els signes + i - que indiquen la polaritat corresponent, s'han de connectar en paral·lel, és a dir, cada un d'aquests terminals s'han de connectar, tenint en compte la polaritat, a cada un dels borns de les piles o altres aparells dels quals hàgim de prendre mesures.

L'amperímetre és l'aparell que ens permet mesurar la intensitat del corrent elèctric. Els dos cables conductors que surten de l'amperímetre amb els signes + i - que indiquen la polaritat corresponent s'han de connectar en sèrie, és a dir, han d'intercalar-se en el circuit. Cal observar que l'agulla indicadora assenyali en el sentit correcte quan hi ha corrent en el circuit; si no és així, cal intercanviar la polaritat de la connexió de l'amperímetre, per tal que l'agulla mesuri correctament.

El polímetre és un aparell que permet mesurar diverses magnituds (voltatge de corrent altern o continu, intensitat de corrent altern o continu, resistència i altres); és un comprovador universal o ''tester''.

Per a mesurar una magnitud elèctrica determinada amb el polímetre, tan sols cal accionar uns comandaments determinats o connectar en els llocs específics els cables de connexió de l'aparell i fer la selecció correcta de l'escala d'acord amb la magnitud que, s'hagi de mesurar. La lectura de les mesures es pot fer de forma analògica, o bé de forma digital.