Curentul electric este un fenomen fizic fundamental, definit ca o mișcare ordonată a purtătorilor de sarcină electrică. Această mișcare poate fi generată și menținută de un câmp electric.
Purtătorii de sarcină electrică
Tipul purtătorilor de sarcină electrică variază în funcție de natura materialului conductor:
- În metale, purtătorii de sarcină sunt electronii.
- În electroliți, aceștia sunt ionii pozitivi și negativi.
- În semiconductori, purtătorii de sarcină sunt atât electronii, cât și golurile pozitive.
Tipuri de curent electric
Curentul electric poate fi clasificat în funcție de direcția sa în timp:
- Curent continuu (DC): Curentul este continuu dacă sensul său rămâne constant în timp. Acesta este generat, de exemplu, de bateriile galvanice sau dinamuri.
- Curent alternativ (AC): Curentul este alternativ dacă sensul său se schimbă periodic în timp. Alternatorul este un dispozitiv specific pentru generarea acestui tip de curent. Curentul alternativ utilizat în industrie este, în general, sinusoidal.
- Curent pulsatoriu (ondulat): Obținut prin redresarea curentului alternativ, acesta este un curent continuu cu o intensitate variabilă.
Transformarea curentului alternativ în curent continuu se realizează prin redresare, iar transformarea inversă (din curent continuu în curent alternativ) se face cu ajutorul invertoarelor, fiind utilă pentru alimentarea consumatorilor AC de la surse DC (acumulatori, elemente galvanice).
Diferența dintre curentul alternativ și curentul continuu explicată | AddOhms #5
Intensitatea curentului electric
Intensitatea curentului electric (I) este o mărime fizică scalară ce caracterizează curentul electric. Ea reprezintă cantitatea de sarcină electrică ce traversează secțiunea transversală a unui conductor în unitatea de timp.
Formula de calcul este:
I = Q / t
unde:
- I este intensitatea curentului electric
- Q este sarcina electrică
- t este timpul
De asemenea, intensitatea poate fi exprimată ca:
I = N·e / t
unde:
- N este numărul de purtători de sarcină
- e este sarcina elementară
Unitatea de măsură în Sistemul Internațional (SI) pentru intensitatea curentului electric este amperul (A). Un amper este definit ca intensitatea curentului care, trecând prin doi conductori identici, paraleli, cu lungimea de 1 metru, plasați în vid la distanța de 1 metru, produce între ei o forță de 2×10-7 N.
Intensitatea curentului electric se măsoară cu un ampermetru, instrument care se conectează în serie în circuit.
Tensiunea electrică și Tensiunea electromotoare
Existența curentului electric, adică mișcarea ordonată a purtătorilor de sarcină, este determinată de acțiunea unui câmp electric, care exercită forțe asupra acestor purtători. Implicit, existența curentului electric implică și existența unei diferențe de potențial electric.
Generatorul electric este un sistem fizic ce are rolul de a produce și menține diferența de potențial electric între două puncte, transformând o altă formă de energie în energie electrică. Exemple de generatoare includ:
- Bateriile și acumulatorii: Transformă energia reacțiilor chimice în energie electrică.
- Dinamurile și alternatoarele: Transformă energia mecanică în energie electrică.
Tensiunea electromotoare (E) este o caracteristică esențială a generatorului electric. Ea reprezintă lucrul mecanic efectuat de câmpul electric pentru a deplasa unitatea de sarcină electrică prin întregul circuit (interior și exterior).
Tensiunea la bornele generatorului (U) reprezintă lucrul mecanic efectuat de câmpul electric pentru a deplasa unitatea de sarcină electrică prin circuitul exterior, între bornele generatorului.
Tensiunea internă (u) reprezintă lucrul mecanic efectuat de câmpul electric pentru a deplasa unitatea de sarcină electrică prin circuitul interior al generatorului.
Relația dintre acestea este:
E = U + u
Tensiunea electrică, definită ca diferența de potențial între două puncte ale unui circuit, se măsoară cu un voltmetru, care se conectează în paralel cu porțiunea de circuit la bornele căreia se măsoară. Unitatea de măsură în SI este voltul (V).
Rezistența electrică și Legea lui Ohm
Circuitul electric este un sistem fizic alcătuit dintr-un generator electric, un consumator și conductoare de legătură. Orice porțiune de circuit și orice consumator prezintă o rezistență electrică.
Rezistența electrică (R) este o mărime fizică scalară ce caracterizează proprietatea unei porțiuni de circuit de a se opune trecerii curentului electric. Unitatea de măsură în SI este ohm-ul (Ω).
Legea lui Ohm stabilește o relație fundamentală între intensitatea curentului (I), tensiunea (U) și rezistența (R).
Legea lui Ohm pentru o porțiune de circuit
Pentru o porțiune de circuit menținută la temperatură constantă, intensitatea curentului electric este direct proporțională cu tensiunea aplicată la capetele porțiunii de circuit și invers proporțională cu rezistența acelei porțiuni.
I = U / R
sau
U = I · R
R = U / I
Legea lui Ohm pentru întregul circuit
Intensitatea curentului electric printr-un circuit electric închis este direct proporțională cu tensiunea electromotoare (E) a generatorului și invers proporțională cu rezistența totală a circuitului (suma dintre rezistența circuitului exterior R și rezistența interioară r a generatorului).
I = E / (R + r)
sau
E = I · R + I · r
Legile lui Kirchhoff
Legile lui Kirchhoff sunt esențiale pentru analiza circuitelor electrice complexe, în special a celor cu mai multe bucle și noduri.
Prima lege a lui Kirchhoff (Teorema nodurilor)
Suma algebrică a intensităților curenților care intră într-un nod al unui circuit este egală cu suma algebrică a intensităților curenților care ies din acel nod. Altfel spus, suma algebrică a intensităților curenților din laturile care se ramifică dintr-un nod este egală cu 0.
Convenție: Intensitățile curenților care intră în nod se iau cu semnul minus (-), iar cele care ies din nod cu semnul plus (+), sau invers, cu condiția de a respecta consecvent una dintre convenții.
- Nod: Punctul unui circuit unde se interconectează cel puțin trei elemente de circuit.
- Latură: Porțiunea de circuit cuprinsă între două noduri, care nu conține noduri interioare și este parcursă de același curent.
A doua lege a lui Kirchhoff (Teorema ochiurilor)
Suma algebrică a tensiunilor la bornele laturilor care alcătuiesc un ochi de circuit este egală cu suma algebrică a tensiunilor electromotoare ale surselor din acel ochi. Altfel spus, suma algebrică a căderilor de tensiune pe rezistoarele laturilor este egală cu suma algebrică a tensiunilor electromotoare din ochi.
- Ochi de circuit: O porțiune de circuit formată din cel puțin două laturi, care formează o linie poligonală închisă, parcursă o singură dată prin fiecare nod.
Gruparea rezistoarelor
Rezistoarele dintr-un circuit pot fi grupate în diverse moduri pentru a simplifica analiza. Un rezistor echivalent înlocuiește o grupare de rezistoare, având aceeași comportare electrică față de restul circuitului.
Gruparea în serie
Două sau mai multe rezistoare sunt grupate în serie dacă sunt conectate în aceeași ramură a unui circuit electric. În această configurație, rezistoarele sunt parcurse de același curent electric. Rezistența echivalentă este suma rezistențelor individuale: Rechivalent = R1 + R2 + ... + Rn.
Gruparea în paralel
Două sau mai multe rezistoare sunt grupate în paralel dacă sunt conectate între aceleași două noduri. În această configurație, rezistoarele au aceeași tensiune la borne. Inversul rezistenței echivalente este suma inverselor rezistențelor individuale: 1/Rechivalent = 1/R1 + 1/R2 + ... + 1/Rn.
Efectele curentului electric
Trecerea curentului electric prin diferite medii poate produce diverse efecte, care implică transformarea energiei electrice în alte forme de energie:
- Efectul Joule (terdic): Se manifestă prin încălzirea conductoarelor parcurse de curent electric. Energia electrică se transformă în energie termică.
- Efectul electrochimic (electroliza): Procesul de orientare și separare a ionilor unui electrolit sub acțiunea curentului electric continuu. Prin electroliză se obțin substanțe chimice, precum și metale de înaltă puritate (ex: cupru electrotehnic). Galvanoplastia, o aplicație a electrolizei, constă în depunerea unor straturi metalice subțiri pe obiecte pentru protecție sau decor (nichelare, cromare, argintare etc.).
- Efectul magnetic: Apariția unui câmp magnetic în jurul conductorului parcurs de curent, sau inducerea unei tensiuni electromotoare într-un conductor aflat într-un câmp magnetic variabil (inducția electromagnetică Faraday).
