Prof. Mureşan Carmen Silvia

ELECTROCINETICA

CURENTUL ELECTRIC

DEFINIRE Parte a fizicii care studiază fenomenele legate de

mişcarea (cinetica) sarcinilor electrice (electro’n). Sarcinile electrice includ pe lângă electroni şi ioni sau

goluri (sarcini pozitive), în funcţie de natura materialului conductor.

Obs. Mişcarea componentelor materiei, precum ştim deja, este specifică materiei, prin urmare obiectul acestui capitol al fizicii include un anumit tip de mişcare – mişcarea de ansamblu dirijată (ordonată) a sarcinilor electrice, numită curent electric.

Atingerea unui obiect metalic nu produce leziuni, dar al unui conductor parcurs de curent electric produce !

Pentru a înţelege producerea curentului electric trebuie cunoscute caracteristicile sarcinilor electrice.

În metale, sarcina electrică reprezintă mărimea fizică care caracterizează cantitativ şi calitativ electrizarea. Electrizarea – fenomenul fizic de suprafaţă datorat unui

transfer de energie şi care se manifestă prin crearea unor zone superficiale de deficit sau exces de electroni.

ENERGIE

SARCINA ELECTRICĂ

+

Nor electronic (-)

Structura metalulului- ioni

pozitivi şi nor electronic extins pe reţeaua metalică!

ARE LOC ELECTRIZARECU SARCINĂ

POZITIVĂ

++

++

+

+

Deficit de electroni

(+)

19

C

nr.electroni transfera

fenomenul este descris de r

ţi

sarcina elementară;

n

e

el

1,

a :

0

ia

1

ţ

6Q

Cantitativ

Q

eC

,

n;

1

e

pozitivă

ne

deficit de electroni

excesga dtivă e electroni

Calitativ,

existenţa celor două

tipuri de sarcini

Q

CÂMPUL ELECTRIC În jurul corpului electrizat se manifestă interacţiuni care

explică existenţa unui câmp fizic - CÂMPUL ELECTRIC - forma de existenţă a materiei cu proprietăţi specifice corpului. Mărimea scalară care caracterizează energia câmpului electric este

potenţialul electric: V =9.10 9 .Q/r, conform relaţiei vor exista suprafeţe de potenţial –suprafeţe cu potenţial identic în jurul corpului electrizat (r fiind distanţa faţă de sursa de câmp).

Mărimea vectorială care exprimă prorietăţile acestui câmp este intensitatea câmpului electric: Ē = 9 . 10 9 . Q/r2

+ -

Concluzie : Câmpul electric este orientat de la + la - !

Ē

CAPACITATEA ELECTRICĂ Pentru orice conductor izolat, sau înconjurat de conductoare

legate la pământ, sarcina înmagazinată pe conductor este proporţională cu potenţialul electric.

Mărimea fizică care exprimă acest raport este capacitatea electrică: Q

CV

Unitatea de măsură în SI este Faradul:1

11C

FV

Faradul fiind o unitate prea mare , se utilizează submultiplii:

3

6

1 ( ) 10

1 ( ) 10

mF mili farad F

F micro farad F

9

12

15

1 ( ) 10

1 ( ) 10

1 ( ) 10

nF nano farad F

pF pico farad F

fF fento farad F

CURENTUL ELECTRIC Efectuăm un experiment intuitiv pentru a observa

efectul conectării a două sfere identice electrizate cu sarcină opusă.

V A -

V B +Impuls de curent electric

V A =V B

Concluzie: Curentul de electroni se produce atâta timp cât există diferenţă de potenţial între cele două sfere-

densitate de sarcină diferită, în cazul de faţă , iar sensul convenţional al curentului corespunde sensului câmpului

electric . Menţinerea diferenţei de potenţial este asigurată de dispozitivul numit GENERATOR ELECTRIC, care va

închide circuitul.

EFECTUL CÂMPULUI ELECTRIC Pentru a înţelege efectul leziunilor produse de metalul conectat la

generator , interpunem un conductor metalic între două puncte de potenţial diferit.

-

V A V B

Valoarea intensităţii curentului este proporţională cu numărul de electroni care parcurg conductorul în unitatea

de timp.

Intensitatea curentului electric

CONCLUZIE: Electronii de conducţie primesc energia necesară pentru deplasarea de la potenţial negativ la potenţial pozitiv şi pentru compensarea energiei pierdute prin ciocnire parţial elastică cu ionii reţelei metalice.

++

+

+

++

++

sarcina electrică transportată

durata transportului

qI

t

Unitatea de măsură este amperul , iar instrumentul de măsurare ampermetrul.

CI =1 =1A

s

CURENTUL ÎN ELECTROLIŢI Un alt tip de conductor este electrolitul. În experimentul de

mai jos vom observa că soluţia de sare în apă se comportă identic cu materialul conductor.

Reacţiile la cei doi electrozi (potenţial diferit) sunt: Catod: 2H2O + 2e− → 2OH− + H2

Anod :2NaCl → 2 Na+ + Cl2 + 2e−

+ -

CONDUCŢIE INSTANTANEE Viteza electronilor de conducţie este relativ mică,

atunci cum explicăm iluminarea instantanee a becului ?

Să privim curentul apei printr-o conductă, respectiv bilele printr-un tub şi să asociem exemplele cu curentul electric :

Observăm că practic instantaneu se produce transferul “sarcinii” la capetele sistemului, indiferent de viteza fiecărei componente.

Concluzie: Viteza de ansamblu a electronilor (curentului electric) este egală cu viteza câmpului electric adică c≈ 3 . 108 m/s (viteză luminii în vid).

CONCLUZII Curentul electric este efectul existenţei câmpului electric, a

diferenţei de potenţial definită prin mărimea fizică numită tensiune electrică – lucrul mecanic efectuat de forţele electrice pentru deplasarea sarcinii electrice între două puncte ale câmpului : UAB= VA-VB = LAB/q. [U] =1 J/C=1V (volt).

Dispozitivul de măsurare este voltmetrul.

Dispozitivul electric care menţine diferenţa de potenţial este generatorul electric. Condiţia rezultată din aceasta este formarea unui circuit închis

între cele două surse de câmp.

!Generatorul electric nu produce sarcină electrică ci doar dirijează transportul acesteia; energetic vorbind îi conferă energia necesară deplasării.

Sensul intensităţii curentului electric este identic cu sensul câmpului electric (de la + la -) şi opus sensului deplasării electronilor.

Dispozitivul de măsurare este ampermetrul.

Sarcinile electrice : ioni –electroliţi, electroni – metale.

1. Care sunt condiţiile elementare pentru producerea curentului electric ?

2. Completaţi potenţialul electric al celor două sfere şi sensul de deplasare a electronilor dacă sensul curentului este cel de pe figură :

3. Scopul producerii curentului electric constă în funcţionarea consumatorilor . Amintiţi câţiva consumatori utilizaţi curent în gospodărie.

4. Ce tipuri de generatori electrici cunoaşteţi ? Ce ştiţi despre aceştia?5. Straturile superioare ale atmosferei Pământului primesc în fiecare

minut aproximativ 10 protoni pe fiecare cm2 . Care este intensitatea curentului pe care Pământul îl primeşte din spaţiu? Raza Pământului este 6400km.

6. Un fulger transportă 30 C sub tensiunea de 10 milioane de volţi. Care este valoarea energiei degajate de fulger? Dacă fulgerul durează o milionime de secundă, care este puterea curentului electric ?

7. Un bec de lanternă funcţionează normal când este străbătut de un curent electric cu intensitatea de 100 mA. Câtă sarcină electrică trece prin filamentul becului într-o oră de funcţionare normală ?

TEST

ELECTRICITATE ATMOSFERICĂ

1. De ce descărcarea electrică a unui fulger

urmează o cale ramificată şi în zig-zag prin aer ?

2. Ce fenomene însoţesc descărcarea electrică sub

formă de fulger sau trăsnet ?

3. Adeseori copacii sunt despicaţi de trăsnet fără a

fi carbonizaţi. Ce se întâmplă în acest caz ?

4. Pentru ce trăsnetul loveşte aproape în mod sigur

pilotul unui planor, dar nu şi pilotul unui avion ?

5. Cum ne protejam de fulger ?

ÎNTREBĂRI GENERALE

Ce rol joacă energie electrică în economia vieţii

moderne?

http://www.pbs.org/wgbh/amex/edison/sfeature/a

cdc.html

-animatie on-line super generator de curent

http://msabau.xhost.ro/?Fizic%E3:Electrocinetica

–lectii de fizică frumos realizate

http://www.petervaldivia.com/technology/electric

ity/index.php

-simpatic cu animatii-electricitate