ELECTROCINETICA

Pirvulescu Raluca

X s2

INTENSITATEA CURENTULUI ELECTIRC

Curentul electric reprezintă deplasarea dirijată a sarcinilor electrice. Există două mărimi fizice care caracterizează curentul electric:

intensitatea curentului electric , numită adesea simplu tot curentul electric, caracterizează global curentul măsurănd cantitatea de sarcină electrică ce străbate secţiunea considerată în unitatea de timp. Se măsoară în amperi.

densitatea de curent este o mărime vectorială asociată fiecărui punct, intensitatea curentului regăsindu-se ca integrală pe întreaga secţiune a conductorului din densitatea de curent. Se măsoară în amperi pe metru pătrat.

Sarcinile electrice în mişcare pot fi purtate de electroni, ioni sau o combinaţie a acestora. Stabilirea curentului electric este determinată de existenţa unei tensiuni între cele două puncte (între care se deplasează sarcinile). De asemenea, curentul electric se mai poate stabili dacă un circuit închis este influenţat de o tensiune electromotoare.

Dacă se notează sarcina electrică prin Q, timpul cu t şi intensitatea curentului electric cu I, aceste mărimi sunt legate prin relaţia:

Pentru mărimi variabile în timp formula se poate rescrie folosind mărimi instantanee:

CIRCUIT ELECTRICo Un circuit electric este o reţea care realizează o buclă

închisă, realizând astfel o cale de întoarcere pentru curentul electric. O reţea este o conexiune dintre două sau mai multe componente, şi poate fi şi deschisă, nu neapărat un circuit închis.

o Reţelele electrice care se compun din surse (de tensiune sau de curent), elemente liniare(rezistori, capacităţii - condensatori, inductori) şi elemente liniar distribuite ( linii de transmisie a energiei) pot fi analizate prin metode algebrice pentru determinarea răspunsului în DC( Curent Continuu), în AC( Curent Alternativ) sau în regim tranzitoriu.

o O reţea care conţine, de asemenea şi componente electronice active se numeşte circuit electronic. Aceste reţele sunt, în general, neliniare şi necesită un design şi o analiză mai complexă.

Metode de proiectare Pentru a construi orice circuit electric, fie analogic sau digital, inginerii

electricieni trebuie să fie capabili să prevadă tensiunile şi curenţii în orice punct al circuitului. Circutele liniare, care sunt circuite care au la intrare şi la ieşire aceeaşi frecvenţă, pot fi analizate manual, folosind teoria numerelor complexe. Celelalte circuite pot fi analizate doar cu programe specializate sau cu tehnici de estimare.

Programe pentru simularea circuitelor, cum ar fi VHDL sau PSPICE, permit inginerilor proiectarea circuitelor intr-un timp şi cu costuri reduse, nu în ultimul rând eliminând erorile uzuale.

Legi electrice Un număr de legi electrice se aplică petru toate circuitele electrice.

Acestea sunt: Legea lui Kirchhoff( pentru curent): Suma curenţilor care intră într-un nod

este egală cu suma curenţilor care ies din nodul respectiv. Legea lui Kirchhoff( pentru tensiune): Suma diferenţelor de potenţial într-

o buclă de circuit este zero. Legea lui Ohm: Căderea de tensiune pe un rezistor este egală cu

produsul rezistenţei şi al curentului care parcurge rezistorul( la temperatură constantă).

Teorema lui Norton: Orice reţea de surse de tensiune şi/sau curent şi rezistori poate fi echivalată cu o sursă ideală de curent şi un singur rezistor în paralel cu acea sursă.

Teorema lui Thévenin: Orice reţea de surse de tensiune şi/sau curent şi rezistori poate fi echivalată cu o sursă ideală de tensiune şi un singur rezistor în serie cu acea sursă.

Numim circuit electric un traseu închis de−a lungul căruia pot trece purtătorii de sarcină electrică.

Într−o lanternă, închizând întrerupătorul, traseul este complet şi permite purtătorilor de sarcină să circule

REZISTENŢĂ ELECTRICĂ Rezistenţa electrică este o mărime fizică prin care se

exprimă proprietatea unui conductor electric de a se opune trecerii prin el a curentului electric. Unitatea de măsura a rezistenţei electrice, în SI, este ohm-ul, notat cu Ω.

Pentru un conductor omogen, valoarea rezistenţei este : unde: ρ este rezistivitatea materialului din care este făcut

conductorul, măsurată în ohm · metru; l este lungimea conductorului, măsurată în metri; S este secţiunea transversală a conductorului,

măsurată în metri pătraţi; Într-un circuit electric, valoarea rezistenţei se

calculează cu ajutorul legii lui Ohm, fiind egală cu raportul dintre tensiunea U aplicată la bornele sursei şi intensitatea I a curentului care circulă prin conductor.

LEGEA LUI OHM   Legea lui Ohm este o simpla relatie intre curent tensiune si

rezistenta dintr-un circuit electric.Legea lui Ohm :Curentul intr-un circuit electric este direct proportional cu tensiunea si invers proportional cu rezistenta .Notatie :I = currentV = tensiune R= rezistentaO parte a legii lui Ohm spune ca : curentul este direct proportional cu tensiunea .Daca tensiunea dintr-un circuit creste sau scade atunci curentul va creste sau scade in accasi masura cu tensiunea.Alta parte a legii lui Ohm spune ca curentul este invers proportional cu rezistenta .Daca rezistenta electrica creste atunci curentul electric va descreste.Din afirmatiile de mai sus putem deduce urmatoarele formule :Formula 1 pentru legea lui Ohm  : V = I * RPentru a afla valoarea curentului sau a rezistentei electrice pot fi utilizate urmatoarele formule care sunt la fel ca si formula 1 dar sum alta forma.A doua forma pentru legea lui Ohm : Curentul = Tensiunea / Rezistenta sau I = V / RA treia forma pentru legea lui Ohm : Rezistenta =tensiunea/ Curent sau R = V / I

1. Legea lui Ohm Tensiunea se măsoară în volţi şi este simbolizată prin „E” sau „V” Curentul se măsoară în amperi şi este simbolizat prin „I” Rezistenţa se măsoară în ohmi şi este simbolizată prin „R” Legea lui Ohm: E = IR; I = E / R; R = E / I Curentul Un circuit electric este format atunci când este construit un drum prin care

electronii se pot deplasa continuu. Această mişcare continuă de electroni prin firele unui circuit poartă numele curent, şi adeseori este denumită „curgere”, la fel precum curgerea lichidului dintr-o ţeavă.

Tensiunea Forţa ce menţine „curgerea” electronilor prin circuit poartă numele de

tensiune. Tensiunea este o mărime specifică a energiei potenţiale ce este tot timpul relativă între două puncte. Atunci când vorbim despre o anumită cantitate de tensiune prezentă într-un circuit, ne referim la cantitate de energie potenţială existentă pentru deplasarea electronilor dintr-un punct al circuitului într-altul. Fără a face referinţa la două puncte distincte, termenul de „tensiune” nu are sens.

Rezistenţa electrică Electronii liberi tind să se deplaseze prin conductori cu o anumită rezistenţă sau

opoziţie la mişcare din partea acestora. Această opoziţie poartă numele de rezistenţă. Cantitatea de curent disponibilă într-un circuit depinde de cantitatea de tensiune disponibilă pentru a împinge electronii, dar şi de cantitatea de rezistenţă prezentă în circuit. Ca şi în cazul tensiunii, rezistenţa este o cantitate ce se măsoară între două puncte distincte. Din acest motiv, se folosesc termenii de „între” sau „la bornele” când vorbim de tensiunea sau rezistenţă dintre două puncte ale unui circuit.

Pentru a putea vorbi concret despre valorile acestor mărimi într-un circuit, trebuie să putem descrie aceste cantităţi în acelaşi mod în care măsurăm temperatura, masa, distanţă sau oricare altă mărime fizică. Pentru masă, putem folosi „kilogramul” sau „gramul”. Pentru temperatură, putem folosi grade Fahrenheit sau grade Celsius. În tabelul alăturat avem unităţile de măsură standard pentru curentul electric, tensiune electrică şi rezistenţă:

„Simbolul” pentru fiecare mărime este litera din alfabet folosită pentru reprezentarea mărimii respective într-o ecuaţie algebrică. astfel de litere standard sunt folosite adesea în discipline precum fizica şi ingineria, şi sunt recunoscute la nivel internaţional. „Unitatea de măsură” pentru fiecare cantitate reprezintă simbolul alfabetic folosit pentru a prescurta notaţia respectivei unităţi de măsură.

Fiecare unitate de măsură poartă numele unei personalităţi importante din domeniul electricităţii: amper-ul după Andre M. Ampere, volt-ul după Alessandro Volta, şi ohm-ul după Georg Simon Ohm.

Valoarea instantanee a curentului şi a tensiunii Toate aceste valori sunt exprimate cu litere de tipar, exceptând cazurile în

care o mărime (în special tensiunea sau curentul) este exprimată în funcţie de o durată scurtă de timp (numită valoarea instantanee). De exemplu, tensiunea unei baterii, fiind stabilă pe o perioadă lungă de timp, va fi simbolizată prin „E”, pe când tensiunea maximă atinsă de un fulger în momentul lovirii unei linii electrice va fi simbolizată cu litere mici, „e” (sau „v”) pentru a desemna această valoare ca existentă într-un anumit moment în timp. aceeaşi convenţie se foloseşte şi în cazul curentului, litera „i” fiind folosită pentru a reprezenta curentul instantaneu. Majoritatea mărimilor din curent continuu, fiind constante de-a lungul timpului, vor fi simbolizate cu litere mari (de tipar).

Coulomb-ul şi sarcina electrică O mărime de bază în măsurătorile electrice, predată adesea la începutul cursurilor de

electronică dar nefolosită mai târziu, este Coulomb-ul, mărimea sarcinii electrice proporţională cu numărul de electroni în stare de dezechilibru. O sarcină de un Coulomb este egală cu 6,25x1018 electroni. Simbolul mărimii sarcinii electrice este litera Q, iar unitatea de măsura, Coulombul, este abreviata prin C. Vedem prin urmare faptul că unitate de măsură pentru deplasarea electronilor, amperul, este egal cu o cantitate de electroni egală cu 1 Coulomb ce se deplasează printr-un punct al circuitului într-un interval de 1 secundă. Pe scurt, curentul este gradul de deplasare al sarcinii electrice printr-un conductor.

Joule-ul şi energia electrică După cum am mai spus, tensiunea este mărimea energiei potenţiale pe unitatea de sarcină

disponibilă pentru motivarea electronilor dintr-un punct în altul. Înainte de a putea da o definiţie exactă a „volt”-ului, trebuie să înţelegem cum putem măsura această cantitate pe care o numim „energie potenţială”. Unitatea generală pentru orice tip de energie este Joule-ul, egal cu lucrul mecanic efectuat de o forţă de 1 Newton pentru a deplasa un corp pe o distanţă de 1 metru. Definit prin aceşti termeni ştiinţifici, 1 volt este egal cu raportul dintre o energie electrică potenţială de 1 Joule şi o sarcină electrică de 1 Coulomb. astfel, o baterie de 9 volţi eliberează o energie de 9 Jouli pentru fiecare Coulomb de electroni ce se deplasează prin circuit.

Definirea legii lui Ohm Aceste simboluri şi unităţi pentru mărimile electrice vor fi foarte importante atunci atunci

când vom începe să folosim relaţiile dintre ele în cadrul circuitelor. Prima, şi poate cea mai importantă, este relaţia dintre curent, tensiune şi rezistenţă, legea lui Ohm, descoperită de Georg Simon Ohm şi publicată în 1827 în lucrarea Die galvanishe Kette, mathematisch berabeitet (de) (Analiza matematică a circuitului galvanic). Principala descoperire a lui Ohm a fost că, cantitatea de curent printr-un conductor metalic într-un circuit este direct proporţională cu tensiunea aplicată asupra sa, oricare ar fi temperatura, lucru exprimat printr-o ecuaţie simplă ce descrie relaţia dintre tensiune, curent şi rezistenţă.

Această relaţie fundamentală este cunoscută sub numele de legea lui Ohm: E = IR

Analiza circuitelor simple folosind legea lui Ohm Să folosim acum aceste ecuaţii pentru a analiza circuitele simple. În circuitul alăturat, există doar o singură sursă de tensiune (bateria), şi

doar o singură rezistenţă (becul, neglijând rezistenţa datorată conductorilor). În această situaţie legea lui Ohm se poate aplica foarte uşor. În cazul în care cunoaştem două din cele trei variabile (tensiune, curent şi rezistenţă) din acest circuit, putem folosi legea lui Ohm pentru determinarea celei de a treia.

În acest prim exemplu, vom calcula cantitatea de curent (I) dintr-un circuit, atunci când cunoaştem valorile tensiunii (E) şi a rezistenţei (R). Care este valoarea curentului (I) din acest circuit?I = E / R = 12 V / 3 Ω = 4 A

În al doilea exemplu, vom calcula valoarea rezistenţei (R) într-un circuit, atunci când cunoaştem valorile tensiunii (E) şi a curentului (I).

Care este valoarea rezistenţei becului în acest caz? R = E / I = 36 V / 4 A = 9 Ω În ultimul exemplu, vom calcula valoarea tensiunii generate de

baterie (E), atunci când cunoaştem valoarea curentului (I) şi a rezistenţei (R).

Care este valoarea tensiunii generate de baterie? E = IR = (2 A)(7 Ω) = 14 V

LEGILE LUI KIRHHOFF

  Legile lui Kirhhoff permit determinarea unor marimi fizice necunoscute , cunoscand alte marimi fizice.            Prima teorema ( lege ) a lui Kirchhoff se refera la un nod si se poate enunta in felul urmator:Suma algebrica a intensitatilor curentlor din laturile care se ramifica dintr-un nod al unui circuit este egala cu 0.Un nod este punctul unui circuit in care sunt interconectate cel putin trei elemente de circuit.Latura unui circuit reprezinta o portiune de circuit care este cuprinsa intre doua noduri,nu cuprinde nici un nod interior si este parcursa de acelasi curent.O conventie adoptata in formularea legii conservari sarcinii spune ca intensitatile curentilor care pleaca dintr-un nod se iau cu semnul + ,iar cele care intra in nod cu semnul -.

Exemplu primei  teoreme ( legi ) a lui Kirchhoff I1+I2-I3=0

            A doua teorema ( lege ) a lui Kirchhoff face referinta la un ochi de circuit si suna in felul urmator:Suma algebrica a tensiunilor la bornele laturilor ce alcatuiesc un ochi este egala cu 0 ; suma algebrica tensiunilor electromotoare ale surselor din laturile unui ochi de retea este egala cu suma algebrica a caderilor de tensiune pe rezistoarele laturilor.

Un ochi de circuit reprezinta o portiune de circuit care este formata din cel putin doua laturi care formeaza o linie ploigonala inchisa si la parcurgerea caeia se trece prin fiecare nod o singura data.

Exemplu legea ( teorema ) a doua a lui Kirchhoff .

ELEFCETELE CURENTULUI ELECTRIC Efectul termic (denumit şi efect Joule-Lenz) este reprezentat de

disiparea căldurii într-un conductor traversat de un curent electric. Aceasta se datorează interacţiunii particulelor curentului (de regulă electroni) cu atomii conductorului, interacţiuni prin care primele le cedează ultimilor din energia lor cinetică, contribuind la mărirea agitaţiei termice în masa conductorului. Efectul magnetic

Este reprezentat de apariţia unei tensiuni electromotoare de inducţie (descrisă cantitativ de legea inducţiei electromagnetice Faraday) într-un conductor supus acţiunii unui câmp magnetic.

Efectul electrochimic Electroliza este procesul de orientare şi separare a ionilor unui electrolit cu

ajutorul curentului electric continuu. Efectul Hall Cea mai răspândită aplicaţie tehnică a efectului Hall este teslametrul. Efectul piezoelectric Efectul piezoelectric direct constă în proprietatea unor cristale de a se

încărca cu sarcină electrică pe unele dintre feţele acestora atunci când sunt supuse la solicitări de întindere sau de compresiune după o anumita direcţie.

Efectul fotoelectric Energia purtată de radiaţia electromagnetică este de natură

discretă sub formă de cuante de energie numite fotoni. Efecte termoelectrice (Seebeck, Peltier şi Thompson) Efectul Seebeck constă în apariţia unei t.e.m. într-un circuit

format din două conductoare de natură diferită cu joncţiuni la capete, când cele două joncţiuni se află la temperaturi diferite.

Pe baza acestui efect se realizează termocuple pentru măsurarea temperaturii.