MINISTERUL EDUCATIEI NATIONALE

prof. gr. l. Sabina Hilohl

cercer. gt. pr. ing. Florin Hilohi prof. dr. ing: Dolnita Ghinea

Electrotehniciap licati

Liceu tehnologic, prolil lehnic

MonuolpentuclosooX-o

i ;i dutomatizdri,

'ffittrol pentru acliondri,utd,

t

r,2001.nicii,

Cap.l1.1

1.21.3

1.4

Czp.2

2.12.22.32.42.52.62;72.8

CUPRINS

Definirea mlrimilor de bazd din electrostaticiNoliuni specificeDefurirea globali a mirimilor de baziStdri ale corpurilor specifice producerii fenomenelor electrostaticeAplica$i tehnice

Explicarea noliunilor de: forfi electrostaticd' cimp electric'induqtig flux, potential, tensiune, Gruparea condensatoarelorForle electrice. Fo4e electrostaticeCimpul electricFlnxul electricPotenlialul electrostatic. Tensiunea electrostaticaCiimpul electric in interiorul corpurilorInduclia electricdMigcarea in cimp electric a particulelor incircateC€pacitatea electdci. Gruparea condensaloarelor

Cap3 Legile de bazl ale electrocineticii3.1 Starca de conduc(ie. Definirea curentului electric3-2 Aplicalii tehnice3.3 Legea conducjiei electrice3.4 Teoremele lui Kirchhoff3.5 kgea transform6rii energiei in conductoarele parcurse de cutent

flegea Joule)

Cap,l Cimpul magnetic. Legea inducliei electromagnetice4.1 Actiuni ponderomotoare care atesta prezenla campului magnetic.

Definirea cdmpului magnetic. Surse de citnp magnetic

4.2 Poli magnetici' 4.3 Spectrul cAmpului magnetic

4.4 Inductia magneticA4-5 Intensitateacampuluimagnetic4.6 Tensiuneamagneticf,4-7 Tensiunea magnetomotoare. Teorema lui Ampdre4.8 Fluxul cdmpului magnetic4.9 Inductanla unui circuit

4.10 For_ta Lorentz4.11 Fo4a Laplace4.12 Fo{a electrodinamicd4.13 Cuplul de fone exercitate asupra acului magnetic4.14 Proprietdlile magnetice ale materialelor gi comportarea acestora in

cAmp magnetic4.1 5 Inductia electromagneticd. Observarea gi definirea fenomenului.

Legea inducliei electromagnetice4.16 Sensul curentului indus. Regula lui Lenz

1

3

46

15

t7

17

222731

39454751

5tt5666677480

84

848687889091

91

93939597

9p ..99

100

104106

223

4.l7 AutoinducJia4.18 Cuplajul inductiv a doud circuite4.19 Energia cAmpului magnetic al unei bobine4.20 Fo{a portanta a unui electromagnet

Cap.5 Componente electrice pasive de circuit5.1 Rezistoare5.2 Condensatoare5.3 Bobine5.4 Componentreelectricepasiveminiaturizate

Cap.6 Efectelec[rentuluielectric6.1 Efectulelectrocaloric6.2 Efectulelectrochimic6.3 Efectul Hall6.4 Efectulpiezoelectric6.5 Efectulfotoelectric6.6 Efectul Seebeck

Cap.7 Curentulalternativ7.1 Producerea tensiunii electromotoare alternative monofazate7.2 Mirimi caracteristice curentului alternativ monofazal7.3 Producerea tensiunii electromotoare alternative trifazate7.4 Conexiunile generaloarelor. Relalii intre tensiuni7.5 Conexiunile receptoarelor. RelaJii intre curenli7.6 Puterea totald in sisteme trifazate7.7 Comportarea elementelor pasive de circuit in curent alternativ7.8 Gruparea elementelor pasive de circuit R, L, C.

Cap.8 Sistemul energetic national. Receptoare uzuale. Principiulredreslrii, filtrlrii qi stabilizirii

8.1 Structura sistemului de producere, transport gi distribulie a energieielectrice

8.2 Receptoareelectrice8.3 Principiul redresdrii, filtrdrii li stabilizarii

Cap.9 Echipamente electrice de comutalie qi de protecfie. Maqinielectrice

9.1 Echipamente electrice de comutatie qi de protecfie9.2 Magini electrice9.3 Transformatorulelectric9.4 Solicitdri ale aparatelor gi maginilor electrice

Cap.10 Instalaliielectriceindustriale10.1 Sudareaelectricd.10.2 Trac{iunea electricd 9i aclionarea electrici a utilajelor10.3 Prelucrarea cu ultrasunete gi prin electroeroziune10.4 Nome specifice de protectia muncii pi PSI in exploatarea

echipatrentelor gi instalaliilor electrice. Acordarea primului ajutor

108

109I t0llltt4tI4118

124127

129129133

135

139141

143t43144148

148

\49t49150155

162

115188202206

210210212216

219

t62161

171

175

EFii Dr. 3787 din 05.04.2005, inllrb rcalizat in cotrfondtate fllr&ii trr. 345 I din 09.03 .2004 $i

kliaAnghelE e.;6i-N@eiziaLupu

tsicaGeorgescuElquMgulelei Dumitru

CAPITOLUL I

DEFINIREA MARTMILOR DE BAZA DINELECTROSTATTCA

Electrostatica studiazl fenomenele din sistemele fizice formate dincorpuri imobile unul fali de altul qi din cAmpuri elecarice, la care mirimilede stare electricl sunt invariabile in timp gi densitatea curentului electric deconductie este nuli.

1-t. NOTIUNI SPECIFICE

o Prin sistem se intelege un ansamblu de corpuri Si cAmpuri; acestelalc[tuiesc elementele sistemului.

c Prin sistemfizic se inlelege sistemul in care au loc numai fenomene fizice.o Ca element component al sistemelor fizirce, cdmpul este o formd de

materie (deosebitA de substanla corpurilor, qi exist?i gi in vid).Convenlional, prin vld se inlelege o regiune a spaliului lipsitd de corpuri, de

particule de substanli, dar care conline alte forme de materie (exemplu: cimpelectromagnetic).

Fizic, noliunea de cdmp are semnificalia de regiune din spaliu unde semanife std anumite pr op i e td! i.

o Cdmpul electromagnetic este o formd de materie care poate eiercitafo(e gi momente (ac{iuni ponderomotoare) asupra corpurilor; el are dou6 aspecteparticulare: cdmpul electric qi cAmpuJ magnetic. Cele doud cdmpuri se manifestisimultan, dar in anumite condijii poate exista numai unul dintre cAmpuri_

. Fenomenele fizice sunt transformdri care au loc in sisteme fizice, frr6,modificarea structurii substanlelor din care sunt alcituite elementele supusetransformarii.

o Fenomenele electromagnetice sunt fenomene ftzice care, spre deosebirede ahe lenomene fizice (optice, mecanice, termice etc.) cu puline exceplii. nusunt percepute direct de citre organele de sim! ale omului gi studiul lor este maidificil. Mai comod qi cu mai mare relevanli practicA este studiul fortplor,momentelor etc. la care sunt supuse corpurile situate in regiunile spa{iului undeexistd stdri electrice sau magnetice (stdri electromagnetice).

g. Mhai Octaviao pooesculrfcohe Andronachi '

: : rrtrurl pentrurElo&iiPedagoeicj,2018

. irtr-un sistem fizic se poate produce un fenomen electromagnetic numaidacd cel pr.rfin unul dintre elementele sistemului este un corp aflat ir stareelectro-magneticd sau este un c6mp electromagnetic.

. Prin starea unui sislent fzic se inlelege un anumit moment corcret, incare se afla simultan toate elementele sistemului.

o Toate insufilile misurabile pe care le au elementele sisternului intr-ostare oarecare se numesc mdrimi de slare.

Orice mirime de stare, care se referd la o proprietate definiti intr-un punctal unui element dintr-un sistem fizic, este mdrime locald sau mdrime punctuald.

Orice mdrime de stare, care se referd la o proprietate definita intr-o zond, urdomeniu dintr-un element al unui sistem fizic, este o mdrime de stare globald.

Mdrirnile de stare pot fi, scalare sa\t yectoriale. Modul de varia{ie in tirnp amdrimilor caracteristice determini anumite regimuri de stare a sistemelor fizice:

- regimul stalic - toate elementele de stare rdmAn constante in timp gi nu se

produc schirnbdri de energie intre sistem gi exterior;

- regimul stalionar - loate mdrimile de stare rirndn constante in timp, darse ploduc schimburi de energie intre sistem gi exterior;regimul cvasistalionar - mdrimile variaze lent in timp;regimul tariabil sau ne:italionar cel pu{in una din mdrimile de stare este

variabil[.o Variatia in timp a mdlimilor de stare poate fi descrisd de funclii

matematice; in anumite cazuri regimul este denumit dupe aceste func{ii. Astfel,dace toate mirimile de stare sunt descrise de funclii sinusoidale, de frecvenlifregimul este regrrn sinusoidal.

o Mdrimile de stare macroscopice, se referi la proprietdli ale elernentelor(corpuri gi cAmpuri) unui sistem ftzic, care pot fi mdsurate direct. Ele suntnecesare pentru studiul fenomenelor fizice, care pot fi caracterizate prin legi,teoreme, principii.

In teoria macroscopicd (in care se opereazi cu mdrimi de stare macrosco-pice) nu se ia in considerare structura interni a substan{ei corpurilor gi fiecarecorp este un domeniu material cu structurd conlinud.

Teoria microscopicd, opereazd, ct mdrimi de slare microscoplce. care nupot fi mlsurate direct gi considerd corpurile macroscopice ct structurii discretd(compuse dintr-un numdr infinit de particule microscopice). Prin teoria micro-scopicd se pot explica mecarrisrnul de producere qi cauzele fenomenelor fizice.

1.2. DEFINIREA GLOBALA A MAruMTT,ON IN SAZA

Mdrimile primitive (de bazd) sunt rndrimi definite prin abstractizare, prinexttagerea conchziilor esenliale din foarle multe experielrte gi experimente in careintervin numai acele proprietd{i ale fenomenelor calaS{erizate de aceste mirimi.

Cele mai impodante mdrimi de stare primitive care caracterizeazi in teoriamacroscopicd starea elementelor din sistemele fizice in care se produc fenomeneelectromagnetice sunt mentionate in tabelul 1.1.

: ::--: rnagnetic numai.- :::p aflat in stare

- - ::::3nt coltcret, in

-:::.-emului intr-o

:c:- :- i:rtr-un punct--';-.-:. yttotctuald.

r'- - .:-:-c-r zond, un,,.:.:::;--: zlobald.

:€ .:-::ie in timp a-. : : :::::: :r fiZiCe:

-.--- -: - ::rl si nu se

:: -:---:: :: :imp. dar-.

:- r- - : :: liare este

::-:.. :e func{ii:::r- :-:;lii.,{Stfel,, :-r:, :: lreCl enta.l

::-::: .: elementelor

--::::::.;t. Ele sunt:---:'::::rz:ie prin legi,

- :a:::r.e macrosco-: ::-iilor 9i fiecare

.-,- .- -;.ice. care nu

-- .,-i:rwd discretd': ?:: teoria nicro-;: ::e:elor fizice.

. DE B-\ZA

.- =:stractizare, prini :\:erimente in carete de aceste mdrimi.rracterizeaza in teoria: se produc fenomene

Miirimile derivate se clefinesc in furctie ;i de alte mdrimi de bazd.

MIrimi de bazl qi principale din electrostatici

Aceste mdrimi care caracterizeazd stiri ale elementelor unui sistem fizic,specifice producerii fenomenelor electrostatice sunt enumerate in tabelul 1.2.

, Starea de polarizare electricd a unur mlc

Starea cdmpului electric sta,tionar intr-un

Slarea cAmpului electric stationar intr-un

Starea de polarizare a unui corp intr-unpuncl

Re{ineli!

. MArimile primitive considerate ca mdrimi de bazl in electrostatica sunt:

sarcina electrici (adevirati), momentul electric, intensitatea cimpuluielectric in vid.

o Mirimile primitive (de bazn) din electrostaticd s-au introdus prin studiulefectelor fenomenelor electromagnetice ;i sunt exprimate in rapoft cu m6rimileneelectrice care caracterizeazd aceste efecte (exempltt: fo\e, cuplttrr).

. Definirea fiecirei mirimi se va face concomitent ct analiza stdrilor specificepe care acestea le casacterizeaztrin sistemele electromagnetice.

. in Sisten.rul Interna{ional de Unitdli de mdsuri (S1], se foloseqte nurnaiintensitatea curentttlui electric ca unitate de mdsurd de bazd.

Denumirea mirimii Simbolul Elementul din sistemf-rr.toiirqt Domeniul electric

sarcina electrici q satt Qcorp in stare de incllcale

electrostaticd

momentul electric p corn in slae de polarizare electrostatici

intensitatea curentului.lc.fri. .lP .^n.lr.tie l

cory conductor ?n stare electrocinetici

momentul magnetic com in clare de masnetizare

intensitatea campuluiE campul elecftic electrostaticd

induclia cdmpuluiB campul magnetic masnetostatice

1 .. V,,erificarea Si aplicarea competenleloi'

1. Precizali ce se inlelege prin sistem electric.2. Selectali rdspunsul corect.

C dmpul electromagne tic e s te :a. fenomen fizic; b. componenld a unui sistem fizic;c. o stare a substan{ei; d. o stare a materiei.

3. Daji exemple din activitatea practicd unde, in jurul unor corpuri alisesizat forle exercitate asupra altor corpuri; identificali natura fortelor.

4. Precizati ce este vidul.5. Precizali asemlndrile gi deosebirile intre regimul static Ai regimul sta-

!ionar.6. Comparali teoria macroscopica $i teoria microscopicd. aplicate la studiul

fenomenelor electromagnetice.7. Justifica{i modalitatea prin care s-au introdus gi s-au exprimat mdrimile

primitive din electrostaticd.8. Selecta{i rispunsul corect.

Starea electlicd a unui corp este caracterizatd prin mdrimi:a. scalare; b. vectoriale; c. globale.

9. Selecta{i rispunsul corect.Mdrimile de stare ale cdmpului electric stalionar sunt mdrimi;

a. locale; b. vectoriale; c. globale.10. Daii exemple din natur[ de fenomene electromagnetice.

1.3. STARI ALE CORPI]RILOR SPECIFICE PRODUCERIIFENOMf, NELOR ELECTROSTATICE

Fenomenele electrostatice sunt produse de corpuri imobile in stare electricdinvariabild in limp .

Starea electrici se intilnegte la:

- corpuri incircate electric (electrizate);

- corpuri polarizate electric.o Starea electricd a unui cotp se constatA prhr acliunile ponderomotoate pe

care, in anumite condifii, le supoftA corpul, sau le exerciti asupra altor corpuriprin forte sau cupluri care nu sunt nici de naturd gravitalionald, nici de naturimecanicd sau tennicd.

Retineti!

o In mod natural, majoritatea corpurilor nu sunt in stare de inc[rcare electrice,(electrizare) dar pot ajunge in aceastA stare prin anumite procedee. l

o Starea de polarizare electrici a corpurilor este diferita de starea de inclrcaidelectrici 9i poate exista pemanent sau, in anumite condilii, numai temporar. :

1.3.1. Starea de incircare electriclincircarea electrici a unui corp se obf;ne prin: frecarea cu alt corp, contact

cu alte corpuri incdrcate electric, plasarea in vecindtatea unui corp incdrcatelectric (induc{ie electricd).

. Prin activiteli experimentale se pot evidenlia aceste modalitili de incircareelectric[ a corpurilor, precum gi forlele electrice exercitafe intre ele.

corpuri a1i

i{c. -te la studiul

mirimile

ln -,

fr-t-D5tul:F:'

t*+*.- .

mucmtrFEbh goe elec*icd

'qr*leromotoare peldqpra aftor corpuriiDE, nici de naturl

f,:ffifrtrt-"ni*t*.;;;". in timpul furtunilor este periculos sd atingeli mase metalice mari; acestea se

electrizeazi prin influenJd datoritl acumulirilor de sarcini electrice la baza norilor.o Intr-o incinti cl pereli subtiri plasati in vid, prin bombardare cu raze gamm4

apar perechi de particule cu sarcini egale, de semne contrare Si cu mase egale. -

DI'FI1\'IREA T4A R1[4ILOR CARrJ CAI{ACJ'IT],R IZI]AZAS1'AItiiA D[i ;NCARCAi{Ili II,HC-IRICA

1.3.2. Mlrimi globale ale stlrii de incircare electrici.Sarcina electricl

Starea de incircare electrici a unui corp este cdracterizatl de mirimeaprimitivi (de bazd) denumitl. sarcind electricd (adevdratl) simbolizati q sau e.. -. Pentru inlroducerea Si definirea mdrimii de sarcind electricd. s-a pornitde la experienle in care s-aa mdsurat fo4ele exercitate de un corp eleitrizatasupra unui corp de probd.

Corpul de prob6, in stAri de electrizare diferite, s-a plasat in acelaqi punct inapropierea corpului electrizat, apoi intr-o singurd stare de electlizare, corpul deprobi s-a plasat in puncte diferite.

Corpul de probd este un corp metalic sau nemetalic foarte mic, de dimensiunineglijabile, incircat electric, sus{inut cu un fir perfect izolant astfel incAt starea luide electrizare sa rdmend constante. Starea de electrizare a corpului de probd esteastfel aleasd incdt nu modificd, practic, starea iniliald a cotpului electrizat.

S-a constatat cE in acelagi punct:

- mirimea forlelor d depinde de starea de electrizare a corpului de probi;- forfele F" igi pot schimba sensul, dar nu qi direcfia;- pentru puncte diferite, for{ele exercitate asupra corpului de probi in stiri

electrice identice sunt diferite.in acela5i punct se poate scrie:

F {,= ,u,, F' = 4:'

.F., F.l, F.t F,'l

Relaliile de nai sus au permis asocierea valorilor numerice ale unei mdrimicare caracterizeazd slfuile de electrizare a corpului de probd, proporlional cuvalorile numerice ale forlelor electrice exercitate asupra lui de corpul incdrcalelectric.

Aceast6 mbrirne se nume$te sarcina electricd gi relalia de proporlionalitatese poate scrie:

F. F'." = ---! = k4(S.,.S., ). ( 1.1)O.' C'

- ^Ytr! J r''

. Raportul valorilor numerice ale forlelor cu care corpul electrizatactioneazA asupra corpului de probd nu depinde de punctul considerat ci numaide starea de inciircare electricd a corpului de probd.

. Sarcina electricd este o mdrime primitivd (de bazit), scalari definitdpentru intregul cotp.

o Unitatea Sl de sarcinb electricl este coulombul (simbol C).. Satcina electricd ce caracterizeazd numai starea de incdrcare electricd

a unui corp se nunle$te sarcind electricii adeyiiratii.

rr *,l-.f.r

Fig, 1,2. Forfe electrice gxercitate de un corp electrizat asupra urlor corpuri de probdlI corp electrizat; 2 - corp de probe; Pt, Pr' - puncte in apropierea corpului electrizat:

F",, F"r, F", - forfe electrice cxercitate in punctul P1 asupra corpului dc proba. aflat in stdrile de electrizare S.1, S"2, Sa

F',b F,2, F,j forle electrice exercitate in punctul P'r asupra corpului de probaatlat il1 stArile de electrizare S"r, S.z, S"r

llasat in acelagi punct inde electrizare, corpul de

imrte mic, de dimensiunihot astfel ?ncit starea luiN:coeului de probd estephi electrizat.

. Fortele cu care corpul electrizat aclioneazi asupra corpului de probd cuaceea$i stare de inc5.rcare electricd, plasat in puncte diferite, sunt diferite.

(Fet * F" er'. Fez: Fez, F4 * F ").o Forla cu care un corp electrizat aclioneazl asupra unui corp de problsituat in vid in apropierea sa este propo4ionali, cu smcina electricd a corpuluide probd Si cu o valoare vectoriald, locall, caracteristicS punctului considerat.

Cea mai mici valoare a sarcinii electrice determinate experimental estevaloarea sarcinii electrice elementare e.

e ^r 1,8 . 10le C.Tot experimental s-a constatat cA un cemp electric deviazi in sensuri opuse

traiectoriile unui proton qi ale unui electron plasali in cflmp.. Conventional s-a considerat ce starea electricA a unui electron este

cancteizatl, de sarcina electricd elementard negativd (- e), iar sarcina electricia unui proton este catacterizalA de sarcina electricd elementard pozitird (+e).

o Orice sarcini electric[ poate fi priviti ca un multiplu intreg al sarciniielectrice elementare, adic6 sarcina electrici este o mdr ime discretd.

o Sarcina electricd a particulelor elementare (electroni, protoni) esteconsiderat[ sarcind electricd ptmctifurmd avAnd in vedere dimensiunileneglijabile ale acestor particule.

La scarA macroscopicA, in experienle, putem considera sarcind electricdpunctifurmd; sarcina electricd a unot corpuri de dimensiuni foarte mici: bobitpde soc, sfere metalice, picdturi fine de ulei etc.

r Fenomenele obseivate in experimentele de oblinere a stdrii de electrizarese pot explica prin teoria microscopici.

. Un corp eleclrizat negativ contjne un exces de sarcini elementarenegative, adicl, conline electroni in exces.

_ . Un corp electrizat pozitiv are un deficit de electroni, adicd el conline unexces de sarcini elementare pozitive.

. Un corp neutru electric conline un numdr de electroni egal cu numdrulde protoni.

l. Atomul de heliu 9i de litiu auconfiguraliile de mai jos.

Calculali sarcina electricA a nu-cleului fieclrui atom.

Rezah&reSarcina nucleului este pozitivd

qi este egala cv Z.e, unde Z estenumarul de ordine egai cu numArulde electroni.

QH,:2. 1,6. 10rec:3,2 10-rec; 4":3, 1,6. 10-r'c:4,8. 10rec.2, Un corp de probl are sarcina q = +3,2 pC. Calculali numdrul de electroni

pierduli de corp.

tr-t-i a" o.otn,Ffaforiai't'i-t;'q-i-&Fobes ii.-_

lgipfi& proba

*,--oecpului de probi;

rdri de probd in stlri

gicc, ale unei mdrimigrffi, proporlional cutb & corpul tncdrcat:

4a de propo(ionalitate

( 1.1)

pge corpul electrizath[ conpiderat ci numai

oaZi,), scalard, definitd

mbol C).de fucdrcme electricd

--..-r

RezolyareNumin:l de electroni rezulti din impi4irea sarcinii corpului de probd la

valoarea sarcinii elementare.

3.2.10-6c|' =

1.6.10 roC 2 10'' electroni.

1, Un corp electrizat are sarcina electrici q = - lC.Calculali numirul de electroni pe care ii conline corpul in exces.

Rezolyarc

,- ! - lC t^ =625.10r" electroni.e 1,6.10-'' C

l. Selectali rispunsul corect.Forlo pe care un corp o exercitd asupra altui corp este o mdrime:

a. mecanicd; b. electricd; c. de naturi mecanici; d. de naturd electricA.2. Precizati care sunt stirile electrice ale corpurilor.3. Precizali trei modaliti{i de incarcare electrici a corpurilor.4. Descrieli experimentul care a condus la definiiea mlrimii denumite

sarcina electricd.5. Definiti sarcina electric6.6. Realizati un corp de probd.7. Completati tabelul de maijos.

9. Un corp neutru este electrizat cu sarcina q = _l C. Calculati variatia masei.10. Doud sfere metalice cu sarcinile q1 : -l4,7pC qi 42

: +1g,3pC sunt pusein contact. Calculali sarcina fiecirei sfere dupd contict.

!-t:.4ctt,:.t;;;:,trt'li.:,ii ;i:r,.,1,;ii :,:it:t:ltit:t, rt,::ilt: i,, ;!.;,t:;;:t /!:::."r., i:,,t,itceLegea conservdrii sarcinii electrice totale in sisteme fi.zice izolate s_a

formulat in urma constatdrilor din experienle pe care deja le cunoagteli.La frecarea unei bare din sticld cu o bucati de postav, electronii din sticld

trec pe postav, sticla se electrizeazd. pozitiv, iar postavul se electrizeazi negativ:sarcina electricd. negativd acumulati de postav este egald ct sarcina electricdpozitivd apdrutir pe bara de slicld.

o Prin frecare, apar ambele stdri de electrizare; sarcina electricd totaldesle constantd dacd nu mai intervin alte influentre.

8. Calculati sarcina electricd a unui pg de Jt""iiorri

l0