Tensiunea si curentul

Tensiunea si curentul

Dezechilibrul de sarcina

Precum am mentionat mai sus, doar un drum continuu (circuit) nu este suficient pentru a putea deplasa electronii: avem de asemenea nevoie de un mijloc de "impingere" a lor prin circuit. La fel ca margelele dintr-un tub sau apa dintr-o teava, este nevoie de o forta de influenta pentru a incepe curgerea. In cazul electronilor, aceasta forta este aceeasi ca si in cazul electricitatii statice: forta produsa de un dezechilibru de sarcina electrica.

Daca luam exemplul parafinei si lanii frecate impreuna, vedem ca surplusul de electroni de pe parafina (sarcina negativa) si deficitul de electroni de pe lana (sarcina pozitiva) creeaza un dezechilibru de sarcina intre cele doua. Acest dezechilibru se manifesta printr-o forta de atractie intre cele doua corpuri:

Daca introducem un fir conductor intre cele doua corpuri incarcate din punct de vedere electric, vom observa o curgere a electronilor prin acesta datorita faptului ca electronii in exces din parafina trec prin fir inapoi pe lana, restabilind dezechilibrul creat.

Dezechilibrul dintre numarul electronilor din atomii parafinei si cei ai lanii creeaza o forta intre cele doua materiale. Neexistand niciun drum prin care electronii se pot deplasa de pe parafina inapoi pe lana, tot ce poate face aceasta forta este sa atraga cele doua corpuri impreuna. Acum ca un conductor conecteaza cele doua corpuri, aceasta forta va face ca electronii sa se deplaseze intr-o directie uniforma prin fir, chiar daca numai pentru un timp foarte scurt, pana in momentul in care sarcina electrica este neutralizata in aceasta zona (restabilirea echilibrului), iar forta dintre cele doua materiale se reduce.

Stocarea energiei

Analogia rezervorului de apa

Sarcina electrica formata prin frecarea celor doua materiale reprezinta stocarea unei anumite cantitati de energie. Aceasta energie este asemanatoare energiei inmagazinate intr-un rezervor de apa aflat la inaltime, umplut cu ajutorul unei pompe dintr-un bazin aflat la un nivel mai scazut.

Influenta gravitatiei asupra apei din rezervor da nastere unei forte ce tinde sa deplaseze apa spre nivelul inferior. Daca construim o teava de la rezervor spre bazin, apa va curge sub influenta gravitatiei din rezervor prin teava spre bazin.

Este nevoie de o anumita energie pentru pomparea apei de la un nivel inferior (bazin) la unul superior (rezervor), iar curgerea apei prin teava inapoi la nivelul initial constituie eliberarea energiei inmagazinata prin pomparea precedenta.

Daca apa este pompata la un nivel si mai ridicat, va fi necesara o energie si mai mare pentru realizarea acestui lucru, prin urmare, va fi inmagazinata o energie si mai mare, si de asemenea, va fi eliberata o energie mai mare decat in cazul precedent.

Cazul electronilor

Electronii nu sunt foarte diferiti. Daca frecam parafina si lana impreuna, in fapt, "pompam" electronii de pe "nivelurile" lor normale, dand nastere unei conditii in care exista o forta intre parafina si lana, datorita faptului ca electronii incearca sa-si recastige vechile pozitii (si echilibru in cadrul atomilor respectivi). Forta de atragere a electronilor spre pozitiile originale in jurul nucleelor pozitive ale atomilor, este analoaga fortei de gravitatie exercitata asupra apei din rezervor, forta ce tinde sa traga apa inapoi in pozitia sa originala.

La fel precum pomparea apei la un nivel mai inalt rezulta in inmagazinare de energie, "pomparea" electronilor pentru crearea unui dezechilibru de sarcina electrica duce la inmagazinare de energie prin acel dezechilibru. Asigurarea unui drum prin care electronii sa poata curge inapoi spre "nivelurile" lor originale are ca rezultat o eliberare a energiei inmagazinate, asemenea eliberarii energiei in cazul rezervorului, atunci cand este pus la dispozitie un drum pe care apa poate sa curga prin intermediul unei tevi.

Tensiunea electrica

Atunci cand electronii se afla intr-o pozitie statica (prin analogie cu apa dintr-un rezervor), energia inmagazinata in acest caz poarta numele de energie potentiala, pentru ca are posibilitatea (potentialul) eliberarii acestei energii in viitor.

Aceasta energie potentiala, inmagazinata sub forma unui dezechilibru de sarcina electrica capabila sa provoace deplasarea electronilor printr-un conductor, poate fi exprimata printr-un termen denumit tensiune, ceea ce tehnic se traduce prin energie potentiala pe unitate de sarcina electrica, sau ceva ce un fizician ar denumi energie potentiala specifica. Definita in contextul electricitatii statice, tensiunea electrica este masura lucrului mecanic necesar deplasarii unei sarcini unitare dintr-un loc in altul actionand impotriva fortei ce tinde sa mentina sarcinile electrice in echilibru.

Din punct de vedere al surselor de putere electrica, tensiunea este cantitatea de energie potentiala disponibila pe unitate de sarcina, pentru deplasare electronilor printr-un conductor.

Exprimarea tensiunii electrice

Deoarece tensiunea este o expresie a energiei potentiale, reprezentand posibilitatea sau potentialul de eliberare a energiei atunci cand electronii se deplaseaza de pe un anumit "nivel" pe un altul, tensiunea are sens doar atunci cand este exprimata intre doua puncte distincte.

Datorita diferentei dintre inaltimile caderilor de apa, potentialul de energie eliberata este mai mare prin teava din locatia 2 decat cea din locatia 1. Principiul poate fi inteles intuitiv considerand aruncarea unei pietre de la o inaltime de un metru sau de la o inaltime de zece metri: care din ele va avea un impact mai puternic cu solul? Evident, caderea de la o inaltime mai mare implica eliberarea unei cantitati mai mari de energie (un impact mai violent).

Nu putem aprecia valoarea energiei inmagazinate intr-un rezervor de apa prin simpla masurare a volumului de apa: trebuie sa luam de asemenea in considerare caderea (distanta parcursa) apei. Cantitatea de energie eliberata prin caderea unui corp depinde de distanta dintre punctul initial si cel final al corpului.

In mod asemanator, energia potentiala disponibila pentru a deplasa electronii dintr-un punct in altul depinde de aceste puncte. Prin urmare, tensiune se exprima tot timpul ca si o cantitate intre doua puncte. Este interesant de observat ca modelul "caderii" unui corp de la o anumita distanta la alta este atat de potrivit, incat de multe ori tensiune electrica dintre doua puncte mai poarta numele de cadere de tensiune.

Alte modalitati de generare a tensiunii

Tensiunea poate fi generata si prin alte mijloace decat frecare diferitelor tipuri de materiale impreuna. Reactiile chimice, energia radianta si influenta magnetismului asupra conductorilor sunt cateva modalitati prin care poate fi produsa tensiunea electrica. Ca si exemple practice de surse de tensiune putem da bateriile, panourile solare si generatoarele (precum "alternatorul" de sub capota automobilului). Pentru moment, nu intram in detalii legate de functionarea fiecarei dintre aceste surse - mai important acum este sa intelegem cum pot fi aplicate sursele de tensiune pentru a crea o deplasare uniforma si continua a electronilor prin circuit.

Conectarea surselor de tensiune in circuit

Sa luam pentru inceput simbolul bateriei electrice si sa construim apoi un circuit pas cu pas.

Orice sursa de tensiune, incluzand bateriile, are doua puncte de contact electric. In acest caz avem punctul 1 si punctul 2 de pe desenul de mai sus. Liniile orizontale de lungimi diferite indica faptul ca aceasta sursa de tensiune este o baterie, si mai mult, in ce directia va impinge tensiunea acestei bateri electronii prin circuit. Faptul ca liniile orizontale ale bateriei din simbol par sa fie separate (prin urmare reprezinta o intrerupere a circuitului prin care electronii nu pot trece) nu trebuie sa ne ingrijoreze: in realitate, aceste linii orizontale reprezinta placi metalice (anod si catod) introduse intr-un lichid sau material semi-solid care nu doar conduce electronii, dar si genereaza tensiunea electrica necesara impingerii lor prin circuit datorita interactiunii acestui material cu placile.

Puteti observa cele doua semne + respectiv - in imediata apropiere a simbolului bateriei. Partea negativa (-) a bateriei este tot timpul cea cu liniuta mai scurta, iar partea pozitiva (+) a bateriei este tot timpul capatul cu liniuta mai lunga. Din moment ce am decis sa denumim electronii ca fiind incarcati negativ din punct de vedere electric, partea negativa a bateriei este acel capat ce incearca sa impinga electronii prin circuit, iar partea pozitiva este cea care incearca sa atraga electronii.

Deplasarea electronilor

Atunci cand capetele "+" si "-" ale bateriei nu sunt conectate la un circuit, va exista o tensiune electrica intre aceste doua puncte, dar nu va exista o deplasare a electronilor prin baterie, pentru ca nu exista un drum continuu prin care electronii sa se poata deplasa.

Acelasi principu se aplica si in cazul analogiei rezervorului si pompei de apa: fara un drum (teava) inapoi spre bazin, energia inmagazinata in rezervor nu poate fi eliberata prin curgerea apei. Odata ce rezervorul este umplut complet, nu mai are loc nicio curgere, oricat de multa presiune ar genera pompa. Trebuie sa exista un drum complet (circuit) pentru ca apa sa curga continuu dinspre bazin spre rezervor si inapoi in bazin.

Realizarea unui drum continuu

Putem asigura un astfel de drum pentru baterie prin conectarea unui fir dintr-un capat al bateriei spre celalalt. Formand un circuit cu ajutorul unei bucle din material conductor, vom initia o deplasare continua a electronilor in directia acelor de ceasornic (in acest caz particular).

Curentul electric

Atata timp cat bateria va continua sa produca tensiune electrica, iar continuitatea circuitului electric nu este intrerupta, electronii vor continua sa se deplaseze in circuit. Continuand cu analogia apei printr-o teava, curgerea continua si uniforma de electroni prin circuit poarta numele de curent. Atata timp cat sursa de tensiune electrica continua sa "impinga" in aceeasi directie, electronii vor continua sa se deplaseze in aceeasi directie prin circuit. Aceasta curgere uni-directionala a electronilor prin circuit poarta numele de curent continuu, prescurtat c.c. In urmatorul volum din aceasta serie vom analiza circuitele electrice in care deplasarea electronilor are loc alternativ, in ambele directii: curent alternativ, prescurtat a.c. Dar pentru moment, vom discuta doar despre circuite de curent continuu

Curentul electric fiind compus din electroni individuali ce se deplaseaza la unison printr-un conductor impingand electronii de langa ei, precum margelele dintr-un tub sau apa dintr-o teava, cantitatea deplasata in oricare punct din circuit este aceeasi (circuit serie). Daca ar fi sa monitorizam o sectiune transversala dintr-un fir intr-un singur circuit, numarand electronii ce trec prin ea, am observa exact aceeasi cantitate in unitate de timp (curent) in oricare parte a circuitului, indiferent de lungimea sau diametrul conductorului.

Intreruperea circuitului

Daca intrerupem continuitatea circuitului in oricare punct, curentul electric se va intrerupe in intreg circuitul, iar intreaga tensiune electrica produsa de baterie se va regasi acum la capetele firelor intrerupte, ce erau inainte conectate:

Observati semnele "+" si "-" puse la capatul firelor unde a fost realizata intreruperea circuitului, si faptul ca ele corespund celor doua semne "+" si "-" adiacente capetelor bateriei. Aceste semne indica directia pe care tensiunea electrica o imprima curgerii electronilor, acea directie potentiala ce poarta denumirea de polaritate. Tineti minte ca tensiunea electrica se masoara tot timpul intre doua puncte. Din acest motiv, polaritatea unei caderi de tensiune depinde de asemenea de cele doua puncte: faptul ca un punct din circuit este notat cu "+" sau "-" depinde de celalalt capat la care face referire.

Sa ne uitam la urmatorul circuit, in care fiecare colt al circuitului este marcat printr-un numar de referinta.

Continuitatea circuitului fiind intrerupta intre punctele 2 si 3, polaritatea caderii de tensiune intre punctele 2 si 3 este "-" pentru punctul 2 si "+" pentru punctul 3. Polaritatea bateriei (1 "-" si 4 "+") incearca impingerea electronilor prin circuit in sensul acelor de ceasornic din punctul 1 spre 2, 3, 4 si inapoi la 1.

Sa vedem acum ce se intampla daca conectam punctele 2 si 3 din nou impreuna, dar efectuam o intrerupere a circuitului intre punctele 3 si 4.

Intreruperea fiind acum intre punctele 3 si 4, polaritatea caderii de tensiune intre aceste doua puncte este "+" pentru 4 si "-" pentru 3. Observati cu atentie faptul ca semnul punctului 3 este diferit fata de primul exemplu, acolo unde intreruperea a fost intre punctele 2 si 3 (3 a fost notat cu "+"). Este imposibil de precizat ce semn va avea punctul 3 in acest circuit, fie "+" fie "-", deoarece polaritate, la fel ca tensiunea, nu reprezinta o caracteristica a unui singur punct, ci depinde tot timpul de doua puncte distincte!