Tema: 1 Noțiuni fundamentale ale electricității

1.1. Mărimile electrice și unitățile de măsură a acestora

1.1.1. Intensitatea curentului electric

Figura 1 Viteza fluxului de electroni se numește curent și se măsoară în amperi.

Teoria convențională afirmă că, curentul electric curge de la polul pozitiv (+) la polul negativ (-). Cu toate acestea o descoperire mai târziu a demonstrat că, curentul electric circulă de la polul negativ la polul pozitiv. În ciuda acestei descoperiri, încă folosim teoria convențională (de la pozitiv la negativ) pentru a descrie direcția curentului electric într-un circuit.

Un curent electric poate fi format din următoarele forțe: frecare, reacție chimică, căldură, presiune și inducție magnetică. Ori de câte ori electronii curg sau derivă în masă, se formează un curent electric. Există șase legi care reglementează acest comportament electric:

1. Sarcinile de același fel se resping reciproc.

2. Sarcinile diferite se atrag reciproc.

3. O diferență de tensiune este creată în conductor atunci când o forță electromotoare (FEM) acționează asupra conductorului.

4. Electronii curg numai atunci când există o diferență de tensiune între cele două puncte dintr-un conductor.

5. Curentul tinde să curgă la masă într-un circuit electric ca revenire la sursă.

6. Pământul este definit ca linia de bază atunci când se măsoară circuitele electrice și este punctul cu cea mai joasă tensiune. De asemenea, este calea de întoarcere la sursă pentru un circuit electric. Circuitul de masă utilizat în majoritatea sistemelor auto este prin șasiul vehiculului și/sau blocul motor. În plus, pământul permite ca vârfurile de tensiune să fie direcționate departe de circuit prin absorbția lor.

Cantitatea de presiune aplicată unui circuit este exprimată în numărul de volți. Dacă un voltmetru este conectat la bornele unei baterii de automobile, acesta poate indica 12,6 volți. Acest lucru indică de fapt că există o diferență de potențial de 12,6 volți. Există o presiune electrică de 12,6 volți între cele două borne a bateriei.

Figura 2 Pe măsură ce electronii curg într-o direcție de la un atom la altul, se dezvoltă un curent electric.

Figura 3. Tensiunea este presiunea care face ca electronii să se miște. 

Într-un circuit care are curent care curge, tensiune va exista între oricare două puncte din acel circuit (Figura 4). Singurul moment în care tensiunea nu există este atunci când potențialul scade la zero. În figura 4, potențialul de tensiune între punctele A și C și între punctele B și C este de 12,6 volți. Cu toate acestea, între punctele A și B diferența de presiune este zero și voltmetrul va indica 0 volți.

Figura 4 Un circuit de lumină simplificat care ilustrează potențialul de tensiune.

Un circuit electric complet constă din următoarele: o sursă de energie, o unitate de sarcină sau rezistență și conductori. Rezistența (sarcina) este necesară pentru a schimba energia electrică în lumină, căldură sau mișcare. Există rezistență în orice dispozitiv de lucru al unui circuit, cum ar fi o lampă, un motor, un releu, o bobină sau o altă componentă a sarcinii.

Există cinci caracteristici de bază care determină cantitatea de rezistență în orice parte a unui circuit:

  1. Structura atomică a materialului: Cu cât numărul de electroni din inelul de valență exterior este mai mare, cu atât rezistența materialului este mai mare.

  2. Lungimea conductorului: Cu cât conductorul este mai lung, cu atât rezistența este mai mare.

  3. Diametrul conductorului: Cu cât aria secțiunii transversale a conductorului este mai mică, cu atât rezistența este mai mare.

  4. Temperatura: În mod normal, o creștere a temperaturii conductorului determină o creștere a rezistenței.

  5. Starea fizică a conductorului: Dacă conductorul este deteriorat sau tăiat, rezistența va crește deoarece diametrul conductorului este micșorat de acestea.

Este posibil să existe rezistență nedorită într-un circuit. Aceasta poate fi sub forma unei conexiuni oxidate/corodate sau a unui conductor rupt. În aceste cazuri, rezistența poate face ca componenta de sarcină să funcționeze cu o eficiență redusă sau să nu funcționeze deloc.

Nu contează dacă rezistența este de la componenta de sarcină sau de la rezistența nedorită. Există anumite principii care dictează impactul acestuia în circuit:

  1. Tensiunea scade întotdeauna pe măsură ce curentul trece prin rezistență.

  2. O creștere a rezistenței determină o scădere a curentului.

  3. Toate rezistențele schimbă într-o oarecare măsură energia electrică în energie termică.

Puterea de ieșire a becului este de 48 wați. Când rezistorul a fost adăugat la circuit, becul a scăzut cu 9 volți la 3 amperi de curent. Puterea becului este calculată în același mod ca înainte.

P = U × I sau P = 9 × 3 sau

P = 27

Acest bec a produs o putere de 27 de wați, puțin mai mult de jumătate din circuitul cu valori normale. Ar fi aproape pe jumătate mai luminos. Cheia pentru a înțelege ce sa întâmplat este să vă amintiți că becul nu s-a schimbat; circuitul s-a schimbat.

Un alt exemplu de utilizare a legii lui Watt este determinarea amperajului dacă se adaugă un accesoriu suplimentar la sistemul electric al vehiculului. Dacă accesoriul este evaluat la 100 de wați, consumul de amperaj ar fi:

I = P/U = 100/12 = 8,33 amperi

Aceasta îi spune electricianului auto că acest circuit va necesita probabil o siguranță nominală de 10 amperi.

Figura 6 Circuitul de lumină prezentat cu valori normale ale circuitului și cu rezistență adăugată în serie

Dacă conectați un consumator, trebuie să alegeți un cablu adecvat pentru acesta. Pentru sistemul de alimentare cu 12V al circuitelor puteți să aveți în vedere următoarele:

•   1 mm2 pentru semnalizare și lămpile de frână

•   1,5 mm2 pentru claxon și ștergătoare

•   2,5 mm2 pentru releul electromotorului

•   4 mm2 pentru circuitul de încărcare

•   6 mm2 pentru comutatoarele de lumină

•   10 mm2 pentru sistemul de preîncălzire

•   50 mm2 pentru cablul de pornire al electromotorului

Rezistivitatea (rezistența) unui conductor depinde de următorii factori:

•   lungime

•   dimensiunea secțiunii transversale

•   rezistența electrică

De exemplu: cuprul are ρ = 0,0175 · 10-6 Ωm; aluminiu are ρ = 0,028 · 10-6 Ωm; nichel-crom are ρ = 0,996 · 10-6 Ωm.

Pentru a determina caracteristicile unui cablu se folosește legea lui Pouillet:

unde: R – este rezistența (Ω);

l – lungimea (m);

ρ – rezistivitatea (Ωm);

A – aria secțiunii transversale (m2).

Legea lui Pouillet este valabilă numai pentru cablurile folosite la temperatura camerei (20ºC). 

 Întrebări de autoevaluare

1.  Ce înțelegeți prin intensitatea curentului electric?

2.  Care este sensul de curgere a curentului electric într-un circuit, după teoria convențională?

3.  Care sunt cele șase legi care reglementează comportamentul electric?

4.  Ce înțelegi prin tensiune electrică?

5.  Ce caracteristici ale materialului folosit ca conductor vor determina rezistența acestuia?

6.  Care sunt componentele unui circuit electric complet?

7.  Cum este definită rezistența electrică?

8.  Care este impactul în cazul unei conexiuni oxidate?

9.  Cum va influența adăugarea unui rezistor în circuitul unui bec electric?

10.  Cum este definită puterea electrică?

11.  Din ce cauză înlocuirea unui cablu electric trebuie să fie făcută cu atenție sporită?

12.  Care sunt factorii de care depinde rezistența unui conductor electric?