Cele mai importante aspecte ale lecției
Curentul electric este mișcarea ordonată a purtătorilor de sarcină (electroni liberi în metale; ioni în soluții electrolitice).
Condiții de existență: circuit închis alcătuit din materiale conductoare și conectat la un generator electric.
Componente: generator (dipol activ cu bornele \(+\) anod și \(-\) catod), consumator (dipol pasiv), întrerupător și conductoare.
Sensul convențional: de la \(+\) la \(-\) în circuitul exterior și de la \(-\) la \(+\) în interiorul sursei.
Generatoare: convertesc energia primară în electricitate (baterii \(\rightarrow\) energie chimică; dinamuri \(\rightarrow\) mecanică; panouri fotovoltaice \(\rightarrow\) luminoasă).
Condiții de existență: circuit închis alcătuit din materiale conductoare și conectat la un generator electric.
Componente: generator (dipol activ cu bornele \(+\) anod și \(-\) catod), consumator (dipol pasiv), întrerupător și conductoare.
Sensul convențional: de la \(+\) la \(-\) în circuitul exterior și de la \(-\) la \(+\) în interiorul sursei.
Generatoare: convertesc energia primară în electricitate (baterii \(\rightarrow\) energie chimică; dinamuri \(\rightarrow\) mecanică; panouri fotovoltaice \(\rightarrow\) luminoasă).
Curentul electric reprezintă mișcarea dirijată a purtătorilor de sarcină electrică printr-un mediu conductor.
Circuitul electric reprezintă drumul continuu parcurs de sarcinile electrice care formează curentul electric.
Natura purtătorilor de sarcină depinde de starea de agregare a mediului prin care trece curentul:
- Metale (solide): electroni liberi;
- Lichide (electroliți): ioni pozitivi și ioni negativi;
- Gaze (descărcări electrice, fulgere): ioni și electroni liberi.
Prin ce se deosebesc purtătorii de sarcină dintr-un cablu de cupru de cei dintr-o soluție apoasă de sare?
În cablul de cupru (metal), curentul electric este format exclusiv din mișcarea dirijată a electronilor liberi, în timp ce în soluția apoasă (lichid) purtătorii de sarcină sunt ionii pozitivi și negativi.
Un circuit electric simplu este alcătuit din:
- Generator electric (sursă): dispozitiv care produce și menține curentul electric punând sarcinile în mișcare; are două borne: pozitivă (anod, \(+\)) și negativă (catod, \(-\));
- Consumator: dispozitiv care utilizează energia electrică pentru a funcționa (ex.: bec, rezistor); este caracterizat prin mărimea fizică numită rezistență electrică;
- Întrerupător: dispozitiv care permite închiderea sau deschiderea circuitului;
- Conductoare de legătură: fire din materiale conductoare care unesc componentele.
Printr-un circuit electric trece curent doar atunci când circuitul este închis (întrerupătorul este închis și legăturile sunt continue). Dacă întrerupătorul este deschis, circuitul este întrerupt și curentul nu circulă.
Dipol: orice element sau porțiune de circuit legată la restul rețelei prin intermediul a două borne.
- Dipol activ: conține o sursă/generator electric;
- Dipol pasiv: conține numai consumatori (nu generează energie electrică).
Un circuit este format dintr-o baterie, două becuri și un întrerupător deschis. Care este starea becurilor și cum se clasifică bateria din punctul de vedere al dipolilor?
Deoarece întrerupătorul este deschis, circuitul nu este parcurs de curent electric, prin urmare becurile nu luminează. Bateria reprezintă o sursă de energie electrică conectată prin două borne, deci este un dipol activ.
Pentru reprezentarea schemelor electrice se folosesc simboluri standardizate:
| Componentă | Simbol convențional |
|---|---|
| Generator electric (sursă continuă) | Borna lungă și subțire (\(+\)), borna scurtă și groasă (\(-\)): \( +\;|\;\mathbf{ı}\;- \) |
| Bec electric | Un cerc cu un \(\times\) în interior |
| Rezistor | Un dreptunghi alungit: \( -\,\square\,- \) |
| Întrerupător deschis | O linie întreruptă (ridicată) între două puncte de contact |
| Întrerupător închis | O linie continuă care unește cele două puncte de contact |
| Conductoare conectate (nod) | Linii perpendiculare cu un punct plin la intersecție |
| Conductoare neconectate (fără contact) | Linii perpendiculare simple, fără punct la intersecție |
| Ampermetru / Voltmetru | Un cerc cu litera corespunzătoare: \(\textcircled{\text{A}}\) / \(\textcircled{\text{V}}\) |
Sensul convențional al curentului electric este stabilit ca fiind sensul de deplasare a sarcinilor pozitive:
- În exteriorul generatorului (prin circuitul exterior): de la borna pozitivă (\(+\)) spre borna negativă (\(-\));
- În interiorul generatorului: de la borna negativă (\(-\)) spre borna pozitivă (\(+\)).
În conductoarele metalice, purtătorii reali de sarcină sunt electronii (sarcină negativă), care se deplasează în sens invers sensului convențional, adică de la borna \(-\) spre borna \(+\).
În ce sens se deplasează sarcinile electrice în interiorul unei baterii atunci când aceasta alimentează un consumator?
În interiorul generatorului electric, sensul convențional al curentului electric este orientat de la borna negativă (\(-\)) spre borna pozitivă (\(+\)).
Generatoarele electrice sunt dispozitive care transformă o formă de energie primară în energie electrică.
| Tip de generator | Energia primară utilizată | Exemple practice |
|---|---|---|
| Elemente galvanice și acumulatoare | Energie chimică | Baterii alcaline, baterii Li-ion de telefon/laptop, acumulatori auto |
| Dinamuri și alternatoare | Energie mecanică | Dinamul de la bicicletă, alternatoarele centralelor electrice |
| Fotoelemente (celule fotovoltaice) | Energie luminoasă | Panouri solare |
| Termoelemente | Energie termică | Senzori termoelectrici (termocupluri) |
| Generatoare nucleare | Energie nucleară | Centrale nuclearo-electrice |
Probleme practice
Problemă 1 (Ușoară): Un circuit simplu este compus dintr-o baterie de \(4{,}5\text{ V}\), fire conductoare din cupru, un bec și un întrerupător. Identificați:
a) Dipolul activ și dipolul pasiv din circuit;
b) Purtătorii de sarcină electrică prin firele de legătură.
a) Dipolul activ și dipolul pasiv din circuit;
b) Purtătorii de sarcină electrică prin firele de legătură.
a) Dipolul activ este bateria (sursa de energie electrică), iar dipolul pasiv este becul (consumatorul de energie electrică).
b) Firele de legătură fiind din cupru (metal), purtătorii de sarcină sunt electronii liberi.
b) Firele de legătură fiind din cupru (metal), purtătorii de sarcină sunt electronii liberi.
Problemă 2 (Medie): Un acumulator alimentează un circuit exterior format dintr-un rezistor și un întrerupător închis.
a) În ce sens circulă curentul electric convențional prin rezistor?
b) În ce sens se deplasează efectiv electronii prin conductoarele de legătură?
c) Ce transformare de energie are loc în acumulator în timpul funcționării?
a) În ce sens circulă curentul electric convențional prin rezistor?
b) În ce sens se deplasează efectiv electronii prin conductoarele de legătură?
c) Ce transformare de energie are loc în acumulator în timpul funcționării?
a) Prin circuitul exterior (deci prin rezistor), curentul electric convențional circulă de la borna pozitivă (\(+\)) spre borna negativă (\(-\)) a acumulatorului.
b) Electronii liberi, având sarcină negativă, sunt respinși de borna negativă și atrași de cea pozitivă, deplasându-se în sens invers sensului convențional: de la borna \(-\) spre borna \(+\).
c) În interiorul acumulatorului, energia chimică se transformă în energie electrică.
b) Electronii liberi, având sarcină negativă, sunt respinși de borna negativă și atrași de cea pozitivă, deplasându-se în sens invers sensului convențional: de la borna \(-\) spre borna \(+\).
c) În interiorul acumulatorului, energia chimică se transformă în energie electrică.
Problemă 3 (Dificilă): Se consideră un circuit electric ce conține un panou fotovoltaic, un întrerupător și un motor electric. Se fac următoarele manevre:
1. Întrerupătorul este lăsat deschis în plină lumină solară.
2. Întrerupătorul este închis, iar panoul este expus la soare.
3. Întrerupătorul rămâne închis, dar panoul este acoperit complet cu o folie opacă.
Explicați starea curentului electric în circuit pentru fiecare caz și precizați conversia energetică la nivelul generatorului în cazul funcționării.
1. Întrerupătorul este lăsat deschis în plină lumină solară.
2. Întrerupătorul este închis, iar panoul este expus la soare.
3. Întrerupătorul rămâne închis, dar panoul este acoperit complet cu o folie opacă.
Explicați starea curentului electric în circuit pentru fiecare caz și precizați conversia energetică la nivelul generatorului în cazul funcționării.
Cazul 1: Deși generatorul produce tensiune la borne, întrerupătorul este deschis. Un circuit deschis nu asigură un drum continuu pentru sarcini, prin urmare nu există curent electric.
Cazul 2: Circuitul este închis și iluminat. Panoul transformă energia luminoasă în energie electrică. Sarcinile electrice sunt puse în mișcare dirijată, prin circuit trece curent electric, iar motorul funcționează.
Cazul 3: Deși circuitul este închis, panoul fotovoltaic nu mai primește energie primară (lumină), așadar nu mai poate genera energie electrică pentru a deplasa sarcinile. Curentul electric încetează să mai circule.
Cazul 2: Circuitul este închis și iluminat. Panoul transformă energia luminoasă în energie electrică. Sarcinile electrice sunt puse în mișcare dirijată, prin circuit trece curent electric, iar motorul funcționează.
Cazul 3: Deși circuitul este închis, panoul fotovoltaic nu mai primește energie primară (lumină), așadar nu mai poate genera energie electrică pentru a deplasa sarcinile. Curentul electric încetează să mai circule.
