Cele mai importante aspecte ale lecției
Dipol: Activ (conține generatorul) sau pasiv (conține consumatorul).
Sensul convențional: De la borna \(+\) spre borna \(-\) în circuitul exterior.
Tensiunea electrică: \( U = \frac{L}{q} \), măsurată în volți (\(\text{V}\)), reprezintă lucrul mecanic necesar deplasării unei sarcini de \( 1\text{ C} \).
Intensitatea curentului electric: \( I = \frac{q}{\Delta t} \), mărime fundamentală măsurată în amperi (\(\text{A}\)). Sarcina \( q \) reprezintă aria de sub graficul \( I(t) \).
Reguli în circuit: Ampermetrul se leagă întotdeauna în serie. La conectarea în serie: \( I_1 = I_2 = I \); la conectarea în paralel: \( I = I_1 + I_2 \).
Sensul convențional: De la borna \(+\) spre borna \(-\) în circuitul exterior.
Tensiunea electrică: \( U = \frac{L}{q} \), măsurată în volți (\(\text{V}\)), reprezintă lucrul mecanic necesar deplasării unei sarcini de \( 1\text{ C} \).
Intensitatea curentului electric: \( I = \frac{q}{\Delta t} \), mărime fundamentală măsurată în amperi (\(\text{A}\)). Sarcina \( q \) reprezintă aria de sub graficul \( I(t) \).
Reguli în circuit: Ampermetrul se leagă întotdeauna în serie. La conectarea în serie: \( I_1 = I_2 = I \); la conectarea în paralel: \( I = I_1 + I_2 \).
Orice porțiune de circuit conectată la restul circuitului prin intermediul a două borne se numește dipol.
Dipol activ – porțiunea de circuit care conține generatorul electric (sursa de energie).
Dipol pasiv – porțiunea de circuit care conține consumatorii (de exemplu, becul, rezistorul).
Circuitele electrice se reprezintă schematic prin simboluri convenționale:
| Element de circuit | Descriere / Simbol convențional |
|---|---|
| Generator electric | Sursă de curent continuu, element galvanic sau baterie de elemente |
| Consumatori | Bec electric (\(\otimes\)), rezistor (\(\square\)) |
| Întrerupător | Întrerupător deschis (circuit întrerupt), întrerupător închis (circuit continuu) |
| Conductoare de legătură | Fire conectate (punct de joncțiune / nod), fire neconectate (intersecție simplă) |
| Aparate de măsură | Ampermetru (cerc cu litera \(\text{A}\)), Voltmetru (cerc cu litera \(\text{V}\)) |
Sensul convențional al curentului electric: în exteriorul generatorului, curentul circulă de la borna pozitivă (\(+\)) spre borna negativă (\(-\)). În interiorul generatorului, sensul este de la borna negativă (\(-\)) la borna pozitivă (\(+\)).
Generatoarele electrice transformă energia primară în energie electrică:
- Elemente galvanice și acumulatoare: energie chimică \(\rightarrow\) energie electrică;
- Dinamuri și alternatoare: energie mecanică \(\rightarrow\) energie electrică;
- Termoelemente: energie termică \(\rightarrow\) energie electrică;
- Fotoelemente (panouri solare): energie luminoasă \(\rightarrow\) energie electrică;
- Generatoare nucleare: energie nucleară \(\rightarrow\) energie electrică.
Tensiunea electrică (\(U\)) între două puncte ale unui circuit electric este mărimea fizică scalară egală cu raportul dintre lucrul mecanic (\(L\)) efectuat pentru deplasarea unei sarcini electrice (\(q\)) între cele două puncte și sarcina respectivă.
\[ U = \frac{L}{q} \]
\( U \) = tensiunea electrică; \( L \) = lucrul mecanic efectuat; \( q \) = sarcina electrică deplasată
În Sistemul Internațional (S.I.):
\[ [U]_{SI} = \frac{[L]_{SI}}{[q]_{SI}} = \frac{\text{J}}{\text{C}} = \text{V (volt)} \]
Între două puncte există o tensiune electrică de \( 1\text{ V} \) dacă pentru deplasarea unei sarcini de \( 1\text{ C} \) între acele puncte se efectuează un lucru mecanic de \( 1\text{ J} \).
Intensitatea curentului electric (\(I\)) este mărimea fizică scalară ce exprimă sarcina electrică (\(q\)) ce străbate secțiunea transversală a unui conductor în unitatea de timp (\(\Delta t\)).
\[ I = \frac{q}{\Delta t} \implies q = I \cdot \Delta t \]
\( I \) = intensitatea curentului electric; \( q \) = sarcina electrică; \( \Delta t \) = durata trecerii curentului
În Sistemul Internațional (S.I.):
\[ [I]_{SI} = \text{A (amper)} \quad \text{iar} \quad [q]_{SI} = \text{A} \cdot \text{s} = \text{C (coulomb)} \]
Intensitatea curentului electric este o mărime fizică fundamentală în S.I., iar amperul este unitate de măsură fundamentală.
Interpretare grafică: Pentru un curent continuu, sarcina electrică \( q \) transportată în intervalul de timp \(\Delta t = t_2 - t_1\) este numeric egală cu aria suprafeței delimitate de graficul intensității \( I(t) \) și axa timpului.
Tipuri de curent electric:
- Curent continuu (c.c.): sensul curentului electric rămâne neschimbat în timp;
- Curent alternativ (c.a.): sensul curentului se inversează periodic;
- Curent variabil: intensitatea curentului se modifică în timp.
Ampermetrul este instrumentul folosit pentru măsurarea intensității curentului electric. Pentru curenți mici se utilizează miliampermetrul, microampermetrul sau galvanometrul.
Regulă de conectare: Într-un circuit electric, ampermetrul se montează întotdeauna în serie cu elementul prin care se măsoară curentul, respectând polaritatea bornelor (\(+\) la \(+\), respectiv \(-\) la \(-\)).
Intensitatea curentului în circuite:
- Conexiunea în serie: Intensitatea curentului electric este aceeași în orice secțiune a unui circuit simplu: \[ I_1 = I_2 = I \]
- Conexiunea în paralel: Intensitatea curentului pe porțiunea principală (neramificată) este egală cu suma intensităților curenților din ramuri: \[ I = I_1 + I_2 \]
Consumatorii sunt proiectați pentru o intensitate nominală și o tensiune nominală. Depășirea acestor valori înscrise pe aparat poate duce la deteriorarea sau arderea consumatorului.
Un aparat de măsură electric este orice dispozitiv realizat pentru a măsura și afișa valoarea unei mărimi electrice într-un format accesibil utilizatorului.
| Aparat de măsură | Mărimea fizică măsurată | Unitatea de măsură |
|---|---|---|
| Ampermetru | Intensitatea curentului electric (\(I\)) | Amper (\(\text{A}\)) |
| Voltmetru | Tensiunea electrică (\(U\)) | Volt (\(\text{V}\)) |
| Ohmmetru | Rezistența electrică (\(R\)) | Ohm (\(\Omega\)) |
| Wattmetru | Puterea electrică (\(P\)) | Watt (\(\text{W}\)) |
| Multimetru | Aparat universal (\(U, I, R\) etc.) | Multiple unități |
Probleme practice
Problema 1 (Ușoară): Tensiunea electrică la bornele unui bec este de \( 12\text{ V} \). Aflați lucrul mecanic efectuat de forțele electrice pentru a transporta o sarcină electrică de \( 4\text{ C} \) prin filamentul becului.
Din definiția tensiunii electrice:
\[ U = \frac{L}{q} \implies L = U \cdot q \]
Înlocuind valorile numerice:
\[ L = 12\text{ V} \cdot 4\text{ C} = 48\text{ J} \]
Răspuns: Lucrul mecanic efectuat este de \( 48\text{ J} \).
Problema 2 (Medie): Prin secțiunea transversală a unui conductor trece o sarcină electrică de \( 72\text{ C} \) într-un interval de timp de \( 1\text{ minut} \).
a) Calculați intensitatea curentului electric continuu ce străbate conductorul.
b) Ce sarcină electrică ar străbate aceeași secțiune dacă intensitatea curentului ar crește liniar de la \( 0 \) la \( 1{,}2\text{ A} \) în decurs de \( 10\text{ s} \)?
a) Calculați intensitatea curentului electric continuu ce străbate conductorul.
b) Ce sarcină electrică ar străbate aceeași secțiune dacă intensitatea curentului ar crește liniar de la \( 0 \) la \( 1{,}2\text{ A} \) în decurs de \( 10\text{ s} \)?
a) Transformăm timpul în secunde: \( \Delta t = 1\text{ min} = 60\text{ s} \).
\[ I = \frac{q}{\Delta t} = \frac{72\text{ C}}{60\text{ s}} = 1{,}2\text{ A} \]
b) Pentru un curent cu variație liniară de la \( 0 \) la \( I_{\max} = 1{,}2\text{ A} \), sarcina electrică este numeric egală cu aria triunghiului de sub graficul \( I(t) \):
\[ q = \text{Aria} = \frac{\text{bază} \cdot \text{înălțime}}{2} = \frac{\Delta t \cdot I_{\max}}{2} = \frac{10\text{ s} \cdot 1{,}2\text{ A}}{2} = 6\text{ C} \]
Răspuns: a) \( I = 1{,}2\text{ A} \); b) \( q = 6\text{ C} \).
Problema 3 (Dificilă): O sursă de alimentare alimentează două becuri conectate în paralel. Un ampermetru montat pe ramura principală indică un curent total de \( 2{,}5\text{ A} \). Printr-unul dintre becuri trece un curent cu intensitatea de \( 0{,}9\text{ A} \).
a) Determinați intensitatea curentului prin al doilea bec.
b) Dacă cele două becuri ar fi conectate în serie la o altă sursă, iar un ampermetru ar măsura un curent de \( 0{,}4\text{ A} \) prin primul bec, ce valoare ar avea curentul prin al doilea bec și curentul total debitat de sursă?
a) Determinați intensitatea curentului prin al doilea bec.
b) Dacă cele două becuri ar fi conectate în serie la o altă sursă, iar un ampermetru ar măsura un curent de \( 0{,}4\text{ A} \) prin primul bec, ce valoare ar avea curentul prin al doilea bec și curentul total debitat de sursă?
a) La conexiunea în paralel, intensitatea totală este egală cu suma intensităților pe ramuri:
\[ I = I_1 + I_2 \implies I_2 = I - I_1 \]
\[ I_2 = 2{,}5\text{ A} - 0{,}9\text{ A} = 1{,}6\text{ A} \]
b) La conexiunea în serie, intensitatea curentului electric este identică în orice punct al circuitului:
\[ I_{\text{serie}} = I_1 = I_2 = 0{,}4\text{ A} \]
Prin urmare, curentul prin al doilea bec este \( 0{,}4\text{ A} \), iar curentul total debitat de sursă este tot \( 0{,}4\text{ A} \).
Răspuns: a) \( I_2 = 1{,}6\text{ A} \); b) \( I_2 = 0{,}4\text{ A} \) și \( I_{\text{total}} = 0{,}4\text{ A} \).
Răspuns: a) \( I_2 = 1{,}6\text{ A} \); b) \( I_2 = 0{,}4\text{ A} \) și \( I_{\text{total}} = 0{,}4\text{ A} \).
