magnituds i circuits

Magnituds elèctriques fonamentals. Circuits i motors elèctrics

Magnituds elèctriques fonamentalsEntenem per magnitud tot el que es pot mesurar. Les magnituds fonamentals que caracteritzen el corrent elèctric són la tensió, la intensitat, la resistència i la potència.

La tensió

L’energia amb la qual un generador és capaç d’impulsar els electrons a través d’un circuit s’anomena tensió o f.e.m., força electromotriu.

La tensió, que també rep els noms de voltatge i diferència de potencial (d.d.p.), es mesura en volts (V) en honor del físic italià Alessandro Volta.

Intensitat elèctrica

La intensitat elèctrica és el nombre de càrregues elèctriques que travessa el circuit per unitat de temps.

La intensitat elèctrica, que també rep el nom de corrent elèctric, es mesura en amperes (A), en honor del científic francès André-Marie Ampère. En un circuit elèctric hi circula un corrent d’intensitat 1 A quan és travessat per 3,6 trilions d’electrons cada segon. La unitat de càrrega elèctrica és el coulomb (C), que equival a la càrrega de 3,6 trilions d’electrons. Per tant:1A = 1C/1s

Alessandro Volta (1745-1827), físic italià. El 1800, com a resultat de les seves investigacions, donà a conèixer la primera pila elèctrica, que fou una veritable revolució científica.

André-Marie Ampère, científic francès que s’interessà per totes les branques del coneixement, des de la filosofia fins a la física. Establí la formulació matemàtica de la majoria de les lleis de l’electromagnetisme.

Resistència elèctrica

La resistència elèctrica és la dificultat que ofereixen els materials al pas del corrent elèctric. La unitat de resistència és l’ohm (Ω), en honor del científic alemany Georges Simon Ohm.

Tots els elements d’un circuit tenen resistència, però normalment l’aparell receptor és el que en té més. Els cables i el generador han de tenir una resistència baixa, que, a efectes pràctics, es considera nul·la.

La potència

Una de les característiques més importants dels receptors és la seva potència. La potència indica la capacitat d’una màquina per realitzar la seva funció amb més o menys rapidesa. Per exemple, un motor més potent que un altre vol dir que gira més ràpid o que pot suportar esforços més grans.

Les màquines i aparells elèctrics també tenen el mateix comportament. Així, tots els motors elèctrics transformen l’energia elèctrica en mecànica, però uns ho fan més ràpidament que altres; de la mateixa manera, totes les làmpades la transformen en lumínica, però n’hi ha que fan més llum. Així, doncs, la rapidesa i/o la intensitat amb què el receptor transforma l’energia depèn de la seva potència.

La potència d’un receptor està directament relacionada amb el voltatge i la intensitat amb què l’alimenta el circuit. La potència es mesura en watts (W), en honor de James Watt. També s’utilitza molt el quilowatt (kW), que equival a 1000 W.

La potència és la capacitat que té un receptor de realitzar la seva funció més intensament i/o amb més rapidesa, i es mesura en watts.


Magnituds elèctriques fonamentals: Exemples

Exemple 1Calcula la potència d’una estufa que, connectada a una tensió de 220 V, és travessat per un corrent de 10 A d’intensitat.La potència de l’estufa serà:P = V • I = 220 V • 10 A = 2 200 W = 2,2 kW

Exemple 2Calcula la intensitat que circularà per un circuit que alimenta un motor de 5 500 W connectat a una tensió de 220 V.

P = V • I , d’on I = P / VPer tant, la intensitat que passarà pel motor és:

I = 5 500W / 220V = 25A


Magnituds elèctriques fonamentals

La llei d’OhmEn un circuit elèctric, les tres magnituds bàsiques (tensió, intensitat i resistència) estan íntimament relacionades entre si. Aquesta relació es coneix com la llei d’Ohm, en honor de Georges Simon Ohm, que va ser qui la va enunciar, i diu així:

La intensitat del corrent elèctric que circula per un circuit és directament proporcional a la tensió que hi apliquem i inversament proporcional a la resistència que ofereix.

Matemàticament, la llei d’Ohm s’expressa de la manera següent:I = V / Ron I és la intensitat expressada en amperes (A); V, la tensió en volts (V), i R, la resistència en ohms (Ω). Comprovem-ho experimentalment.


Magnituds elèctriques fonamentals: exemple

Determina la intensitat que circularà per un receptor de 10 Ω de resistència si el connectem a un generador que subministra una tensió de 24 V.

Aplicant la llei d’Ohm, tenim que: 24

2,410

VVI A

R


Circuits en sèrie, i circuits en paral·lel

La manera de connectar els diferents circuits, i en cada circuit els diferents elements, té molta importància, ja que afecta les característiques elèctriques del circuit i el funcionament dels receptors que alimenta.

Fins ara hem vist circuits alimentats per un generador en els quals funciona un sol receptor a la vegada. Però, com hem esmentat, hi ha circuits que disposen de diferents receptors alimentats per un generador o més d’un. Aquests elements poden estar connectats de maneres diferents: connexió en sèrie, connexió en paral·lel o derivació, i connexió mixta.


Circuits en sèrie

Quan en un circuit els diferents elements estan connectats un darrere l’altre de manera que hi circula el mateix corrent elèctric, diem que estan connectats en sèrie.

La pila, l’interruptor i la làmpada estan connectats en sèrie.

Connexió en sèrie de receptorsEn un circuit que alimenta més d’un receptor, els receptors que estan en sèrie estan connectats un a continuació de l’altre.

Seguint el recorregut del corrent en els esquemes, podem deduir que les característiques de funcionament dels receptors connectats en sèrie són les següents:- La intensitat que circula per cada receptor és la mateixa. Per tant, si es desconnecta un receptor per qualsevol causa, el circuit queda obert, s’interromp el corrent i deixen de funcionar tots els receptors.- La tensió del generador es reparteix entre els receptors de manera directament proporcional a la seva resistència.


Circuits en sèrie: Aplicacions

La connexió de receptors en sèrie no té aplicació pràctica, excepte en la connexió de resistències en els

circuits electrònics i en algunes instal·lacions molt concretes, com la d’algunes garlandes de bombetes

de colors de l’arbre de Nadal.

Connexió de piles en sèriePer connectar piles en sèrie es connecten una darrere l’altra, tenint en compte la polaritat, de manera que el pol negatiu d’una pila es connecta al positiu de la següent, i així successivament. Al final, queden dos pols lliures, als quals es connecten els borns del circuit que cal alimentar.

En un circuit alimentat per piles en sèrie, com que el corrent ha de passar per cada pila, rebrà l’energia de cada una d’elles i, en conseqüència, la tensió subministrada al circuit serà la suma de cadascuna de les piles. Per tant, podem concloure que la connexió de piles en sèrie es fa servir per augmentar la tensió que cal subministrar a un circuit.

Cal tenir en compte!

En la connexió de piles:

a) Es recomana fer servir piles de les mateixes característiques elèctriques.

b) No és recomanable substituir parcialment les piles d’un receptor portàtil; quan es canvien, s’han de canviar totes.


Connexió en paral·lel o derivacióQuan en un circuit hi ha elements que es connecten de manera que a partir d’un punt de connexió el corrent es reparteix entre aquests elements i es torna a unir a la sortida, diem que aquests elements estan connectats en paral·lel.

Si els elements tenen polaritat, com és el cas de les piles, cal connectar per una banda tots els pols positius i per l’altra tots els negatius.

La instal·lació elèctrica d’un edifici (per exemple, la de la teva

escola) està formada per diferents circuits que han de

funcionar independentment, és a dir, connectats en paral·lel.


Connexió en paral·lel de receptorsEn un circuit que alimenta dos o més receptors, aquests receptors estan connectats en paral·lel si el corrent es reparteix entre tots ells, de manera que es pot tancar el circuit per cadascun dels receptors.

Observant els esquemes de circuits amb receptors en paral·lel, podem concretar el següent:- Quan per qualsevol anomalia deixa de funcionar un dels receptors, els altres continuen funcionant.- Cada receptor rep la mateixa tensió, que és la del generador.Per tant, perquè el funcionament dels receptors connectats en paral·lel sigui el correcte, només han de tenir la mateixa tensió, que la del generador que alimenta el circuit.


Connexió en paral·lel: aplicacionsEn la majoria de les instal·lacions elèctriques, els receptors es connecten en paral·lel, perquè així tots funcionen a la mateixa tensió. Si un falla, els altres continuen funcionant, i cada receptor pot tenir una potència diferent.

Connexió de piles en paral·lelSi connectem dues o més piles de manera que unim tots els pols positius per una banda i tots els pols negatius per l’altra, les haurem connectat en paral·lel. La tensió d’alimentació del circuit serà la d’una pila (recorda que per fer agrupacions, les piles han de ser de les mateixes característiques), però el corrent que consumeix el circuit el subministren entre totes; per tant, podem dir que:

En un circuit alimentat per una associació de piles en paral·lel, augmenta l’autonomia de les piles, ja que l’energia consumida pel circuit la subministren entre totes a parts iguals.


Connexió mixta (sèrie - paral·lel)En l’esquema següent, les làmpades 2 i 3 estan connectades en paral·lel i la làmpada 1 està en sèrie amb elles; aquest tipus de connexió s’anomena connexió mixta.

La connexió mixta de receptors només s’utilitza en la connexió de resistències en els circuits electrònics.

També es fa servir per augmentar la tensió d’alimentació i la durada de les piles. Per exemple, en l’associació de

piles de la figura, les piles en sèrie de cada branca ens proporcionen més tensió, i la intensitat la subministren

entre les dues branques en paral·lel.

Perquè funcionin correctament, cal que el valor de la tensió o f.e.m. (força electromotriu) de cada branca

sigui el mateix.


Mesura de magnituds elèctriques

Quan facis els muntatges dels circuits elèctrics, és probable que, per alimentar-

los, utilitzis una font d’alimentació igual que la de la fotografia o semblant. Aquesta font porta incorporats dos aparells de mesura, un per saber la tensió, i l’altre per saber la intensitat del CC que subministra al circuit.

Hi ha aparells de mesura per a qualsevol de les magnituds del circuit elèctric: voltímetres per saber la tensió, amperímetres per mesurar la intensitat, ohmímetres per a la resistència, wattímetres per a la potència… Els aparells de mesura poden ser analògics o digitals. En els primers, el valor de la lectura el dóna una agulla que es desplaça sobre una escala graduada. En els digitals, s’indica amb nombres que apareixen en un display o pantalla, igual que en les calculadores.


VoltímetrePer mesurar la tensió s’utilitzen els voltímetres. El voltímetre és un aparell que té dues pinces o terminals que s’han de posar en contacte entre els dos punts del circuit.

Aquesta manera de connectar el voltímetre s’anomena connexió en paral·lel o derivació. Cal tenir present que el valor màxim de la tensió que es pot mesurar amb un voltímetre és el que assenyala el final de la seva escala graduada, anomenat valor del fons d’escala.

Hi ha voltímetres per a CC i voltímetres per a CA.

Com s’utilitza el voltímetre?1. D’acord amb el corrent del circuit, s’elegeix el mode de mesura de CC o de CA.2. Hem d’estar segurs que la tensió que volem mesurar és inferior a la del fons d’escala que tenim seleccionat al voltímetre.3. Es connecta en paral·lel entre els punts del circuit del qual volem mesurar la tensió, tenint present que si el circuit és de CC la polaritat del circuit ha de coincidir amb la de l’aparell (normalment, la pinça del positiu és de color vermell i la del negatiu, de color negre).4. Es llegeix el valor de la tensió, en volts (V).


AmperímetrePer mesurar la intensitat que travessa un circuit es fa servir l’amperímetre. Aquest aparell s’intercala enmig del circuit, connectat en sèrie, i s’efectua la mesura quan el circuit està tancat o en funcionament.

Com s’utilitza l’amperímetre?1. D’acord amb el tipus de corrent del

circuit, se selecciona el moe de mesura de CC o de CA.

2. Hem d’estar segurs que la intensitat que volem mesurar és inferior al valor del fons d’escala que tenim seleccionat a l’amperímetre.

3. Es connecta en sèrie amb el circuit (precaució: si el connectéssim en paral·lel o derivació es podria malmetre). Si el circuit és de CC, la polaritat del circuit ha de coincidir amb la de l’amperímetre.

4. Es llegeix el valor de la intensitat, en amperes (A).


OhmímetreS’utilitza per mesurar la resistència elèctrica d’un circuit, d’un receptor o d’un resistor.

1. El valor de R és el mateix per a un circuit CA que CC.

2. Cal assegurar-se que al circuit o a la resistència no hi hagi tensió, ja que això pot provocar el deteriorament de l’aparell, i la mesura realitzada no seria correcta.

3. Es connecta entre els dos punts del component o circuit del qual volem mesurar la resistència; en aquest cas no hem de tenir en compte la polaritat, ja que hem desconnectat anteriorment qualsevol generador del circuit.

4. Es llegeix el valor de la resistència, en ohms (Ω).

Per mesurar la resistència no cal desconnectar-la. No pot haver-hi

tensió


Multímetre o polímetre

Per mesurar tensions i intensitats, els tècnics elèctrics empren el multímetre o polímetre, també conegut amb el nom de tèster, ja

que és un aparell que porta integrades aquestes dues funcions, junt amb altres com, per exemple, la mesura de resistències, capacitats i

altres mesures compostes.Els multímetres solen tenir diverses escales per a cadascuna de les magnituds que es volen mesurar, i poden utilitzar-se tant en circuits

de CC com de CA. N’hi ha d’analògics i de digitals.Els multímetres no tenen un símbol específic, sinó que en els

circuits es representa la funció que fan, com per exemple la de voltímetre, amperímetre, etc.

S’han de configurar per executar les diferents funcions, per això tenen els elements següents: • Un interruptor general amb les posicions ON/OFF (connectat, desconnectat).• Un commutador amb les posicions CA/CC per seleccionar el tipus de corrent que

es vol mesurar. De vegades aquesta funció es troba en el mateix selector.• Un selector giratori que permet seleccionar la magnitud que es vol mesurar (tensió,

intensitat, etc.) i el seu fons d’escala.• Uns borns i dos cables terminals per a la connexió de l’aparell al circuit.


Efectes del corrent elèctricEn un circuit no podem veure el pas del corrent elèctric, però el podem detectar per la presència dels seus efectes tèrmics, lluminosos, magnètics, acústics, dinàmics, etc.

Efectes tèrmicsSegurament deus haver notat que una bombeta o qualsevol aparell, si estan molt de temps funcionant, s’escalfen, i més quan augmenta la intensitat del corrent. Aquest fenomen és el que s’anomena efecte Joule.En els circuits elèctrics el pas del corrent sempre provoca un despreniment de calor, que augmentarà com més elevat sigui el corrent elèctric que hi circula i més estona duri la connexió. Molts aparells elèctrics es fonamenten en l’efecte Joule: estufes, torradores de pa, forns elèctrics, etc. La seva funció és transformar l’energia elèctrica en calor. Dues aplicacions particulars de l’efecte Joule són les làmpades d’incandescència i els fusibles.

Làmpades d’incandescènciaL’enllumenat artificial amb corrent elèctric s’inicia a partir de l’any 1879, en què Thomas Alva Edison, inventor americà, construeix una làmpada d’incandescència amb filament de carbó i es dedica a fabricar-la en sèrie.Actualment, les làmpades incandescents consten d’una ampolla de vidre d’alta puresa dins de la qual hi ha un filament de tungstè (també conegut amb el nom de wolframi), que és un metall amb un punt de fusió elevat (3400 ºC) i una alta resistència elèctrica. En passar-hi el corrent elèctric, el filament s’escalfa fins a temperatures d’entre 2000 i 3000 ºC, i es produeix el fenomen de la incandescència, segons el qual el filament emet radiacions lluminoses intenses com a conseqüència de l’alta temperatura a què es troba. Per tal que el filament no es malmeti, dins l’ampolla de vidre hi ha una barreja de gasos com l’argó i el nitrogen. L’ampolla es tanca amb un casquet que, a més de la rosca per a la fixació de la làmpada, porta els contactes elèctrics que donen el corrent al filament.

Els fusiblesUna de les conseqüències del despreniment de calor en els circuits elèctrics són els curtcircuits. El curtcircuit es produeix quan el corrent elèctric va d’un pol del generador a l’altre sense passar per cap receptor. Com ja hem comentat, els receptors són els dispositius que tenen més resistència. Per tant, si no n’hi ha cap, el corrent elèctric no troba a penes resistència i circula amb molta facilitat, fet que comporta un gran despreniment d’energia calorífica que pot arribar a cremar tot el circuit. Per això, els curtcircuits poden provocar incendis i malmetre aparells i instal·lacions.

Un curtcircuit, per tant, és un accident que es produeix en un circuit elèctric quan el corrent elèctric va d’un pol a l’altre del generador sense passar per cap receptor, fet que provoca un gran despreniment d’escalfor que pot resultar perillós.

Els curtcircuits són els accidents més perillosos que es produeixen en els circuits elèctrics, ja que la gran quantitat de calor despresa amb la presència, la majoria de vegades, de guspires és la causa de molts incendis. Per evitar els efectes destructius dels curtcircuits, s’utilitzen els fusibles.Els fusibles són els elements de protecció més antics utilitzats en els circuits elèctrics. Es fonamenten en l’efecte Joule. Construïts amb un material conductor de baix punt de fusió, es col·loquen a l’inici de la instal·lació i al costat de l’aparell o circuit que es vol protegir; si es produeix un curtcircuit, els fusibles detecten l’augment de temperatura i es fonen, de manera que el circuit queda obert, cessa el corrent i s’eviten altres conseqüències.

Els fusibles van col·locats en el portafusibles que conté els terminals de connexió. Normalment s’hi marca la intensitat màxima que són capaços de suportar de manera permanent.


Efectes del corrent elèctricEfectes magnèticsUn dels efectes més importants del corrent elèctric és el magnetisme que provoca. Es pot comprovar pràcticament que el pas del corrent elèctric per un conductor genera un camp magnètic que té les mateixes propietats que el camp magnètic dels imants naturals.

Durant molts segles el fenomen del magnetisme va servir per fer experiències curioses, però sense cap mena d’aplicació pràctica. Fins al principi del segle XIX, primer amb l’experiment d’Oersted i anys més tard amb el de Michael Faraday, no es va fer evident la relació entre l’electricitat i el magnetisme, l’anomenat electromagnetisme

L’electromagnetisme és la ciència que estudia la relació entre el corrent elèctric i els camps magnètics.

L’electromagnetisme: els electroimants

Sabem que tot conductor recorregut per un corrent elèctric crea un camp magnètic. Aquest camp és el que va fer moure la brúixola en l’experiment d’Oersted, en interaccionar els dos camps magnètics, tal com succeeix en acostar dos imants.

En circular un corrent elèctric per un conductor,es crea un camp magnètic de forma circular al seu voltant que es va afeblint a mesura que ens n’allunyem; per tant, les línies de força que el representen formen cercles concèntrics cada vegada més separats.

Si enrotllem un conductor elèctric formant una volta o espira al costat d’una altra, haurem construït una bobina. En connectar els seus extrems a una pila, els camps magnètics creats per cada espira se sumen a l’interior de la bobina. El resultat és un camp magnètic similar al d’un imant rectangular, amb un pol nord en un extrem i un pol sud a l’altre. Si s’inverteix la polaritat de l’alimentació, els pols canvien de posició.

Si a l’interior de la bobina hi col·loquem un nucli de ferro, en fer circular el corrent elèctric per la bobina quedarà magnetitzat, i el camp magnètic es farà molt més intens que sense nucli, en concentrar-se en el nucli el camp creat per la bobina. Haurem construït un electroimant.

El camp magnètic creat per la bobina es reforça considerablement en col·locar-hi un nucli de material ferromagnètic.

Un electroimant és un imant artificial temporal, ja que només actua com a imant quan hi circula el corrent elèctric. Està format per una bobina de coure i un nucli de ferro.

El nucli es construeix de ferro dolç, un acer que, pràcticament, perd tot el magnetisme quan no circula corrent per la bobina.Les bobines es fan amb fil de bobinar, fil de coure d’un sol conductor recobert per una fina capa de vernís (esmaltat) que actua d’aïllant i que permet reduir les dimensions de les bobines, que solen tenir moltes voltes o espires.

Com hem vist, a diferència dels imants permanents, els electroimants es poden governar tancant o obrint el circuit d’alimentació. A més, es poden obtenir camps magnètics molt intensos a base de construir bobines amb moltes voltes o espires i fent-hi circular corrents elevats.Els electroimants són una de les grans aplicacions de l’electromagnetisme; s’utilitzen en multitud d’aparells i màquines: timbres, relés, panys dels porters automàtics, frens elèctrics de camions i autocars, grues per aixecar ferralla; és a dir, qualsevol aparell que necessiti un camp magnètic intens i governable.

magnituds i circuits

Education