Electricitate

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Un fulger lovește pământul în timpul unei furtuni nocturne. Energia radiată pe măsură ce lumina transformă gazul atmosferei în plasmă și invers

Electricitatea indică generic toate fenomenele fizice la scară macroscopică care implică una dintre interacțiunile fundamentale , interacțiunea electromagnetică , cu o referire specială la electrostatice . La nivel microscopic, aceste fenomene pot fi urmărite înapoi la interacțiunea dintre particulele încărcate la scară moleculară : protonii din nucleul atomilor sau moleculelor ionizate și electronii . Efectele macroscopice tipice ale acestor interacțiuni sunt curenții electrici și atracția sau respingerea corpurilor încărcate electric.

Electricitatea este responsabilă pentru fenomene bine cunoscute, cum ar fi fulgerul sau electrificarea , și reprezintă elementul esențial al unor aplicații industriale, cum ar fi electronica și electrotehnica prin semnale electrice . Devenind simultan cel mai răspândit mijloc de transport pentru energie în rețelele electrice și unul dintre cele mai răspândite mijloace de transport pentru informații în telecomunicații ( comunicații electrice ), electricitatea a devenit simbolul lumii moderne: luminează locuințele, funcționează fabrici și apropiați cele mai îndepărtate popoare.

Istorie

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Istoria electricității .

Primele studii ale fenomenelor datează probabil de filosoful grec Thales (600 î.Hr.), care a studiat proprietățile electrice ale chihlimbarului, rășina fosilă care, dacă este frecată, atrage alte bucăți de materie: numele său grecesc a fost electron (ἤλεκτρον) și din acest termen derivă cuvântul „electricitate”. Vechii greci au înțeles că chihlimbarul era capabil să atragă obiecte ușoare, cum ar fi părul, și că o frecare repetată a chihlimbarului în sine ar putea chiar să dea naștere la scântei.

Cu toate acestea, abia începând cu secolul al XVIII-lea, odată cu studiile lui Benjamin Franklin , studiul electricității s-a dezvoltat către o aplicație practică concretă.

Incarcare electrica

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Încărcare electrică și forță electrică .

Încărcarea electrică este una dintre acele entități care pot fi măsurate și utilizate, dar nu pot fi definite în termeni ușor de înțeles, deoarece, în ceea ce privește spațiul, timpul și masa, nu este ușor să se dea o definiție exhaustivă. Un obiect cu sarcină electrică exercită o forță la o anumită distanță asupra unui alt obiect cu sarcină electrică. Spre deosebire de gravitație , care determină atragerea unui alt obiect, obiectele cu sarcină electrică se pot atrage și respinge reciproc. Mai mult, gravitația este direct legată de masa obiectelor în cauză, în timp ce sarcina electrică și masa nu sunt legate atunci când obiectele sunt imobile.

Experimentele arată că există două tipuri diferite de încărcare electrică. Prima dintre acestea se numește sarcină pozitivă sau + sarcină și este asociată cu nucleele atomilor din toate speciile chimice . A doua este sarcina negativă sau - și aparține tuturor electronilor care înconjoară nucleul atomului. În general, sarcina pozitivă a nucleului este exact egală cu suma sarcinilor negative ale electronilor din jur.

Direcția forțelor, care acționează între obiecte cu sarcină electrică, depinde de tipul de sarcină de pe aceste obiecte. De exemplu, dacă două obiecte au același tip de încărcare, indiferent dacă sunt ambele pozitive sau ambele negative, obiectele se resping reciproc. Când cele două obiecte au sarcină opusă, ele se atrag reciproc. Această forță electrică de atracție, între nucleii pozitivi și electronii negativi, îl leagă pe acesta din urmă de nucleu.

Cantitatea totală de încărcături electrice rămâne practic constantă în întreaga lume. Deoarece cele două tipuri de încărcare au efecte opuse, rezultatul normal general este neutralitatea electrică sau lipsa aparentă de încărcare. Prin urmare, pentru a observa efectele încărcării în cantități suficient de mari de materie, va fi necesar să se supere echilibrul normal și să se producă o sarcină în exces în obiect în modul dorit.

Încărcarea electrică în materie

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: conductor electric, izolator electric și supraconductor .

Numeroase substanțe solide au o structură cristalină , adică atomii lor sunt dispuși într-o rețea tridimensională regulată. Cu toate acestea, în unele substanțe, electronii care înconjoară acești nuclei nu sunt strâns legați. În anumite condiții, este posibil să se adauge și să se scadă un număr bun de electroni fără a perturba serios structura cristalină. Cu alte cuvinte, nucleele atomice tind să rămână fixe în poziția lor, dar electronii se pot mișca adesea. Pentru a-i da o sarcină negativă, va trebui doar să adăugați exces de electroni. Cu toate acestea, în raport cu sarcina pozitivă și negativă, trebuie amintit că plusul și minusul indică o stare electrică, nu indicatori ai operațiilor matematice , ca în aritmetică sau algebră. Când vedeți un semn negativ aplicat unei sarcini, trebuie să ne amintim că indică doar un număr excesiv de electroni și nu are nimic de-a face cu o scădere.

Din punct de vedere electric, este posibil să se clasifice aproximativ toate substanțele care alcătuiesc materia în două grupuri mari. Tipurile de substanțe care conțin un număr relativ mare de electroni liberi, care se pot deplasa de la un atom la altul, se numesc conductori electrici . Substanțele în care electronii nu sunt liberi să se miște sub stres moderat se numesc izolatori electrici . Majoritatea metalelor conduc electricitatea, deși într-un mod diferit de conductorii utilizați în industria chimică, cum ar fi soluțiile apoase de acizi , baze sau săruri . Pe de altă parte, majoritatea substanțelor nemetalice sunt izolatoare electric. Nu există nici un conductor perfect, nici un izolator perfect, dar în practică, o serie de substanțe servesc foarte bine acestui scop. De exemplu, aurul , argintul , cuprul , aluminiul și chiar oțelul sunt adesea potrivite ca conductori, în timp ce sticla , porțelanul , majoritatea materialelor plastice , aerul uscat și lemnul sunt izolați buni. În ultimele decenii, studiul materiei a dus la crearea de materiale care, în condiții extreme, reușesc să devină supraconductori .

Concepte conexe

Conceptul de electricitate este adesea asociat cu fenomene sau entități foarte specifice, cum ar fi:

Electricitate statica

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Electricitate statică .

Când vremea este rece și uscată, se poate întâmpla să primiți un șoc atunci când mergeți pe un covor de lână sau atingeți un mâner metalic. Dacă este întuneric, puteți vedea o scânteie. Chiar și frecând un balon pe orice țesătură de lână, acesta este încărcat cu electricitate statică, îl puteți observa plasând balonul deasupra capului, veți vedea că părul va crește cu câțiva centimetri. Uneori se văd scântei când te pieptenești. Aceste șocuri și scântei sunt cauzate de electricitatea statică .

Electricitate și magnetism

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Electromagnetismul .

Spațiul din jurul unui electron sau a oricărui alt obiect care are o sarcină electrică pare a fi într-o stare de stres, numită câmp electric . Aceasta interferează cu câmpurile electrice ale altor obiecte încărcate electric și provoacă forțele reciproce tipice acestor obiecte. Dar dacă mișcați electronii, calea lor este înconjurată de un alt câmp nou, numit câmp magnetic . Puterea acestui câmp este direct proporțională atât cu numărul de electroni în mișcare, cât și cu viteza cu care se mișcă, adică, cu alte cuvinte, cu curentul.

Prin urmare, dacă un curent este trecut printr-o bobină , adică un set de bobine aranjate corespunzător, de sârmă de cupru , această bobină de sârmă se va comporta ca un magnet de oțel , atrăgând sau respingând alte bobine de sârmă similare. Înfășurând o astfel de bobină pe o structură sau un miez de fier, câmpul magnetic produs va fi întărit. Dacă mai multe bobine de sârmă sunt dispuse în jurul unui miez de fier , liber de rotit, plasându-le în câmpul de intensitate mare a unei serii de bobine fixe, traversate de curent, se vor obține forțe mecanice considerabile. Acestea vor roti bobinele mobile, care vor efectua lucrări mecanice.

Acest aparat se numește motor electric . În prezent, motoarele electrice rulează tot felul de mașini, de la burghiuri dentare delicate până la mașini gigant în fabricile moderne. Pot exista numeroase motoare electrice într-o casă modernă, de la cea a cazanului de ulei la cea a frigiderului etc.

Curent alternativ și continuu

Baterii
Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Curent electric .

Până în acest moment, s-a menționat că, în orice circuit dat, electronii se mișcă întotdeauna în aceeași direcție în interiorul acestuia. Un sistem sau circuit de tipul de mai sus se numește sistem de curent continuu sau continuu . Un exemplu de astfel de circuit este orice circuit alimentat de baterie , de exemplu, un bliț de magneziu sau un sistem electric în automobile. Uneori, însă, curentul nu rămâne constant, atât din punct de vedere al puterii, cât și al simțului. Sunt utilizate numeroase circuite electrice în care curentul inversează regulat direcția fluxului său în circuit.

Pentru circuitele electrice în care curentul inversează regulat direcția fluxului său în circuit, vorbim de curent alternativ . Cele mai frecvente și utilizate circuite electrice sunt curentul alternativ. Într-un circuit de curent alternativ, trebuie specificată și frecvența , precum și specificarea puterii și tensiunii curentului circuitului, care este suficientă pentru circuitul de curent continuu. Frecvența măsoară jumătate din numărul de curenți care schimbă direcția într-o secundă.

În Europa, rețelele de distribuție a energiei electrice furnizează tensiune de 230 V cu o frecvență de 50 Hz perioade sau cicluri pe secundă. Aceasta înseamnă că curentul curge într-o direcție timp de 1/100 de secundă și așa mai departe. (Desigur, aceste modificări se fac treptat, astfel încât curentul din circuit să se schimbe continuu atât în ​​intensitate, cât și în direcție). Circuitele pentru difuzarea radiourilor necesită frecvențe de milioane de cicluri, cele pentru televiziune sute de milioane de cicluri pe secundă. Desigur, curenții la aceste frecvențe nu sunt generați de un alternator , care în niciun caz nu ar putea funcționa la viteza cerută de astfel de circuite, ci de circuite electronice .

În cazul în care curentul și tensiunea se schimbă, așa cum se întâmplă continuu în circuitele de curent alternativ, trebuie luat în considerare efectul reactanței . După cum sa menționat deja, curentul generează întotdeauna un câmp magnetic. Când curentul se schimbă, câmpul magnetic cauzat de acesta se schimbă și aceasta determină o forță electromotivă opusă. Prin urmare, într-un circuit de curent alternativ, tensiunea aplicată trebuie să depășească opoziția câmpului magnetic variabil, pe lângă rezistența comună a circuitului.

Opoziția întâlnită de curentul alternativ se numește reactanță inductivă și se datorează schimbării câmpului său magnetic. După cum am văzut, electronii se resping întotdeauna, urmând acțiunea reciprocă a câmpurilor lor electrice. Prin urmare, un electron în mișcare într-un conductor îi poate forța pe cei din altul să se miște, chiar dacă cei doi conductori sunt izolați unul de celălalt. Prin urmare, se poate întâmpla, uneori, ca un curent alternativ să curgă chiar și printr-un izolator perfect, în timp ce unul direct nu poate (desigur, nici un electron nu se mișcă de fapt prin izolator, dar câmpurile lor electrice care interacționează sunt cele care produc schimbările menționate anterior). . Acest efect interesant este exploatat în dispozitivele numite condensatoare, adesea utilizate pentru circuitele de curent alternativ. Prin urmare, un curent alternativ poate curge aparent printr-un condensator, dar nu fără a găsi o anumită opoziție.

Opoziția la fluxul de curent alternativ datorită acțiunii condensatorului se numește reactanță capacitivă. Reactanța inductivă, reactanța capacitivă și rezistența unui circuit sunt denumite în mod colectiv impedanța unui circuit. Prin controlul cantității de reactanță inductivă și capacitivă într-un circuit, se pot observa unele efecte interesante. Unul dintre cele mai importante efecte este rezonanța . Datorită acestui efect, este posibil ca circuitul să rezoneze, adică este traversat de un curent alternativ cu o anumită frecvență, ignorând absolut pe cele ale altor frecvențe care ar putea fi prezente. Datorită utilizării rezonanței, aparatul de radio sau televizor poate fi ajustat la un anumit post de emisie, cu excepția celorlalte.

Transformatoare

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Transformer .
Un transformator tipic cu miez de fier , în partea de sus puteți vedea blocul de borne pentru conectarea firelor . Se pot găsi și transformatoare izolate cu miez din plastic

Avantajul practic al sistemelor de curent alternativ constă în primul rând în faptul că tensiunea poate fi crescută sau coborâtă cu ajutorul unui dispozitiv numit transformator. Transformatorul este compus pur și simplu din două bobine separate, izolate, de sârmă înfășurate pe același miez de fier magnetic. Un curent alternativ, care curge în prima bobină, produce un câmp magnetic în schimb în miez și induce o tensiune care variază periodic în a doua bobină. Aranjând în mod corespunzător măsurarea miezului și numărul de rotații ale firelor pe bobine, este posibil să ridicați sau să reduceți tensiunile după bunul plac. Prin urmare, transformatorul permite utilizarea unei tensiuni relativ joase, din motive de siguranță, în case, permițând în același timp o tensiune mult mai mare pentru a fi transmisă de la o centrală electrică îndepărtată. Transformatoarele pot fi utilizate pentru a reduce și mai mult tensiunea, pentru sonerii, jucării electrice și alte aplicații mici. Transformatorul nu poate fi utilizat pe un circuit de curent continuu, deoarece curentul și, prin urmare, câmpul magnetic, nu se schimbă.

Electricitatea ca unde radio

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: unde radio .

Când frecvența este suficient de mare, curentul alternativ poate fi alimentat într-o antenă care va radia unde electromagnetice în spațiu. Aceste unde sunt variații ale câmpurilor magnetice și electrice conectate care se răspândesc prin antenă, care pot transporta impulsuri telegrafice, vorbire sau imagini pe distanțe mari. Aceasta este baza radioului și a televiziunii . Dacă este necesar, curentul alternativ poate fi ușor convertit în curent continuu constant folosind un redresor . Pe de altă parte, este mai dificil să transformați curentul continuu în curent alternativ (cu un invertor ), în cazul în care acest lucru este necesar, în special pentru aplicații cu o putere considerabilă.

Curentul continuu este esențial în industriile electrochimice, de exemplu pentru prelucrarea aluminiului , magneziului sau cuprului . În prezent, puterea pentru radio, televiziune și alte dispozitive electronice este, de asemenea, alcătuită din curent continuu în timp ce funcționează sursa de curent alternativ. Prin urmare, circuitele de curent continuu au și ele utilizările lor particulare.

Unitate de măsură

Simbol Dimensiunea fizică Unitate derivată În unități fundamentale
THE Curent electric Ampere (unitate fundamentală) LA LA
q Încărcarea electrică (sau cantitatea de energie electrică) Coulomb C. La fel de
V. Potential electric Volt V. J / C = kg m 2 s −3 A −1
R. Rezistență Ohm Ω V / A = kg m 2 s −3 A −2
P. Energie electrică Watt W V A = kg m 2 s −3
C. Capacitate electrică Farad F. C / V = ​​kg −1 m −2 A 2 s 4
ε Permitivitate Farad pe metru F / m kg −1 m −3 A 2 s 4
G, Y, B Admiterea , conductanța și susceptibilitatea Siemens S. Ω −1 = kg −1 m −2 s 3 A 2
σ Conductivitate Siemens pe metru S / m kg −1 m −3 s 3 A 2
H. Intensitatea câmpului magnetic Ampere pe metru A / m A m −1
Φ m Flux magnetic Weber Wb V s = kg m 2 s −2 A −1
B. Densitatea câmpului magnetic , inducția magnetică și intensitatea câmpului magnetic Tesla T. Wb / m 2 = kg s −2 A −1
Reticența magnetică Ampere la weber A / Wb kg −1 m −2 s 2 A 2
L Inductanţă Henry H. Wb / A = V s / A = kg m 2 s −2 A −2
μ Permeabilitate Henry la metru H / m kg m s −2 A −2
χ ȘI Sensibilitate electrică adimensional
χ H Sensibilitate magnetică adimensional

Producția de energie electrică

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Producția de energie electrică și Producția de energie electrică în Italia .

Producția de energie electrică are loc prin transformarea altor tipuri de energie prin centrale speciale, administrate atât de entități private, cât și de entități publice (în Italia , în special, majoritatea acestor structuri sunt deținute de Enel ). Aceste centrale, numite și centrale electrice , pot fi:

Producția de energie electrică pentru casă și industrie

Nu numai că curentul electric produce un câmp magnetic: un câmp magnetic produce și curent electric. La începutul secolului al XIX-lea, s-a descoperit că prin variația unui câmp magnetic în orice mod, se stabilește o tensiune electrică în spațiul ocupat de câmpul în schimbare. Și dacă această variație apare într-o bobină de sârmă, tensiunea (tensiunea) va apărea între un capăt al bobinei respective și celălalt. Această tensiune, atunci când este declanșată într-un circuit adecvat, va produce curent în el. Acesta este principiul utilizat în prezent pentru a genera electricitate comercială în cantități mari.

O serie de bobine este înfășurată în jurul unui miez de fier liber de rotit și cuplat la o turbină cu abur puternică sau la un motor diesel. Aceste bobine sunt plasate, rotindu-se într-un spalier de bobine fixe, foarte asemănătoare cu dispunerea într-un motor electric descris anterior. Un curent constant este trecut prin bobinele rotative pentru a le magnetiza, iar miezul este rotit de un motor cu abur sau diesel. Miezul, pe măsură ce se rotește, forțează câmpul magnetic din bobina fixă ​​la variații periodice, generând o cantitate mare de energie electrică în el. Aceasta este, prin urmare, transmisă de o rețea de fire către case și industrii.

Elemente conexe

Arii de studiu

Dispozitive

Siguranță

Fenomene electrice în natură

Producție, utilizare și consum

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității Tesauro BNCF 1781 · LCCN (EN) sh85042065 · GND (DE) 4151720-9 · BNF (FR) cb119761570 (dată) · NDL (EN, JA) 00.561.317