Title: R3.0. Teoria bàsica sobre l'electricitat
Course: Tecnologia 2n ESO 1r T > Section: Tema 3

Conceptes bàsics, magnituds, unitats i càlculs simples

Introducció

L’electricitat és avui dia la forma d’energia més utilitzada per l’ésser humà. La fem servir pràcticament per a tot i actualment seria impossible viure sense ella. L’èxit de l’electricitat com a font d’energia es troba en la facilitat per a obtenir-la, transportar-la i transformar-la en altres energies.

Font: Markus Spiske / Pexels.com

Podem transformar l'energia elèctrica en totes les altres formes d'energia de manera fàcil. Fixa't en els següents exemples de transformacions:

→ Moviment. En els motors elèctrics són presents a molts aparells: assecador, rentadora, microones, raspalls elèctrics, aspiradores, ... i fins i tot en aparells més grans com els cotxes elèctrics o els grans motors de les fàbriques.

→ Llum. Aquí sí que hi ha un ventall molt ampli: bombetes d'incandescència, leds, fluorescents, llums halògens, làmpades de sodi, llums de neó, ... No hi ha límit!

→ Calor. En aquest cas trobem estufes, calefactors, termos, ... Tot gràcies al nostre amic Joule!

→ So. Com ho faríem sense escolar la nostra música preferida, o el timbre que marca el canvi de classe? Reproductors de música, altaveus, ...

Font: piqsels.com

Quin inconvenient té doncs l'energia elèctrica? A part de la seva generació (ja has vist en el tema anterior que cada font energètica té els seus inconvenients), ens trobem que, de moment, no la sabem emmagatzemar en grans quantitats. Qui no s'ha quedat sense bateria en el moment més inoportú? Piles esgotades? Sempre buscant un endoll per carregar? Molts investigadors i empreses destinen esforços i recursos a trobar sistemes que ens permetin emmagatzemar grans quantitats d'energia elèctrica. Els darrers avanços es poden veure en els cotxes elèctrics, ja que cada vegada gaudeixen de més autonomia.

Font: Alexander Andrews, Mika Baumeister i Tower electric bikes a unsplash.com

El corrent elèctric

En aquest capítol anem a veure l'essència de l'energia elèctrica, el corrent elèctric. Per això anirem primer a repassar alguns conceptes de l'estructura de la matèria.

La matèria, tant els sòlids, líquids com els gasos està formada per àtoms. Els grecs varen donar nom a aquesta partícula que creien indivisible. De fet àtom en grec vol dir indivisible. Avui sabem que l'àtom es pot dividir: Consta de les següents partícules:

- Protons: situats en el nucli i amb càrrega positiva
- Neutrons: de massa similar als protons, també es troben en el nucli. No tenen càrrega i la seva funció és estabilitzar l'àtom
- Electrons: unes 2000 vegades més petits que protons i neutrons, tenen molta mobilitat i se situen per capes al voltant del nucli.

Font: Sharon Rondeau

El corrent elèctric no és res més que el moviment en massa d'un nombre molt elevat d'electrons que viatgen al llarg d'un material. Els materials metàl·lics normalment tenen els àtoms molt ben ordenats i els electrons de tots els àtoms formen grans grups, com si fossin estols d'ocells que viatgen al llarg dels conductors a gran velocitat.

Font: Photo by Lesly Derksen / Unsplash i wikimedia.org

En el cas del corrent continu (CC) els electrons circulen sempre cap al mateix sentit del circuit. En canvi, en el corrent altern (CA), canvien de sentit de gir moltes vegades per segon.

Tesla i Edison l'origen de la guerra entre corrent continu i corrent altern: Tesla un geni a l'ombra.

El circuit elèctric

Un circuit elèctric és un conjunt d’elements units de tal forma que permeten el pas del corrent elèctric. Normalment té com a finalitat transformar l'energia elèctrica en algun altre tipus d'energia. Els elements bàsics d'un circuit són:

- Generador: és l'element que proporciona l'energia als electrons per tal que es moguin. Serien generadors les piles, bateries, ...
- Conductors: són els elements que permeten el pas dels electrons. Normalment són metàl·lics i van protegits per plàstics o altres aïllants. Són els cables.
- Receptor: és el que transforma el corrent elèctric en algun altre tipus de fenomen: calor, llum, so, moviment, ... Ja hem parlat d'alguns d'ells: motors, leds, altaveus, ...

Font: Photo by Brett Jordan on Unsplash i piqsels.com

Ara que ja tenim totes les parts d'un circuit, només cal connectar-les per tal que funcioni. Si no ho fem, estem tallant el pas d'electrons i no hi ha corrent que circuli!

Font: Andreu Marsal

Un circuit elèctric també pot incorporar:

- Elements de control: Ajuden a posar en marxa i aturar el pas de corrent. Són els polsadors o interruptors.
- Elements de protecció: Se situen en els circuits per protegir-ne els elements. Si alguna cosa falla, aquests elements ens protegiran d'una bona enrampada i evitaran que el circuit s'espatlli. Alguns elements de protecció són els fusibles o els interruptors de protecció que hi ha al quadre general de comandament i protecció dels habitatges.

Font: Photo by elnaz asadi a Unsplash.com i wikimedia.org

Elements de control

POLSADORS

Elements elèctrics destinats a obrir i tancar el circuit. Disposen d’una posició de repòs i d’una d’accionament. La posició d'accionament es manté mentre dura l'actuació. En trobem de 2 tipus:

- Normalment oberts (NO): el circuit no està en funcionament en la posició de repòs i s'activa quan actuem sobre el polsador. És el cas del timbre. Sona només quan premem el botó. Quan el deixem anar, para de sonar.
- Normalment tancats (NT): el circuit està en funcionament i s'atura quan actuem sobre el polsador. Un exemple seria el polsador de seguretat que incorporen algunes màquines. Quan el premem, deixa de funcionar l'aparell.

Simbologia

Font: wikimedia.org i Andreu Marsal

INTERRUPTORS

Fan la mateixa funció que el pulsadors, però les dues posicions, obert i tancat, són estables. Gairebé tots els dispositius electrònics tenen un interruptor general (ON /OFF) que permet engerar-los i apagar-los.

Simbologia

Font: wikimedia.org i Andreu Marsal

Conductors i aïllants

S’anomenen conductors aquells materials que permeten el pas del corrent elèctric en un circuit. La majoria de metalls són bons conductors tot i que els més utilitzats són el coure i l'alumini. Els cables elèctrics tenen una part central de coure que està recoberta per un plàstic aïllant que evita curtcircuits i enrampades.

Cables de coure

Font: wikimedia.org

S’anomenen aïllants aquells materials que impedeixen el pas del corrent elèctric. Són materials aïllants el plàstic, la fusta, el vidre, ...

Materials aïllants

Font: Zuzana Kacerová, Tanvi Sharma i Crissy Jarvis a unsplash.com

Els símbols i esquemes elèctrics

Quan volem representar els components elèctrics fem un dibuix al qual anomenem símbol. Identifiquem aquest símbol amb l'element que representa i, d'aquesta manera, podem veure amb un simple cop d'ulls tots els components de què consta un circuit.

Símbols bàsics
Component | Símbol elèctric | Fotografia
Pila |  | Font: freesvgs.org
Cable |  | Font: wikimedia.org
Bombeta |  | Font: pixabay.com
Motor elèctric |  | Font: wikimedia.org
Brunzidor |  | Font: wikimedia.org
Interruptor |  | Font:wikimedia.org
Polsador |  | Font: wikimedia.org

A la representació d’un circuit se l’anomena esquema elèctric i està format per tots els símbols dels elements que el formen.

Font: Andreu Marsal

Alguns exemples d'esquemes elèctrics

Font: Andreu Marsal

Circuit obert o tancat?

Es diu que un circuit està tancat quan tots els elements estan connectats i circula corrent pels seus components: els receptors estan engegats (la bombeta fa llum, el motor genera moviment, ...). En canvi, un circuit està obert quan hi ha algun punt on s'ha tallat el pas de corrent i, per tant, no circulen electrons pels components del circuit. Això pot passar quan s'ha trencat algun cable del circuit, els components no estan connectats, o els interruptors estan oberts. En aquest cas els receptors no funcionen: les bombetes estan apagades, el timbre no sona, ...

Circuit obert / tancat
Circuit tancat | Circuit obert

Font: Andreu Marsal

Connexió en sèrie de receptors

Els circuits en sèrie són aquells que disposen d’un o més receptors (bombeta, motors...) connectats un darrere l’altre. D'aquesta manera el corrent elèctric només pot agafar un camí possible: primer passa per un dels receptors, després pel següent i així continuant fins que passa pel darrer.

Font: Andreu Marsal

Els receptors en sèrie es reparteixen la tensió del generador. Si són iguals, la tensió es divideix entre el nombre de receptors. Fixa't en l'exemple.

Font: Andreu Marsal

Si un dels receptors deixa de funcionar, els altres, malgrat que no tinguin cap problema, tampoc funcionaran, perquè no circularà corrent pel circuit.

Font: Andreu Marsal

Connexió en paral·lel de receptors

Els circuits en paral·lel són aquells que disposen d’un o més receptors (bombeta, motors...) connectats directament al generador cadascun d'ells. Per aconseguir això, calen molts més cables que en la connexió sèrie. El corrent elèctric es bifurca i passa per tots els receptors, per tant hi ha més d'un camí possible.

Font: Andreu Marsal

La tensió del generador arriba a tots els receptors connectats en paral·lel.

Font: Andreu Marsal

Si un receptor en paral·lel falla, els altres seguiran funcionant.

Font: Andreu Marsal

Curtcircuits

Un curtcircuit es dóna quan el nostre circuit té un camí en què el corrent elèctric no troba cap receptor. Quan això passa el generador es descarrega ràpidament i passa molt corrent pels conductors, cosa que pot provocar que s'escalfin molt i arribin a fondre's. En els habitatges, un curtcircuit és perillós perquè pot ser font d'incendis i problemes greus a la instal·lació elèctrica de la llar.

Els curtcircuits es poden produir per fallades en els receptors, males connexions o també perquè els circuits elèctrics es mullen, ja que l'aigua és conductora.

Exemples de curtcircuits

Font: wikimeida.org i pxfuel.com