SelfEduc

Forta electromagnetica

Forta electromagnetica F_em se exercita asupra oricarui conductor strabatut de curent electric situat in camp magnetic. Experimental s-a constatat ca forta electromagnetica : are directia perpendiculara pe planul determinat de inductia magnetica si conductor, are sensul dependent de sensul curentului electric prin conductor si de sensul inductiei magnetice, are modulul direct proportional cu intensitatea curentului electric prin conductor, lungimea conductorului situata in camp magnetic si cu modulul inductiei magnetice, fiind maxima atunci cand conductorul este perpendicular pe liniile campului magnetic.

F_em = I·( L x B ), F_em = B·I·L sinα, F_em = BIL, cand α = π/2 = 90⁰
unde α este unghiul format de sensul curentului prin conductor cu sensul inductiei magnetice B.

Sensul fortei electromagnetice se stabileste cu regula mainii stangi :se aseaza palma mainii stangi astfel incat inductia magnetica sa intre in palma, cele patru degete sa indice sensul curentului iar degetul mare departat indica sensul fortei electromagnetice.

Forta electrodinamica masoara interactiunea dintre doua conductoare paralele, rectilinii, foarte lungi strabatute de curent electric

F₁₂ = F₂₁ = B₁·I₂·L = μI₁I₂L / 2πr

Forta Lorentz F_L exprima actiunea exercitata de campul magnetic de inductie magnetica B asupra unei particule incarcata cu sarcina electrice q aflatain miscare in campul magnetic cu viteza v

F_L = q( v x B), F_L = q·v·B sinα , α este unghiul dintre v si B

Retele electrice

Reteaua electrica este un circuit electric complex cu ramificatii.
Elementele retelei sunt : nodul, ramura si ochiul.
Nodul retelei este punctul incare se intalnesc, sunt interconectate, cel putin trei conductoare.
Ramura retelei este portiunea de circuit cuprinsa intre doua noduri succesive.
Intensitatea curentului electric este aceeasi in orice punct al ramurii.
Ochiul retelei este succesiunea de ramuri care formeaza un contur inchis.

Calcularea intensitatilor curentilor din ramurile retelei electrice se poate face in mai multe moduri unul dintre acestea fiind cel al legilor lui Kirchhoff.
Prima lege a lui Kirchhoff se refera la nodul retelei si este o consecinta a legii conservarii sarcinii electrice.
Suma intensitatilor curentilor care intra in nodul retelei este egala cu suma intensitatilor curentilor care ies.
I₁ + I₂ +... + I_m = I₁ + I₂ + ...+ I_n
Suma algerbrica a intensitatilor curentilor care se intalnesc in nodul retelei este egala cu zero.
Σ I_j = 0, j = 1,2,...,n
Conventie: intensitatile curentilor ce intra in nod se iau cu plus iar intensitatile curentilor ce ies se iau cu minus.

Legea a doua a lui Kirchhoff se refera la ochiul retelei.
Suma algebrica a tensiunilor electromotoare ale generatoarelor de pe ramurile unui ochi de retea este egala cu suma algebrica a caderilor de tensiune de pe ramurile aceluiasi ochi de retea.
Σ E_i = Σ I_j R_j , i = 1,2,...,m; j = 1,2,...,n
Conventie: se alege un sens de parcurs al ochiului de retea in mod arbitrar, tensiunile electromotoare si caderile de tensiune se iau cu semnul plus daca sensul curentului prin acestea si sensul de parcurs coincid si cu semnul minus daca sensurile sunt contrare.

Legile lui Kirchhoff stau la baza stabilirii expresiilor pentru gruparile serie si paralel a rezistoarelor si generatoarelor.

Gruparea rezistoarelor in serie si paralel

Rezistoarele legate in serie apartin aceleiasi laturi si sunt strabatute de acelasi curent electric, aceeasi intensitate a curentului electric.
Rezistenta echivalenta a unei grupari de rezistoare conectate in serie este egala cu suma rezistentelor acestora.

R_s = R₁ + R₂ + ... + R_n

Rezistoarele legate in paralel apartin la laturi diferite si au aceeasi tensiune electrica la borne.
Inversul rezistentei echivalente a unei grupari de rezistoare legate in paralel este egal cu suma inverselor rezistentelor acestora.

1/R_p = 1/R₁ + 1/R₂ + ... + 1/R_n

Gruparea generatoarelor identice in serie permite obtinerea unor tensiuni mai mari.
I_s = nE / (R + nr)
Gruparea generatoarelor identice in paralel permite obtinerea unor cu intensitati mai mari.
I_p = E / (R + r/n)

Miscarea ordonata a purtatorilor de sarcina electrica in regim permanent printr-o
portiune de circuit necesita transferarea de catre campul electric a energiei
electrice W, [W]_SI = 1J (Joule)
W = Uq, W = UIt

Energia electrica dezvoltata sau transferata de o sursa cu E si r pe intregul circuit inchis este
W = EIt
Puterea electrica reprezinta energia electrica transferata in unitatea de timp

P = W / t, [P]_SI = 1W (Watt)

P_g = EI, P_g = E²/(R + r), puterea debitata de generator

P_e = UI, Pe = RI², P_e = U²/R, P_e = RE²/(R + r)², puterea disipata pe rezistenta externa
P_i = uI, P_i = rI², Pi = u²/r, P_i = rE²/(R + r)², puterea disipata pe rezistenta
interna
P_g = P_e + P_i
Transferul maxim de putere de la sursa la circuitul exterior are loc atunci cand R
= r, valoarea maxima a puterii fiind
P_max = E²/4r
Trecerea curentului electric prin conductoare determina producerea unor fenomene fizice numite efecte ale curentului electric.
Efectul termic al curentului electric consta in incalzirea conductoarelor strabatute de curent electric.
Caldura dezvoltata de un conductor strabatut de curent electric este data de legea lui Joule
Q = RI²t

Camp magnetic. Inductia magnetica

Magnetul este corpul care are proprieteatea de a atrage fierul.
Orice magnet are doi poli magnetici nord si sud. Polii magnetului sunt extremitatile acestuia unde atractia se manifesta puternic.
Magnetii se atrag reciproc cand sunt apropiati cu polii de nume diferit si se resping reciproc cand sunt apropiati cu polii de acelasi nume.
Orice magnet genereaza un camp magnetic in spatiul din vecinatate.
Calitativ campul magnetic poate fi descris cu ajutorul liniilor de camp magnetic, care pot fi puse in evidenta cu ajutorul piliturii din fier.
Liniile campului magnetic sunt inchise, ies din polul nord si intra in polul sud. Sensul liniilor campului magnetic este indicat de polul nord al acului magnetig situat in campul magnetic.
Experimental s-a constatat ca acul magnetic situat in vecinatatea unui conductor este deviat cand se stabileste un curent electric prin conductor si ca sensul de deviere al acului magnetic se schimba atunci cand se schimba sensul curentului electric prin conductor.
Orice conductor strabatut de curent electric genereaza un camp magnetic in spatiul din vecinatatea sa al carui sens depinde de sensul curentului electric.
Liniile campului magnetic generat de un conductor liniar sunt cercuri concentrice situate intr-un plan perpendicular pe conductor, avand centrul in punctul in care conductorul intersecteaza planul.
Cantitativ campul magnetic este descris de inductia magnetica B,

[B]_SI = 1T (Tesla).

Inductia magnetica B este marimea fizica vectoriala ce caracterizeaza campul magnetic. Vectorul B este tangent la linia de camp magnetic.
Sensul inductiei magnetice si al liniei de camp magnetic este indicat de polul nord al acului magnetic. Sensul inductiei magnetice si al liniilor de camp se stabileste cu regula burghiului sau tirbusonului.
Se aseaza burghiul paralel cu conductorul liniar si se roteste astfel incat sensul de inaintare al burghiului sa coincida cu sensul curentului prin conductor iar sensul de rotatie indica sensul inductiei magnetice si sensul liniilor de camp.
Se aseaza burghiul perpendicular pe planul spirei circulare si se roteste astfel incat sensul de rotatie al burghiului sa coincida cu sensul curentului prin spira iar sensul de inaintare al burghiului indica sensul inductiei magnetice si al liniilor de camp.

Inductia magnetica a campului magnetic generat de un conductor liniar intr-un punct este direct proportionala cu intensitatea curentului electric I prin conductor si invers proportionala cu distanta r de la conductor la punct

B = μI / 2πr,

μ = μ₀μ_r este permeabilitatea magnetica a mediului,
μ₀ = 4π 10^-7 H/m este permeabilitatea magnetica a vidului

Inductia magnetica a campului magnetic generat de un conductor spira circulara in centrul acesteia este direct proportionala cu intensitatea curentului electric I prin spira si invers proportionala cu raza R a spirei circulare

B = μI / 2R

Inductia magnetica a campului magnetic generat de un solenoid pe axa de simetrie a acestuia este direct proportionala cu numarul de spire N si intensitatea curentului electric I prin solenoid si invers proportionala cu lungimea L a solenoidului

B = μNI / L

Curentul electric

Curentul electric este fenomenul fizic ce consta in miscarea ordonata a purtatorilor de sarcina electrica.
Purtatorii de sarcina electrica in metale sunt electronii, in electroliti sunt ionii pozitivi si negativi si in semiconductoare sunt electroni si golurile pozitive.
Curentul electric este continuu daca sensul acestuia ramane acelasi in timp.
Curentul este alternativ daca sensul acestuia se schimba periodic in timp.
Intensitatea curentului I electric este marimea fizica scalara care reprezinta cantitatea de sarcina electrica ce trece prin sectiunea transversala a unui conductor in unitatea de timp.I reprezinta numarul purtatorilor de sarcina electrica ce trec prin sectiunea transversala a unui conductor in unitatea de timp.
[I]_SI = 1A (Ampere)
Intensitatea curentului electric se masoara cu ampermetrul, care se leaga in serie in circuit.
I = Q / t, I = N·e / t
Existenta curentului electric, miscarea ordonata a purtatorilor de sarcina electrica este determinata de actiunea fortei electrice exercitata de campul electric.
Existenta curentului electric implica existenta unui camp electric si implicit a unei diferente de potential electric.
Generatorul electric este sistemul fizic ce produce si mentine diferenta de potential electric intre doua puncte. Acesta transforma o alta forma de energie in energie electrica.
Bateria si acumulatorul transforma energia reactiilor chimice in energie electrica.
Dinamul si alternatorul transforma energia mecanica in energie electrica.
Tensiunea electromotoare E t.e.m este o caracteristica a generatorului electric.
Tensiunea electromotoare este marimea fizica scalara ce reprezinta lucrul mecanic efectuat de campul electric pentru a deplasa unitatea de sarcina electrica prin intreg circuitul electric.
Tensiunea la bornele generatorului U reprezinta lucrul mecanic efectuat de campul electric pentru a deplasa unitatea de sarcina electrica prin circuitul exterior, portiunea de circuit dintre bornele generatorului in exterior.
Tensiunea interna u reprezinta lucrul mecanic efectuat de campul electric pentru a deplasa unitatea de sarcina electrica prin circuitul interior, portiunea de circuit din interiorul generatorului.
E = U + u
Tensiunea electrica se masoara cu voltmetrul, care se leaga in paralel cu portiunea de circuit la bornele careia se masoara.
Circuitul electric este sistemul fizic alcatuit din generator electric, consumator si conductoare de legatura.
Orice portiune de circuit si orice consumator are o rezistenta electrica.
Rezistorul este elementul de circuit a carui principala caracteristica este rezistenta electrica.
Rezistenta electrica R este marimea fizica scalara ce caracterizeaza proprietatea unei portiuni de circuit de a se opune trecerii curentului electric.
R]_SI = 1Ω (Ohm)
Rezistenta electrica a unui conductor metalic liniar este direct proportionala cu lungimea l a acestuia, invers proportionala cu aria sectiunii S a acestuia si depinde de natura materialului din care este confectionat.

R = ρl / S

ρ este rezistivitatea electrica, marimea ce caracterizeaza dependenta de natura materialului a rezistentei electrice.
Rezistivitatea electrica pentru anumite intervale de temperatura este direct proportionala cu temperatura sau depinde liniar de aceasta.

ρ = ρ₀[ 1 + α(t - t₀)], R = R₀[ 1 + α(t - t₀)]

Conductivitatea electrica σ este inversul rezistivitatii electrice σ, σ = 1 / ρ.
Conductivitatea electrica permite clasificarea materialelor in : conductoare electrice, semiconductoare si izolatoare electrice.

Legea lui Ohm pentru o portiune de circuit, mentinuta la temperatura constanta, stabileste o relatie intre marimile fizice I, U, si R caracteristice acesteia. A fost stabilita experimental.
Intensitatea curentului electric ce strabate o portiune de circuit este direct proportionala cu tensiunea electrica aplicata la bornele acesteia.

I = U / R , R = constant

Din bilantul tensiunilor, tinand cont de legea lui Ohm pentru o portiune de circuit
U = I·R si u = I·r, se obtine E = I(R + r)

I = E / (R + r)

Legea lui Ohm pentru intreg circuitul
Intensitatea curentului electric printr-un circuit electric este direct proportionala cu t.e.m. a generatorului din circuit si invers proportionala cu rezistenta totala a circuitului.
I_SC = E / r , cand R->0, intensitatea de scurtcircuit