Electricitatea: curent, tensiune și rezistență explicate

Electricitatea este ansamblul fenomenelor produse de sarcinile electrice, aflate în repaus sau în mișcare. Pentru a o înțelege în practică îți trebuie trei noțiuni: curentul, adică debitul de sarcini care trec printr-un fir, tensiunea, adică „presiunea” care le împinge, și rezistența, adică opoziția pe care o întâmpină. Cele trei sunt legate printr-o relație simplă, legea lui Ohm, pe care o folosesc zilnic electricienii și inginerii.

Cel mai ușor mod de a-ți imagina un circuit este cu apă care curge prin țevi: pompa creează presiunea, apa care curge este curentul, iar o țeavă îngustă frânează curgerea. Analogia nu e perfectă, dar te ajută să înțelegi de ce fierbătorul consumă mai mult decât becul, de ce un prelungitor supraîncărcat se încălzește și de ce în rețea circulă curent alternativ.

Atenție: Articolul are scop educativ. Orice lucrare la instalația electrică a locuinței, la tablou, la prize sau la corpuri de iluminat se face exclusiv de un electrician autorizat. Experimentele de acasă se fac doar cu baterii de tensiune mică.

Ce este electricitatea

Electricitatea pornește de la sarcina electrică, o proprietate a unor particule din atom: protonii au sarcină pozitivă, electronii au sarcină negativă, iar neutronii sunt neutri. Sarcinile de același semn se resping, iar cele de semn opus se atrag. Un corp obișnuit are tot atâția electroni câți protoni, deci este neutru; devine încărcat când câștigă sau pierde electroni.

Unitatea de sarcină electrică este coulombul (C). Un electron are o sarcină extrem de mică, de aproximativ 1,6 × 10⁻¹⁹ C, așa că un coulomb înseamnă în jur de șase miliarde de miliarde de electroni. Structura atomului, cu nucleul și electronii din jurul lui, este explicată în Atomul: din ce e făcută materia, de la protoni la quarci.

Numele vine din greaca veche: elektron înseamnă chihlimbar. Filosofii greci observaseră că chihlimbarul frecat atrage fire de pai. Este același fenomen pe care îl vezi când un balon frecat de păr se lipește de perete sau când simți o mică descărcare atingând clanța după ce ai mers pe mochetă: electricitatea statică.

Conductori, izolatori și semiconductori

Materialele se comportă foarte diferit față de sarcinile electrice, în funcție de cât de ușor se pot deplasa electronii prin ele.

Firele electrice au miez de cupru sau aluminiu și înveliș de plastic: miezul conduce, învelișul izolează. Semiconductorii stau la baza tranzistoarelor, deci a tuturor dispozitivelor electronice moderne.

Curentul, tensiunea și rezistența

Curentul, tensiunea și rezistența sunt cele trei mărimi de bază ale oricărui circuit electric. Le poți compara cu debitul de apă, cu presiunea din țeavă și cu îngustarea țevii.

Curentul electric

Curentul electric este deplasarea ordonată a sarcinilor electrice printr-un conductor. Intensitatea lui arată câtă sarcină trece printr-o secțiune a firului într-o secundă: un amper înseamnă un coulomb pe secundă. Unitatea poartă numele fizicianului francez André-Marie Ampère.

Un detaliu surprinzător: electronii dintr-un fir se deplasează foarte încet, cu fracțiuni de milimetru pe secundă. Becul se aprinde totuși instantaneu, pentru că firul e deja plin de electroni și „împingerea” se transmite aproape cu viteza luminii, ca într-un furtun deja plin cu apă, din care apa iese imediat ce deschizi robinetul.

Prin convenție, sensul curentului este de la plus la minus, stabilit înainte de descoperirea electronului. Electronii se mișcă de fapt invers, de la minus la plus, dar convenția s-a păstrat.

Tensiunea electrică

Tensiunea electrică este diferența de potențial dintre două puncte ale unui circuit, adică „împingerea” care pune sarcinile în mișcare. Se măsoară în volți, unitate numită după italianul Alessandro Volta, care a construit în 1800 prima baterie, pila voltaică.

Rezistența electrică

Rezistența electrică este opoziția pe care un material o opune trecerii curentului. Se măsoară în ohmi și depinde de patru lucruri:

1. materialul: cuprul are rezistență mică, nicromul folosit în rezistențele de încălzire are rezistență mare;
2. lungimea firului: un fir de două ori mai lung are rezistență de două ori mai mare;
3. grosimea firului: un fir mai gros are rezistență mai mică, motiv pentru care aparatele puternice cer cabluri mai groase;
4. temperatura: la majoritatea metalelor, rezistența crește când se încălzesc.

Legea lui Ohm

Legea lui Ohm spune că intensitatea curentului printr-un conductor este direct proporțională cu tensiunea aplicată și invers proporțională cu rezistența lui. Se scrie U = R · I: tensiunea este egală cu rezistența înmulțită cu intensitatea. Fizicianul german Georg Simon Ohm a publicat-o în 1827.

Din aceeași relație obții oricare dintre cele trei mărimi, dacă le cunoști pe celelalte două:

• I = U / R: curentul crește dacă tensiunea crește sau dacă rezistența scade;
• R = U / I: rezistența se poate afla măsurând tensiunea și curentul;
• U = R · I: tensiunea necesară pentru un anumit curent printr-o rezistență dată.

Un exemplu de calcul

Un LED dintr-un montaj școlar este alimentat de la o baterie de 9 V printr-un rezistor, pentru ca prin el să nu treacă un curent prea mare. Dacă pe rezistor cad aproximativ 7 V și vrei un curent de 0,02 A (20 de miliamperi), rezistența necesară este 7 / 0,02 = 350 Ω. În practică se alege valoarea standard cea mai apropiată, puțin mai mare, pentru siguranță.

Sfat: Ca să ții minte legea lui Ohm, desenează un triunghi cu U sus și R și I jos. Acoperă cu degetul mărimea pe care o cauți: dacă e U, rămân R și I alăturate (se înmulțesc); dacă e R sau I, rămâne o fracție cu U deasupra.

Legea este valabilă foarte bine pentru metale la temperatură constantă. Unele componente, cum sunt diodele, LED-urile sau becurile cu filament încălzit, nu o respectă strict, iar acestea se numesc componente neliniare.

Puterea electrică și efectul termic

Puterea electrică arată câtă energie consumă sau transformă un aparat în fiecare secundă și se calculează înmulțind tensiunea cu intensitatea: P = U · I. Se măsoară în wați. Un fierbător de 2.000 W, alimentat la 230 V, absoarbe un curent de aproximativ 8,7 A.

Trecerea curentului printr-un conductor îl încălzește întotdeauna, fenomen numit efectul Joule sau efectul termic al curentului. Pe el se bazează aparatele de încălzire: fierbătorul, fierul de călcat, uscătorul de păr, radiatorul electric, cuptorul. În cabluri, însă, efectul Joule este nedorit: un cablu prea subțire pentru curentul care trece prin el se supraîncălzește, iar izolația se poate topi.

De aceea:

• prizele multiple și prelungitoarele au o putere maximă scrisă pe ele, care nu trebuie depășită;
• aparatele de putere mare, cum sunt plita electrică sau boilerul, au circuite separate, cu cabluri mai groase;
• un prelungitor cald la atingere este un semnal de suprasolicitare, iar aparatele trebuie redistribuite.

Cum se transformă energia electrică în lumină și căldură și ce înseamnă kilowatt-ora de pe factură găsești în Energia: formele ei și legea conservării pe înțeles. Povestea primului mare consumator casnic de electricitate, becul, este spusă în Becul electric: cine l-a inventat și cum a evoluat.

Circuite în serie și în paralel

Componentele unui circuit se pot lega în două feluri de bază, iar comportamentul lor diferă radical. În serie, curentul trece pe rând prin toate componentele, pe un singur drum. În paralel, fiecare componentă are propria ramură, legată direct la sursă.

Prizele și becurile din casa ta sunt legate în paralel. De aceea fiecare primește 230 V și poate fi pornit sau oprit independent. Dezavantajul este că, cu cât pornești mai multe aparate, cu atât curentul total pe circuit crește, iar siguranța sau disjunctorul îl întrerupe când trece de limita stabilită.

Curent continuu și curent alternativ

Curentul continuu (CC) circulă mereu în același sens, ca cel produs de baterii și acumulatori. Curentul alternativ (CA) își schimbă sensul periodic, de multe ori pe secundă, ca cel din priză. În România, ca în toată Europa, rețeaua furnizează curent alternativ cu tensiunea nominală de 230 V și frecvența de 50 Hz, adică sensul se inversează de 100 de ori pe secundă.

La sfârșitul secolului al XIX-lea, în Statele Unite, a avut loc așa-numitul „război al curenților”: Thomas Edison susținea curentul continuu, iar Nikola Tesla și George Westinghouse curentul alternativ. A câștigat curentul alternativ dintr-un motiv practic: tensiunea lui poate fi ridicată și coborâtă ușor cu transformatoare. Energia se transportă la distanțe mari la tensiuni foarte înalte, cu pierderi mai mici, apoi tensiunea este coborâtă treptat până la 230 V în apropierea locuinței.

Transformatorul funcționează pe baza inducției electromagnetice, adică a legăturii dintre electricitate și magnetism, explicată în Magnetismul: cum funcționează magneții și busola. Încărcătorul de telefon face drumul invers: transformă curentul alternativ de 230 V din priză în curent continuu de tensiune mică, potrivit pentru acumulator.

Electricitatea în natură și în corpul tău

Electricitatea nu este doar o invenție tehnică; ea există peste tot în natură, de la nori la celulele nervoase. Oamenii au învățat să o controleze, dar nu au inventat-o.

• Fulgerul este o descărcare electrică uriașă între nori sau între nor și sol, care încălzește aerul până la temperaturi de câteva ori mai mari decât suprafața Soarelui; mecanismul este explicat în Fulgerele și tunetele: cum se formează o furtună.
• Impulsurile nervoase sunt semnale electrice mici, produse de deplasarea ionilor prin membrana celulelor nervoase. Inima are propriul sistem electric, înregistrat de electrocardiogramă.
• Unii pești, cum este țiparul electric din America de Sud, pot produce descărcări electrice puternice pentru vânătoare și apărare.
• Câmpul electric al atmosferei există permanent, chiar și pe vreme bună, între sol și straturile înalte ale aerului.

Siguranța electrică acasă

Curentul electric devine periculos atunci când trece prin corpul omenesc, iar gravitatea depinde mai ales de intensitate, de drumul prin corp și de durată. Curenți de doar câteva zeci de miliamperi care trec prin zona inimii pot fi periculoși, iar tensiunea de 230 V din priză poate produce asemenea curenți, mai ales cu mâinile ude.

Instalațiile moderne au mai multe niveluri de protecție:

1. Siguranțele și disjunctoarele din tablou întrerup circuitul când curentul depășește valoarea admisă, protejând cablurile de supraîncălzire.
2. Protecția diferențială, de obicei de 30 mA în circuitele locuințelor, întrerupe alimentarea când detectează că o parte din curent „scapă” pe alt drum, de exemplu prin corpul unei persoane.
3. Împământarea (legătura la pământ, firul verde-galben) conduce în siguranță curentul de defect de pe carcasele metalice ale aparatelor.

Reguli de bază:

• nu atinge aparatele electrice cu mâinile ude și nu le folosi lângă cadă sau chiuvetă dacă nu sunt făcute pentru asta;
• nu folosi cabluri cu izolația deteriorată și nu înnădi fire improvizat;
• montează capace de protecție la prize dacă ai copii mici;
• dacă cineva se electrocutează, nu-l atinge direct: întrerupe mai întâi curentul de la tablou, apoi sună la 112.

Important: Montarea, modificarea sau repararea prizelor, întrerupătoarelor, tabloului și a circuitelor se face numai de un electrician autorizat. În România, electricienii autorizați sunt atestați de Autoritatea Națională de Reglementare în Domeniul Energiei (ANRE), iar racordarea la rețea se face prin operatorul de distribuție din zona ta.

Pentru legăturile cu celelalte capitole ale fizicii, de la mișcare la lumină, vezi ghidul Fizica pe înțeles: legile care explică lumea din jur.

Rezumatul ghidului

Electricitatea pornește de la sarcinile electrice și devine utilă când acestea se mișcă ordonat, sub formă de curent. Tensiunea împinge sarcinile, rezistența li se opune, iar legea lui Ohm leagă cele trei mărimi. Puterea arată cât de repede se consumă energie, iar efectul termic explică atât funcționarea fierbătorului, cât și pericolul unui prelungitor supraîncărcat. Casa ta folosește curent alternativ de 230 V și 50 Hz, distribuit pe circuite în paralel și protejat de siguranțe, disjunctoare și protecție diferențială.

De reținut:

• curentul se măsoară în amperi, tensiunea în volți, rezistența în ohmi;
• legea lui Ohm: U = R · I;
• puterea electrică: P = U · I, măsurată în wați;
• prizele din casă sunt în paralel, fiecare primește 230 V;
• lucrările la instalație se fac doar de electricieni autorizați.