02-3 CIRCUITS ELÈCTRICS

Ja hem explicat abans el circuit elèctric bàsic i els tres elements que el conformen. Ara anam a estudiar:
- els tres elements del circuit amb més detall, 
- els seus símbols normatius per a ser usats en esquemes,
- i com es poden combinar més d'un dispositiu del mateix tipus en un sol circuit

02-3-1 Equip productor d’electricitat: és un equip acumulador o generador de corrent. Té dos pols, entre els quals es crea una  tensió, ddp o força-electromotriu (f.e.m). La seva funció és “espitjar” els electrons per dins el circuit. El pol per on “surt” l’electricitat és el pol + (positiu) , i el pol per on entra és el pol - (negatiu).

NOTA: Per raons històriques, quan es va començar a estudiar l'electrodinàmica encara no es coneixia bé l'estructura de l'àtom, i el desplaçament dels electrons en realitat va en sentit contrari al sentit de la intensitat elèctrica que es va decidir per conveni. 

El símbol genèric de la font elèctrica és

                         

Exemples: una pila o bateria, una dinamo, un alternador


Acumulador elèctric d'un cotxe, dinamo d'una bicicleta, alternadors d'una central hidroelèctrica i esquema d'un alternador.


Cada equip té també el seu símbol específic
 
La característica contructiva principal d'un equip productor d'electricitat és el voltatge que pot subministrar, i si el corrent que entrega és continu (l'electricitat sempre es mou en el mateix sentit) o altern (l'electricitat canvia de sentit un número doant de vegades per segon). Es solen calificar com generadors de CC o CA.  Per exemple, les petites piles que coneixem solen ser de l'rodre de 1.5V o 5V

El que ens interessa, però, és saber quina potència elèctrica pot entregar un acumulador o generador. Sabem que P=V·I, així que, en teoria, com més alta sigui la intensitat que n'extreim, més gran és la potència.  Però per Ia llei d'Ohm,  I=V/R, la intensitat és més petita quan més gran és la resistència, que serà precisament l'equip consumidor que voldrem alimentar. En la pràctica, els equips generadors estan construits per entregar una intensitat que està dins un cert rang, i que s'especifica a la seva placa de característiques, que està d'acord amb la intensitat que necessiten els receptors que s'hi conecteran per a poder funcionar, i ho fan sobre una instal·lació amb els fils adequats per a conduïr aqeuta intensitat.  Per això es pot dir, per exemple, que 

 
Alternador de Cotxe de 14V, i rang entre 70 i 115 A

02-3-2 Conductor elèctric: és el fil a través del qual circula l’electricitat. Ha d’estar fet d’un material conductor. Per ells circulen els electrons com si fos una canonada. El símbol d’un fil conductor és una simple línia. Exemples: cables electrònics, línies d’alta tensió, cables elèctrics de instal·lacions domèstiques.

Una característica important dels cables elèctric és la seva secció, (el seu gruix). Quanta més intensitat de corrent (més quantitat d’electrons hagin de circular a la vegada) més gruixut ha de ser el fil.   


Això és deu a l'efecte Joule. Els fils elèctrics s'escalfen, i es poden arribar a fondre si no tenen la secció suficient.

*** Si s'ha d'enviar molta potència elèctrica d'una banda a una altra, sabem que P=V·I, aleshores hi ha dues opcions: o bé tenim cables que admetin molta intensitat, és a dir, molt gruixuts, o bé tenim cables que admetin un alt voltatge, cosa que no és massa pràctica per als equips de consum més corrents. El que es fa en els sistemes de producció elèctrica és entregar el corrent elèctric desde la planta productora a una xarxa de distribució d'alta tensió, (220KV, 60KV) que fa servir cables prou fins com per a que els suportin les torres de les que es pengen. Els cables arriben fins a estaciosn transforamadores que la rebaixen a mitja tensió (36Kv, 400V) i just abans d'arribar a les cases es tornar a transformar a baixa tensió (220V) que és la tensió comercial a  la que treballen la majroia d'aparells elèctrics.  L'aparell transformador de corrent elèctric es basa també en el principi d'inducció electromagnètica de Faraday.

L'aïllant dels conductors també ha de tenir el gruix suficient, i en electrotècnia s'aprofita pera codificar amb colors quina és la seva funció. 

Més endavant veurem que els circuits eléctrics domèstics necesiten tres cables per a alimentar un receptor, i aquests tenen non, funció i color. El cable de fase és el blau, el cable neutre és el marró (de vegades gris), i el de terra és ratllat en groc i verd. La fotografia mostra que els tres cables poden anar junts per dins una manguera que també ajuda a l'aillament del circuit elèctric. 


02-3-3 Equip consumidor d’electricitat: és un equip que s’oposa a que els electrons el travessin. Quan ho fan, s’executa un treball físic (és a dir, "equivalent al desplaçament d'un cos") i que es pot mesurar en unitats d'energia. 

 El seu símbol genèric és

Exemples: una bombeta de CA, un motor elèctric, un electroimant. 


Bombeta d'incadescència CA i les seves parts, motor CC, timbre basat en electroimants


Cada equip té també el seu símbol específic


Els equips elèctrics domèstics  funcionen tots a 220V de CA, i si els seus circuits interns necessiten un altre voltage, el que fan és incorporar en la seva construcció un petit transformador que, sovint, també rectifica el corrent de CA a CC.  Donat que, per la seva construcció, l'equip suposa una resistència concreta (en principi òhmica, però en realitat, amb CA això és un poc més complicat), i el voltatge és de 220V, la intensitat que s'estableix ve determinada per I=V/R, és sempre la mateixa, i així és molt fàcil determinar quina és la potència de consum de l'equip, .perquè tenim I, tenim V, i sabem que P=V·I. PEr això, els equips consumidors sempre tenen escrita en la seva placa de característiques la seva potència de consum. Per exemple, les bombetes domèstiques són de 60W o 100W, un calefactor pot ser de 2000W, etc.  I també, sabent el temps que funciona un equip, és molt senzill determinar l'energia que han consumit. E=P·t

Una altra característica dels equips consumidors d'electricitate és la seva polaritat en CC.  En una bombeta de CC és indiferent per on entri i per on surti el corrent elèctric. En un motor CC, en canvi, si l'electricitat netra per un dels seus contactes o per l'altre, canvia el seu sentit de gir.

Motls dels electrodèstics que coneixem funcionen en base a aquest aparells que estam descrivint aquí:
- Una rentadora mou el seu tambor gràcies a un motor CA que també camvia el seu sentit de gir cada cert temps
- Un refrigerador compacta gasos dins un dipòsit de compressió, i això ho aconsegeuix fent girar una tuirbina que els aspira, moguda per un motor CA
- Un ventilador fa girar una aspa gràcies a un motor de CC.
- Les bombetes d'incandescència i els calefactors són resistències tèrmiques pures.
...i molts més.


02-3-4 Conexió d'equips generadors de corrent

 

 

    En sèrie

 

    En paral·lel

 

 

Esquema

 


         V1            V2

 

Voltatges

 

(VA-VC) = (VA-VB) + (VB-VC)

 

     Això és molt fàcil de demostrar matemàticament. La notació abreujada és:

 

         Vtotal = V1 + V2

 

 

  VA-VB es manté constant, i és el de l’equip generador que major ddp tengui. Connectar equips generadors de corrent en paral·lel es fa per a aconseguir major duració del fluxe de corrent elèctric.

 

Quan estudiem un circuit, sempre considerarem que tots els equips generadors de corrent que estiguin junts generen el corrent entre tots ells. El que farem en primer lloc, doncs, serà obtenir el valor numèric de l’equip únic equivalent que genera el corrent. És a dir, reduirem el conjunt de piles a una sola pila equivalent, que genera un únic voltatge, V, i del que surt una única intensitat de corrent, I. La potència produïda per aquest conjunt de piles sempre respondrà, aleshores, a l’eqüació que ja coneixem P = V * I

02-3-5 Conexió d'equips productors de corrent

 

 

    En sèrie

 

    En paral·lel

 

 

 Esquema

 

 

              

           

      

 

 Voltatges

 

(VA-VC) = (VA-VB) + (VB-VC)

 

 

    La tensió entre els borns de cada receptor és sempre VA-VB

 

 Intensitats

   La intensitat que travessa tots els receptors és sempre la mateixa.

 

                Itotal = I1 + I2

 

 

   Caigudes de tensió

 

       (VA-VB) = Itotal  * R1

      

       (VB-VC) = Itotal  * R2

 

  

        Distribució d’intensitats

 

               I1 = (VA-VB) / R1

 

               I2 = (VA-VB) / R2

 

 Resistència             Total

 

 

 

      Rtotal = R1 + R2

            

 

   Potència

consumida per cada resistència

 

 Resistència 1: 

   P1=  (VA-VB) * Itotal

 Resistència 2:

    P2=  (VB-VC) * Itotal

 I es cumpleix que:

         Ptotal = P 1 + P2 

 

Resistència 1:

    P1=  (VA-VB) * I1

 Resistència 2:

    P2=  (VA-VB) * I2

 I es cumpleix que:

         Ptotal = P 1 + P2

 


02-3-6 Esquema de circuits tancat o obert (amb retorn a terra)


02-3-7  Mesures elèctriques 
Sempre que mesurem una ddp, mesuram la diferència que hi ha entre dos punts. Entre aqueixos dos punts hi ha alguna cosa que fa que el potencial varïi. Per exemple, una pila, que genera tensió, o una bombeta, que provoca una caiguda de tensió. La mesura es fa, doncs, en paral·lel amb el dispositiu: un pol de l’aparell de mesura a cada costat del dispositiu.


** Sempre que mesurem la intensitat de corrent, mesurarem “el que passa per dins el fil”. La mesura es fa, doncs, en sèrie amb els altres dispositius del circuit. El fil la intensitat del qual estam mesurant “travessa” l’aparell de mesura.


*** La mesura de les R es fa subministrant corrent al dispositu que volem mesurar des de l’aparell de mesura. Els polímetres electrònics, però, de vegades no generen prou voltatge per a fer una mesura correcte si la resistència és variable (e.g una bombeta, que s’ha de calentar força per a arribar al seu nivell R normal). Per això, normalment mesurarem Intensitat  i Voltatge, i calcularem R amb la llei d’Ohm. 


* PROBLEMES A RESOLDRE: Circuits Elèctrics

- Exemples de mesures i circuits amb Crocodile