Electricitat i Electrònica

Fonaments físics de l'electricitat

L’electricitat és omnipresent en el nostre entorn, pràcticament tot el que tenim en el nostre entorn funciona amb electricitat com ara ordinadors, llum o comunicació però també coses no tant evidents com ara aigua, transport o menjar. Però que és l’electricitat? L’electricitat és la manifestació de l’energia associada a les càrregues elèctriques que hi ha en els àtoms.

Sense entrar de forma profunda en els funcionen els àtoms podem dir que estan formats per dos parts: el nucli i l’escorça. En el nucli hi ha protons i neutrons on els protons tenen càrrega positiva i els neutrons càrrega neutre i és molt difícil separar aquests protons i neutrons entre ells. En canvi en l’escorça hi ha electrons que tenen càrrega negativa. Generament, els àtoms tenen una càrrega neutra ja que els protons i neutrons contraresten les seves càrregues entre si. Tot i aixó, aplicant una força raonable es possible separar alguns electrons de l’escorça i fer que es moguin entre els àtoms.

Model de l'àtom

L’electricitat consisteix en aprofitar l’energia que genera aquest moviment d’electrons per tal de realitzar les activitats que ens interessin. Aquesta energia pot ser emmagatzemada a través de piles o bateries per ser utilitzada més endavant, pot ser generada a través de generadors com en les centrals elèctriques i pot ser utilitzada per moltíssims aparells com ara bombetes, estufes o electrodomèstics.

El circuit elèctric i els seus components

Un circuit elèctric és un conjunt d’elements que connectats entre si formen un camí tancat on el corrent elèctric hi pot circular. Els circuits elèctrics tenen tres components clau sense els quals no pot funcionar: els generadors, els conductors i els receptors.

  • Els generadors són els components que generen la circulació dels electrons i per tant de l’electricitat, podriem dir que “empènyen” els electrons per que avancin a través del circuit. Podem identificar diversos components com a generadors com ara: piles, bateries, alternadors o dinamos. A continuació hi ha imatges amb els seus símbols:
    • Pila Pila
    • Bateria Bateria
    • Dinamo Dinamo
    • Alternador Alternador
    • Símbol de generador Símbol de generador
  • Els conductors són els components que transporten l’electricitat pel circuit i tenen forma de cable. En podem trobar de molts elements diferents com ara:
    • Coure- El més típic per la seva facilitat per conduir l’electricitat i per ser bastant comú a la naturalesa.
    • Alumni- També molt utilitzat encara que sigui pitjor conductor que el coure ja que és molt lleuger i barat.
    • Or, níquel i crom- Utilitzats en components electrònics per evitar la oxidació i per seva conducció de l’electricitat excel·lent.
    • Estany, plom i plata- Utilitzats per soldar components per la facilitat amb la que es fonen i es manipulen en forma líquida.

Conductor

Els materials que no són conductors i que, per tant, no deixen passar l’electricitat de forma fàcil a través seu s’anomenen aïllants i alguns exemples són: l’aire, l’aigua pura, la fusta, el plàstic…

  • Els receptors són els components que reben l’electricitat i l’utilitzen per alguna funció transformant l’energia elèctrica en alguna altra forma d’energia. Per exemple: les bombetes incandescents la transformen en energia lumínica i calorífica, els motors en energia mecànica, les estufes en energia calorífica, els timbres en energia sonora… Aquests receptors cal que rebin la quantitat d’electricitat adequada per tal de funcionar correctament i, per tant, a vegades cal regular la quantitat d’electricitat que reben. Això es fa a través de resistències que són components receptors que només serveixen per tal de regular la quantitat d’electricitat que flueix pel circuit. A contínuació hi ha els símbols o imatges dels receptors més rellevants:
    • Resistència Imatge resistència Símbol resistència
    • Bombeta Símbol bombeta
    • Motor Símbol motor

A part d’aquests tres tipus de components clau, n’hi ha dos altres que no són imprescindibles però si importants: els components de control i els components de protecció.

  • Els components de control són els components que permeten obrir o tancar el circuit a voluntat. N’hi ha tres de més rellevants: l’interruptor, el commutador i el polsador.
    • L’interruptor permet obrir i tancar el circuit a través d’una acció externa. Cada acció pasa el interruptor d’obert a tancat o de tancat a obert.
      Imatge interruptor Símbol interruptor
    • El commutador permet passar d’un circuit a un altre a través d’una acció externa. Cada acció pasa el circuit d’un a l’altre. És com un interruptor però canvia de circuit en comptes d’obrir o tancar.
      Imatge i símbol interruptor
    • El polsador permet obrir o tancar el circuit a mentre es fa una acció externa. Cada acció canvia el interruptor d’obert a tancat o de tancat a obert mentre s’està realitzant. Un polsador pot ser “normalment tancat” que vol dir que sempre deixa passar l’electricitat i quan es polza no passa o pot ser “normalment obert” que vol dir que mai deixa passar l’electricitat i quan es polza la deixa passar.
      Imatge polsador Símbol polsador
  • Els components de protecció són els components que protegeixen a l’usuari i al circuit d’errors i mals usos de l’electricitat. Podem identificar els fusibles, interruptors automàtics i interruptors diferencials.
    • Els fusibles són resistències que estan fetes d’un material que quan flueix massa electricitat a través seu, es fon i s’obra el circuit.
      Imatge fusible Símbol fusible
    • Els interruptors automàtics són interruptors que s’activen automàticament quan detecta que alguna magnitud supera algun límit.
    • Els interruptors diferencials són interruptors que s’activen automàticament abans que hi pugui haver una electrocució.

Unint tots aquests components i símbols es poden crear molts circuits diferents que tenen moltes funcions diferents. Tot i aixó, els components exposats fins ara són una simplificació i n’hi ha molts més i de més complexos.

Recursos i exercicis

  • Web per fer simulacions de circuits elèctrics [1r-4t ESO] Enllaç
  • Exercici d’identificació de components i interpretació de circuits [1r-2n ESO] Enllaç
  • Exercici de simulació de circuits [1r-2n ESO] Enllaç
  • Solucionari de l’exercici de simulació de circuits [1r-2n ESO] Enllaç

Magnituds elèctriques

Hi ha tres magnituds elèctriques clau: el voltatge, la intensitat i la resistència.

  • El voltatge és la força amb la qual el generador empeny l’electricitat per tal que flueixi pel circuit. En un mateix circuit, com més força faci, més electricitat circularà. Des del punt de vista dels receptors podem dir que cada receptor rep una part de la força que fa el generador i que la suma dels voltatges dels receptors és igual a la suma dels voltatges dels generadors. El voltatge es representa amb la lletra V, es mesura amb volts i els volts es representen amb la lletra V.
  • La intensitat és la quantitat d’electricitat que flueix per un circuit. És a dir, com més electricitat, més electrons flueixen i, per tant, més energia passa pel circuit. Per aquesta raó, la intensitat és la magnitud més important de controlar ja que és la que pot fer que una electrocució sigui perillosa o que un receptor o conductor s’escalfi massa. La intensitat és representa amb la lletra I, es mesura amb ampers i els ampers es representen amb la lletra A.
  • La resistència és la dificultat que oposa un conductor o receptor a que l’electricitat passi per ell. Moltes vegades s’obvien els conductors per fer càlculs ja que tenen una resistència molt petita. Com més gran sigui la resistència, menys electricitat(intensitat) fluirà sempre i quan mantinguem la força amb la que l’empenyem(voltatge). La resistència es representa amb la lletra R, es mesura amb ohms i els ohms es representen amb el símbol Ω.
Nom de la magnitud Símbol de la magnitud Nom de la Unitat Símbol de la unitat Descripció
Voltatge V Volts V Força que fa el generador per empènyer l’electricitat
Intensitat I Ampers A Quantitat d’electricitat que flueix per un circuit
Resistència R Ohms Ω Dificultat que posa un component per què l’electricitat flueixi a través seu

La llei d'Ohm

La llei d’Ohm relaciona les tres magnituds clau de l’electricitat entre si de la següent forma. \(V = R*I\). Però, fent servir àlgebra també ho podem expressar com a \(I = V/R\) o \(R = V*I\). Per tal de memoritzar la llei d’Ohm més fàcilment podem fer servir la següent tècnica memotècnica:
Triangle llei d'Ohm

Quan tapem cadascuna de les magnituds es pot veure la fòrmula per aconseguir-la. Per exemple, si tapem la resistència es pot veure el voltatge sobre de la intensitat.

Per tant, podem concloure que el voltatge i la resistència i el voltatge amb l’intensitat són directament proporcionals. És a dir, quan un es duplica, l’altre també ho fa i quan un es fa la meitat, l’altre també ho fa. En canvi, la resistència i la intensitat són inversament proporcionals. És a dir, quan un es duplica, l’altre es fa la meitat i quan un es fa la meitat, l’altre es duplica.

Circuits série i paral·lel

Fins ara hem fet circuits simples on només hi ha un generador i un receptor. Circuit simple

Però, aquests circuits no sempre són realistes ja que tenim components de diferents magnituds i a vegades cal combinar-los. Primer de tot tenim els circuits série on els components estan un seguit dels altres en el mateix cable.
Circuit série

En aquests circuits el corrent va pasant d’un component a un altre de forma seqüencial. Per tant, si algun dels components tingués una averia i tallés el circuit, tot el circuit quedaria obert i no funcionaria.

Si tenim diferents generadors en série el seu voltatge es suma ja que la seva força es reforça entre si. Per tant, podem suposar que \(V_t=V_1+V_2+...+V_i\) on \(V_t\) és el voltatge resultant i la resta són tots els voltatges de tots els generadors en série, que poden ser dos, tres o qualsevol nombre. El mateix passa amb els receptors, el voltatge que consumeixen els receptors en série també es la suma del voltatge que consumeixen els receptors individualment. Per tant, podem dir que el voltatge disponible pels receptors en série es reparteix entre tots els receptors.

El mateix passa amb la resistència, podem suposar que \(R_t=R_1+R_2+...+R_i\) on \(R_t\) és la resistència resultant, i la resta són totes les resistències de tots els receptors en série, que poden ser dos, tres o qualsevol nombre.

La intensitat en canvi podem dir que es manté ja que com que en els circuits en série tots els components estan en el mateix cable, la intensitat no pot ser diferent. Per tant, podem suposar que \(I_t=I_1=I_2=...=I_i\) on \(I_t\) és la intensitat resultat i la resta són les intensitats de tots els receptors en série, que poden ser dos, tres o qualsevol nombre.

I els altres tipus de circuits són els circuits paral·lels que són aquells on des d’un punt surten diferents cables que passen per algun component i tornen al mateix punt.

Circuit paral·lel

En aquests circuits el corrent es divideix en diferents cables, també anomenats branques, i passa en tots els components alhora. Per tant, si algun dels components tingués una averia i tallés el circuit, només aquella branca quedaria oberta i la resta del circuit seguiria funcionant.

Si tenim diferents generadors en paral·lel el seu voltatge es manté ja que no pot afegir la seva força, aixó si, si estem parlant de piles o bateries, si que augmenta la seva durada abans que es gastessin. Per tant, podem suposar que \(V_t=V_1=V_2=...=V_i\) on \(V_t\) és el voltatge resultat i la resta són els voltatges de tots els generadors en paral·lel, que poden ser dos, tres o qualsevol nombre. El mateix passa amb els receptors, el voltatge que consumeixen els receptors en paral·lel també es manté en totes les branques. Per tant, podem dir que el voltatge disponible pels receptors en paral·lel es manté entre tots els receptors.

Amb la resistència, per tal de calcular l’inversa de la resistència equivalent es fa la suma de les inverses de les resistències de cada branca. Per tant, podem suposar que \(1/R_t=1/R_1+1/R_2+...+1/R_i\) on \(R_t\) és la resistència resultant i la resta són totes les resistències de tots els receptors en paral·lel, que poden ser dos, tres o qualsevol nombre. Aquesta fórmula pot ser una mica complicada i en els casos on només hi ha dues branques, hi ha una fòrmula simplificada. Per tant, en els casos on només hi ha dues branques podem suposar que \(R_{12}=\frac{R_1*R_2}{R_1+R_2}\).

La intensitat en canvi podem dir que es reparteix ja que com que els circuits en paral·lel es separen els diferents branques, la quantitat d’electricitat també es reparteix en les diferents branques. Per tant, podem suposar que \(I_t=I_1+I_2+...+I_i\) on \(I_t\) és la intensitat resultat i la resta són les intensitats de tots els receptors en paral·lel, que poden ser dos, tres o qualsevol nombre.

Tots aquest conceptes poden ser molts alhora, a continuació hi ha una taula resum:

  Voltatge Resistència Intensitat
Série \(V_t=V_1+V_2+...+V_i\) El voltatge es reparteix \(R_t=R_1+R_2+...+R_i\)
La resistència es reparteix		 \(I_t=I_1=I_2=...=I_i\) La intensitat es manté
Paral·lel \(V_t=V_1=V_2=...=V_i\) El voltatge es manté \(1/R_t=1/R_1+1/R_2+...+1/R_i\) La resistència aplica aquesta fòrmula \(I_t=I_1+I_2+...+I_i\) La intensitat es reparteix

Resolució de circuits

Energia i potència elèctrica

L’energia elèctrica és la quantitat de treball que pot realitzar una màquina a través del corrent elèctric. Llavors, podem definir la potència elèctrica com el treball que podrà realitzar una màquina cada segon utilitzant electricitat ja que \(P=E/t\) on E és energia elèctrica, P és potència elèctrica i t és temps.

Podem mesurar l’energia elèctrica que flueix o aporta un component a través de les magnituds de l’electricitat. Llavors podem dir que \(P=V*I\) on P és potència elèctrica, V és voltatge i I és intensitat. De la mateixa manera, aplicant la llei d’Ohm podem deduïr que \(P=V^2/R\) i que \(P=R*I^2*R\) on R és resistència. Especialment interessant és la segona fòrmula on es pot veure que la potència és directament proporcional a la resistència i a la intensitat però amb la intensitat ho és al quadrat, cosa que fa que creixi molt ràpid la potència quan creix l’intensitat.

Per saber la intensitat només cal combinar les dues formules de la potència per saber que \(E=V*I*t\).

Magnistisme i electromagnetisme

El magnetisme és un camp molt extens dintre de la física però cal donar unes pinzellades per entendre algunes de les utilitats de l’electricitat. Un imant és un cos que té dos pols, el pol nord i el pol sud, i atrauen el ferro i tots els materials que el contenen. Els imants tenen una àrea al seu voltant a través de la qual afecta el magnetisme i flueix del pol sud al pol nord, aquesta àrea s’anomena camp magnètic. imant

Generalment els imants es creen a través de magnetitzar un material a través de exposar-lo a un imant molt fort. Però es pot crear un imant temporal a través de l’electrictat de forma senzilla. Quan l’electricitat flueix per un conductor, genera un camp magnètic molt petit al seu voltant. Si enrotllem un conductor moltes vegades creem una estructura que es diu bobina. Amb les bobines podem augmentar la força d’aquest camp magnètic i si s’introdueix un material magnètic dintre de la bobina podem augmentar encara més la força. Aquest tipus d’imant s’anomena electroimant i aquest fenòmen s’anomena electromagnetisme.

electroimant

De la mateixa manera que podem crear un camp magnètic a través del corrent elèctric, podem crear un corrent elèctric a través d’un camp magnètic. Si movem un imant al voltant d’un conductor podem observar com es produeix un corrent elèctric molt petit. Fent servir un bobina també podem augmentar el corrent elèctric que es genera per tal de fer-lo útil.

Els electroimants són útils en el nostre dia a dia per exemple per accionar mecanismes a distància. Per exemple, permet obrir portes de forma automàtica amb un sol botó a través d’un pany automàtic. I especialment són útils en els motors elèctrics i generadors com explicarem a continuació.

Motors elèctrics i generadors

Els motors elèctrics són màquines converteixen energia elèctrica en energia mecànica a través de l’electromagnetisme. Per tal de fer-ho, passa un corrent elèctric per la part de dintre anomenada rotor que conté moltes bobines i genera un camp magnètic. I el rotor està dintre d’una altra part anomenada estator que és un imant. Llavors, els dos imants es repel·len entre si i generen una força que fa girar el motor.

Motor elèctric

Seguint aquest funcionament també podem fer girar el motor i generar un corrent elèctric. Com que hi imant que s’està movent al voltant d’un conductor, és genera un corrent elèctric en aquest. Aquesta màquina s’anomena generador i és la base de les centrals elèctriques. Un mateix motor elèctric pot funcionar com a generador o motor depenen de si rep un corrent elèctric o es fa girar el motor amb força externa.

Exercicis i proves

Prova electricitat i magnetisme. Versió A. [2n ESO] Enllaç
Prova electricitat i magnetisme. Versió B. [2n ESO] Enllaç
Prova electricitat i magnetisme. Versió adaptada. [2n ESO] Enllaç Prova electricitat i magnetisme. Solucionari. [2n ESO] Enllaç