Așa cum s-a menționat anterior, avem nevoie de mai mult decât o cale continuă (adică un circuit) înainte de a avea loc un flux continuu de sarcină: avem nevoie, de asemenea, de un mijloc de a împinge acești purtători de sarcină în jurul circuitului. La fel ca bilele într-un tub sau apa într-o conductă, este nevoie de un fel de forță de influență pentru a iniția fluxul. În cazul electronilor, această forță este aceeași forță care acționează în cazul electricității statice: forța produsă de un dezechilibru de sarcină electrică. Dacă luăm exemplele de ceară și lână care au fost frecate una de alta, constatăm că surplusul de electroni din ceară (sarcină negativă) și deficitul de electroni din lână (sarcină pozitivă) creează un dezechilibru de sarcină între ele. Acest dezechilibru se manifestă sub forma unei forțe de atracție între cele două obiecte:
Dacă un fir conductor este plasat între ceara și lâna încărcate, electronii vor curge prin el, deoarece o parte din excesul de electroni din ceară se grăbesc să treacă prin fir pentru a se întoarce în lână, umplând deficitul de electroni de acolo:
Dezechilibrul de electroni dintre atomii din ceară și atomii din lână creează o forță între cele două materiale. Neexistând o cale prin care electronii să circule de la ceară la lână, tot ce poate face această forță este să atragă cele două obiecte împreună. Cu toate acestea, acum că un conductor acoperă golul izolator, forța va determina electronii să circule într-o direcție uniformă prin sârmă, chiar dacă numai momentan, până când sarcina din zona respectivă se neutralizează și forța dintre ceară și lână se diminuează. Sarcina electrică formată între aceste două materiale prin frecarea lor servește la stocarea unei anumite cantități de energie. Această energie nu este diferită de energia stocată într-un rezervor înalt de apă care a fost pompată dintr-un iaz aflat la un nivel inferior:
Influența gravitației asupra apei din rezervor creează o forță care încearcă să deplaseze din nou apa la nivelul inferior. Dacă o conductă adecvată este trasată de la rezervor înapoi la iaz, apa va curge sub influența gravitației în jos din rezervor, prin conductă:
Este nevoie de energie pentru a pompa acea apă din iazul de nivel scăzut în rezervorul de nivel înalt, iar deplasarea apei prin conducte înapoi la nivelul inițial constituie o eliberare a energiei stocate în urma pompării anterioare. Dacă apa este pompată la un nivel și mai ridicat, va fi nevoie de și mai multă energie pentru a face acest lucru, astfel încât va fi stocată mai multă energie și va fi eliberată mai multă energie dacă apa este lăsată să curgă printr-o conductă înapoi în jos:
Electronii nu sunt cu mult diferiți. Dacă frecăm ceară și lână împreună, „pompăm” electronii departe de „nivelurile” lor normale, creând o condiție în care există o forță între ceară și lână, deoarece electronii caută să își restabilească pozițiile anterioare (și echilibrul în cadrul atomilor respectivi). Forța care atrage electronii înapoi în pozițiile lor inițiale în jurul nucleelor pozitive ale atomilor lor este analogă cu forța pe care gravitația o exercită asupra apei din rezervor, încercând să o atragă la nivelul său anterior. La fel cum pomparea apei la un nivel superior are ca rezultat stocarea energiei, „pomparea” electronilor pentru a crea un dezechilibru de sarcină electrică are ca rezultat stocarea unei anumite cantități de energie în acel dezechilibru. Și, la fel cum asigurarea unei căi prin care apa să coboare înapoi de la înălțimea rezervorului duce la eliberarea acelei energii stocate, asigurarea unei căi prin care electronii să revină la „nivelurile” lor inițiale duce la eliberarea energiei stocate. Atunci când purtătorii de sarcină sunt poziționați în acea stare statică (la fel ca apa care stă nemișcată, la înălțimea unui rezervor), energia stocată acolo se numește energie potențială, deoarece are posibilitatea (potențialul) de eliberare care nu a fost încă pe deplin realizată.
Înțelegerea conceptului de tensiune
Când purtătorii de sarcină sunt poziționați în acea stare statică (la fel ca apa care stă nemișcată, la înălțimea unui rezervor), energia stocată acolo se numește energie potențială, deoarece are posibilitatea (potențialul) de eliberare care nu a fost încă pe deplin realizată. Atunci când vă zgâriați pantofii cu talpă de cauciuc pe un covor textil într-o zi uscată, creați un dezechilibru de sarcină electrică între dumneavoastră și covor. Acțiunea de a vă zgâria picioarele stochează energie sub forma unui dezechilibru de sarcini forțate de la locurile lor inițiale. Această sarcină (electricitate statică) este staționară și nu vă veți da seama că energia este stocată deloc. Cu toate acestea, odată ce vă veți așeza mâna pe o clanță metalică (cu multă mobilitate de electroni pentru a neutraliza sarcina electrică), acea energie stocată va fi eliberată sub forma unui flux brusc de sarcină prin mâna dumneavoastră și o veți percepe ca pe un șoc electric! Această energie potențială, stocată sub forma unui dezechilibru de sarcină electrică și capabilă să provoace curgerea purtătorilor de sarcină printr-un conductor, poate fi exprimată sub forma unui termen numit tensiune, care, din punct de vedere tehnic, este o măsură a energiei potențiale pe unitate de sarcină sau ceva ce un fizician ar numi energie potențială specifică.
Definirea tensiunii
Definită în contextul electricității statice, tensiunea este măsura muncii necesare pentru a muta o unitate de sarcină dintr-un loc în altul, împotriva forței care încearcă să mențină echilibrul sarcinilor electrice. În contextul surselor de energie electrică, tensiunea este cantitatea de energie potențială disponibilă (munca de efectuat) pe unitate de sarcină, pentru a deplasa sarcinile printr-un conductor.Deoarece tensiunea este o expresie a energiei potențiale, reprezentând posibilitatea sau potențialul de eliberare a energiei pe măsură ce sarcina se deplasează de la un „nivel” la altul, ea este întotdeauna referită între două puncte. Luați în considerare analogia cu rezervorul de apă:
Din cauza diferenței de înălțime a căderii, există un potențial de eliberare a unei cantități mult mai mari de energie din rezervor prin conducte către locația 2 decât către locația 1. Principiul poate fi înțeles intuitiv în cazul scăpării unei pietre: ce rezultă într-un impact mai violent, o piatră căzută de la o înălțime de un picior sau aceeași piatră căzută de la o înălțime de o milă? Evident, căderea de la o înălțime mai mare are ca rezultat o energie mai mare eliberată (un impact mai violent). Nu putem evalua cantitatea de energie înmagazinată într-un rezervor de apă doar prin simpla măsurare a volumului de apă, așa cum nu putem prezice gravitatea impactului unei pietre în cădere doar prin simpla cunoaștere a greutății pietrei: în ambele cazuri, trebuie să luăm în considerare și distanța la care aceste mase vor cădea de la înălțimea inițială. Cantitatea de energie eliberată prin lăsarea unei mase să cadă este relativă la distanța dintre punctul inițial și cel final. De asemenea, energia potențială disponibilă pentru deplasarea purtătorilor de sarcină dintr-un punct în altul este relativă la aceste două puncte. Prin urmare, tensiunea este întotdeauna exprimată ca o cantitate între două puncte. În mod interesant, analogia unei mase care ar putea „cădea” de la o înălțime la alta este un model atât de potrivit încât tensiunea între două puncte este uneori numită cădere de tensiune.
Generarea tensiunii
Tensiunea poate fi generată și prin alte mijloace decât frecarea anumitor tipuri de materiale între ele. Reacțiile chimice, energia radiantă și influența magnetismului asupra conductorilor sunt câteva modalități prin care poate fi produsă tensiunea. Exemple respective ale acestor trei surse de tensiune sunt bateriile, celulele solare și generatoarele (cum ar fi unitatea „alternator” de sub capota automobilului dumneavoastră). Deocamdată, nu vom intra în detalii cu privire la modul în care funcționează fiecare dintre aceste surse de tensiune – mai important este să înțelegem cum pot fi aplicate sursele de tensiune pentru a crea un flux de sarcină într-un circuit electric. Să luăm simbolul unei baterii chimice și să construim un circuit pas cu pas:
Cum funcționează sursele de tensiune?
Care sursă de tensiune, inclusiv bateriile, au două puncte de contact electric. În acest caz, avem punctul 1 și punctul 2 în diagrama de mai sus. Liniile orizontale de lungime variabilă indică faptul că este vorba de o baterie și, în plus, indică direcția în care tensiunea acestei baterii va încerca să împingă purtătorii de sarcină printr-un circuit. Faptul că liniile orizontale din simbolul bateriei par separate (și, prin urmare, incapabile să servească drept cale pentru fluxul de sarcină) nu este un motiv de îngrijorare: în viața reală, aceste linii orizontale reprezintă plăci metalice scufundate într-un material lichid sau semisolid care nu numai că conduce sarcinile, dar generează și tensiunea necesară pentru a le împinge de-a lungul lor prin interacțiunea cu plăcile. Observați micile semne „+” și „-” din stânga imediată a simbolului bateriei. Capătul negativ (-) al bateriei este întotdeauna cel cu liniuța cea mai scurtă, iar capătul pozitiv (+) al bateriei este întotdeauna cel cu liniuța cea mai lungă. Capătul pozitiv al unei baterii este cel care încearcă să împingă purtătorii de sarcină în afara acesteia (rețineți că, prin convenție, ne gândim la purtătorii de sarcină ca fiind încărcați pozitiv, chiar dacă electronii sunt încărcați negativ). În mod similar, capătul negativ este cel care încearcă să atragă purtătorii de sarcină. Cu capetele „+” și „-” ale bateriei care nu sunt conectate la nimic, va exista tensiune între aceste două puncte, dar nu va exista niciun flux de sarcină prin baterie, deoarece nu există o cale continuă prin care purtătorii de sarcină să se poată deplasa.
Același principiu este valabil și pentru analogia rezervorului de apă și a pompei: fără o conductă de întoarcere înapoi în iaz, energia stocată în rezervor nu poate fi eliberată sub forma unui flux de apă. Odată ce rezervorul este complet umplut, nu se poate produce niciun debit, indiferent de presiunea pe care o poate genera pompa. Trebuie să existe o cale completă (circuit) pentru ca apa să curgă de la iaz la rezervor și înapoi la iaz, pentru a se produce un debit continuu. Putem asigura o astfel de cale pentru baterie prin conectarea unei bucăți de sârmă de la un capăt al bateriei la celălalt. Formând un circuit cu o buclă de sârmă, vom iniția un flux continuu de sarcină în sensul acelor de ceasornic:
Înțelegerea conceptului de curent electric
Atâta timp cât bateria continuă să producă tensiune și continuitatea căii electrice nu este întreruptă, purtătorii de sarcină vor continua să circule în circuit. Urmând metafora apei care se deplasează printr-o țeavă, acest flux continuu și uniform de sarcină prin circuit se numește curent. Atâta timp cât sursa de tensiune continuă să „împingă” în aceeași direcție, purtătorii de sarcină vor continua să se deplaseze în aceeași direcție în circuit. Acest flux de curent într-o singură direcție se numește curent continuu sau curent continuu. În cel de-al doilea volum al acestei serii de cărți, sunt explorate circuitele electrice în care direcția curentului se schimbă înainte și înapoi: Curentul alternativ, sau AC. Dar, deocamdată, ne vom ocupa doar de circuitele de curent continuu. Deoarece curentul electric este compus din purtători de sarcină individuali care circulă la unison printr-un conductor, deplasându-se de-a lungul și împingând purtătorii de sarcină din față, la fel ca bilele printr-un tub sau apa printr-o țeavă, cantitatea de flux de-a lungul unui singur circuit va fi aceeași în orice punct. Dacă ar fi să monitorizăm o secțiune transversală a firului dintr-un singur circuit, numărând purtătorii de sarcină care trec, vom observa exact aceeași cantitate pe unitatea de timp ca în orice altă parte a circuitului, indiferent de lungimea sau de diametrul conductorului. Dacă întrerupem continuitatea circuitului în orice punct, curentul electric va înceta în întreaga buclă, iar întreaga tensiune produsă de baterie se va manifesta dincolo de întrerupere, între capetele firelor care înainte erau conectate:
Ce este polaritatea unei căderi de tensiune?
Observați semnele „+” și „-” desenate la capetele întreruperii în circuit și cum corespund ele semnelor „+” și „-” de lângă bornele bateriei. Aceste marcaje indică direcția în care tensiunea încearcă să împingă curentul, acea direcție potențială denumită în mod obișnuit polaritate. Amintiți-vă că tensiunea este întotdeauna relativă între două puncte. Datorită acestui fapt, polaritatea unei căderi de tensiune este, de asemenea, relativă între două puncte: dacă un punct dintr-un circuit este etichetat cu un „+” sau un „-” depinde de celălalt punct la care este raportat. Aruncați o privire la următorul circuit, unde fiecare colț al buclei este marcat cu un număr pentru referință:
Cu continuitatea circuitului întreruptă între punctele 2 și 3, polaritatea tensiunii căzute între punctele 2 și 3 este „+” pentru punctul 2 și „-” pentru punctul 3. Polaritatea bateriei (1 „+” și 4 „-„) încearcă să împingă curentul prin buclă în sensul acelor de ceasornic de la 1 la 2 la 3 la 4 și înapoi la 1 din nou. Acum să vedem ce se întâmplă dacă conectăm punctele 2 și 3 din nou împreună, dar plasăm o întrerupere în circuit între punctele 3 și 4:
Cu întreruperea dintre 3 și 4, polaritatea căderii de tensiune între aceste două puncte este „-” pentru 4 și „+” pentru 3. Rețineți în mod special faptul că „semnul” punctului 3 este opus celui din primul exemplu, în care întreruperea era între punctele 2 și 3 (unde punctul 3 era marcat cu „-„). Ne este imposibil să spunem că punctul 3 din acest circuit va fi întotdeauna fie „+”, fie „-„, deoarece polaritatea, ca și tensiunea însăși, nu este specifică unui singur punct, ci este întotdeauna relativă între două puncte!”
REVIZUALIZARE:
- Purtătorii de sarcină pot fi motivați să circule printr-un conductor prin aceeași forță manifestată în electricitatea statică.
- Tensiunea este măsura energiei potențiale specifice (energia potențială pe unitate de sarcină) între două locații. În termeni simpli, este măsura „împingerii” disponibile pentru a motiva sarcina.
- Tensiunea, ca expresie a energiei potențiale, este întotdeauna relativă între două locații, sau puncte. Uneori se numește „cădere” de tensiune.”
- Când o sursă de tensiune este conectată la un circuit, tensiunea va determina un flux uniform de purtători de sarcină prin acel circuit, numit curent.
- Într-un circuit unic (o singură buclă), cantitatea de curent în orice punct este aceeași cu cantitatea de curent în orice alt punct.
- Dacă un circuit care conține o sursă de tensiune este întrerupt, întreaga tensiune a acelei surse va apărea prin punctele de întrerupere.
- Orientarea +/- a unei căderi de tensiune se numește polaritate. Ea este, de asemenea, relativă între două puncte.
Cartete de lucru conexe:
- Foaie de lucru cu tensiune, curent și rezistență
.