Electricitat: Història, Fonaments i Components Elèctrics

Se sap que a la Grècia antiga (600 aC) coneixien el poder que tenien alguns materials d’atraure petits objectes quan se’ls fregava fort amb una peça de roba. El mateix que potser has fet alguna vegada amb el bolígraf i uns trossets de paper. Feien servir una vareta feta d’ambre -resina de pi fossilitzada-, que en grec es deia elektron, d’on prové el mot “electricitat”.

Al segle XVIII comencen els primers estudis científics de l’electricitat. Benjamin Franklin al 1752 descriu la seva teoria del que és l’electricitat basada en una idea genial: la presència de càrregues positives i negatives en els materials. Ell mateix va descobrir la naturalesa elèctrica dels llamps i va idear el parallamps. El 1800 Volta va fabricar la primera pila i el primer circuit elèctric que podia funcionar de manera continuada.

Durant el segle XIX es desenvolupen tots els fonaments teòrics i apareixen els invents més importants com ara la bombeta, el motor o el generador. L’ús de l’electricitat es generalitza durant el segle XX arribant a totes les llars en la majoria dels països i cada any apareixen noves aplicacions electròniques, i també la informàtica… Tot basat en l’electricitat.

En què consisteix l’electricitat?

Avui sabem que tots els fenòmens relacionats amb l’electricitat són deguts a què la matèria està feta d’àtoms que tenen càrregues positives i negatives al seu interior, tal com hem vist anteriorment.

Recordem que el nucli conté PROTONS (partícules amb càrrega +) i NEUTRONS (partícules sense càrrega) i que, orbitant al voltant del nucli, trobem els ELECTRONS (partícules amb càrrega – sense gairebé matèria).

El NUCLI, conté els protons i els neutrons molt junts i units per forces molt intenses. Els electrons giren al voltant del nucli ocupant la major part del volum de l’àtom.

Els àtoms tenen el mateix nombre de protons que d’electrons i d’aquesta manera la càrrega positiva i la negativa estan equilibrades: els àtoms són neutres i per això la matèria també ho és.

Però en determinades situacions, per exemple a causa del fregament, els electrons poden passar d’un àtom a un altre i llavors l’equilibri s’altera:

• Quan els àtoms d’un cos perden electrons llavors hi ha més protons que electrons i el cos queda amb càrrega positiva.
• Quan els àtoms d’un cos guanyen electrons llavors hi ha més electrons que protons i el cos queda amb càrrega negativa.

Els “protagonistes” dels fenòmens elèctrics són els electrons que passen d’un cos a un altre o que es mouen per l’interior d’un cable. En canvi, els protons no es mouen mai del seu lloc al nucli de l’àtom perquè estan units amb forces molt intenses a la resta de partícules del nucli.

2.2.2. Els elements elèctrics

Els components d’un circuit es classifiquen en quatre famílies: generadors, conductors, receptors i elements de control.

Els CONDUCTORS són els components que permeten la circulació del corrent elèctric. Són els cables elèctrics.

Els elements que són capaços de transformar el corrent elèctric en un efecte desitjat (treball) s’anomenen RECEPTORS. Entre aquests hi ha les bombetes, els timbres, els motors, les estufes,...

Finalment hi ha els elements encarregats de governar el funcionament del circuit. Són els ELEMENTS DE CONTROL. Interruptors, polsadors, commutadors,... són exemples d’aquest tipus d’elements.

Els GENERADORS són els components amb capacitat i finalitat de ‘fer moure’ els electrons. Són els que originen el corrent elèctric. Entre aquests hi ha les piles o les bateries i, a gran escala les centrals elèctriques.

Els conductors

Els conductors elèctrics són aquells materials que no ofereixen resistència al pas del corrent elèctric. Els metalls (or, coure, plata, alumini, ferro, zinc, etc) són especialment bons conductors, però també ho són l'aigua, la terra o el cos humà.

Els materials conductors més habituals i coneguts són els metalls, essent el coure el més utilitzat per als cables elèctrics i l'or quan es necessiten contactes de gran qualitat. De totes formes hi ha materials no metàl·lics que són bons conductors, com el grafit o les solucions salines.

Per al transport de l'energia elèctrica, així com per a qualsevol instal·lació d'ús domèstic o industrial, el metall emprat universalment és el coure en forma de cables d'un o diversos fils. Això és degut a la seva alta conductivitat elèctrica (capacitat de deixar passar el corrent elèctric) i ductilitat (capacitat de deformar-se fins a formar fils).

Els cables elèctrics estan constituïts, a més, d’una capa protectora de material aïllant (normalment plàstic).

• Segons el nombre de conductors d’un cable aquests reben el nom de monopolar (1), bipolar (2), tripolar (3), ... o multipolar.

• Segons el voltatge que han de mantenir els cables es classifiquen en: cables de molt baixa tensió (fins a 50 V), cables de baixa tensió (fins a 1000 V), cables de mitjana tensió (fins a 30 kV), cables d’alta tensió (fins a 66 kV) i cables de molt alta tensió (per sobre dels 770 kV).

Els elements de control

Els elements de control són aquells elements que ens permeten regular el funcionament del circuit: obrir-lo i tancar-lo o decidir quines parts funcionen i quines no, durant quant temps, en quin moment,... Els elements més representatius serien els interruptors, els polsadors i els commutadors però també ho són els fusibles, temporitzadors o els termòstats.

Els interruptors i els polsadors tenen la funció d’obrir i tancar el circuit; en el cas dels interruptors de forma fixa i en el cas dels polsadors mentre mantenim la pressió sobre el mateix.

Els commutadors tenen tres terminals de connexió. Un és per l’arribada del corrent i dos per la sortida. D’aquesta manera, si connectem un commutador en un circuit podrem canviar la direcció del corrent i fer funcionar un element o un altre.

Els receptors

Els receptors elèctrics són aquells components que reben el corrent elèctric i l’utilitzen per fer un treball, ja sigui il·luminar, moure una màquina, produir un so, ... Bombetes, motors, timbres, estufes,... són exemples clars de receptors. De fet qualsevol aparell que funcioni amb electricitat és un receptor.

Tots els receptors funcionen a un voltatge determinat que ve marcat en les especificacions tècniques de l’aparell. Connectar un receptor a un generador amb menys voltatge del necessari farà que aquest no funcioni correctament mentre que si el connectem a un generador de voltatge superior (significativament) aquest es farà malbé.

La bombeta és un receptor que transforma l’energia elèctrica en llum. Està composta per 2 borns un d’entrada i un de sortida d'energia.

El brunzidor és un receptor que transforma l’energia elèctrica en un so. Els rellotges, electrodomèstics, vehicles o els videojocs porten elements acústics d’aquest tipus. Per fer funcionar el brunzidor la connexió dels cables ha de ser vermell-positiu i negre-negatiu.

Un motor és un receptor que és capaç de transformar l’energia elèctrica en moviment. Tots els electrodomèstics que tenen algun component mòbil disposen de motors elèctrics. Alguns aparells de poca potència com joguines o raspalls de dents funcionen amb corrents elèctrics de 3 a 6V.

Tot i que hi ha molts dissenys de motors elèctrics, el principi de funcionament en tots és el mateix: el Principi de reacció electromagnètica que diu que un circuit elèctric és capaç de generar un camp magnètic (és capaç d’actuar com un imant).

Un motor està format per tres parts ben diferenciades:

• L’estator és la part fixa que consisteix en un cilindre buit amb un imant.

• El rotor, que és la part que roda al voltant de l’eix. A la seva superfície lateral hi ha acoblats molts fils conductors en forma de petits circuits. Quan passa corrent per aquests circuits es genera un imant que, en interactuar amb l’imant de l’estator el fa girar.

• El col·lector. És l’encarregat de recollir i fer passar el corrent elèctric des del generador al rotor. Com que això no es pot fer mitjançant cables elèctrics (perquè s’embolicarien!) es fa a través de les escombretes, que són unes peces metàl·liques que, per fregament, estan en contacte continu amb el col·lector.

Animació:com funciona un motor de corrent continu

Els generadors elèctrics

Un generador elèctric és un giny capaç de transformar algun tipus d'energia, que pot ser química, mecànica o lluminosa, en electricitat. Entre els químics trobem les piles o les bateries. Mecànics són els aerogeneradors, les centrals elèctriques o les dinamos. Les plaques fotovoltaiques generen electricitat a partir de la llum.

Una característica important dels generadors és el voltatge, que ens indica l’energia que tenen els electrons. El voltatge es mesura en volts (V) en honor al físic italià Alessandro Volta, inventor de la pila.

Hi ha dos tipus de generadors, segons el tipus de corrent que poden subministrar: de corrent continu o de corrent altern.

El corrent continu és aquell en què el desplaçament dels electrons va sempre en la mateixa direcció. En el corrent altern el desplaçament varia sovint –molts cops per segon- de sentit.

Els generadors de corrent continu més coneguts són les piles i les bateries.

Depenent de quins siguin els dispositius receptors, el voltatge del generador ha de ser menor o major. Així, les piles de botó, que es fan servir a rellotges o calculadores són generadors de corrent continu d’un voltatge entre 1,35 i 3 v. Les piles ‘ordinàries’ tenen un voltatge entre 1,5 i 9 v i permeten funcionar llanternes, càmeres fotogràfiques, comandaments,....

Les bateries també generen corrent continu però aconsegueixen voltatges superiors a les piles. Tot i que són voltatges moderats, permeten fer funcionar molts dels nostres aparells electrònics: telèfons, càmeres, portàtils,... i són usades també en els vehicles de transport.

Els generadors mecànics o fotovoltaics subministren corrent altern.

El voltatge altern pot ser transformat, amb aparells anomenats transformadors, per aconseguir voltatges elevadíssims (400 kVolts). Aquest és el fet que permet transportar l’energia elèctrica a través d’una estesa de cables i torres d’Alta Tensió. A la vora de les ciutats hi ha plantes transformadores que fan que l’electricitat arribi a les llars amb els 220 Volts a que funcionen els electrodomèstics i resta d’aparells.

Unitat de càrrega elèctrica: el coulomb (C)

Quan mesurem la càrrega d’un cos no podem fer-ho comptant protons i electrons perquè aquestes partícules són extremadament petites i nombroses. La unitat de càrrega elèctrica que realment fem servir és el coulomb (C). Direm, per exemple, que una bola d’acer té una càrrega de + 13 coulombs o que la càrrega d’un cub de plàstic és de – 2,4 coulombs.

Així, per exemple, si posem en contacte dos cossos amb càrrega elèctrica, la càrrega elèctrica total que s’obté es calcula seguint la mateixa estratègia que per sumar càrregues individuals:

Si l’esfera A té una càrrega de – 4 C i l’esfera B, de – 2 C, la càrrega total és de (-4) + (-2) = (-6)

Si l’esfera A té una càrrega de – 4 C i l’esfera B, de +8 C, la càrrega total és de (-4) + (+8) = (+4)

Un coulomb equival, aproximadament, a la càrrega de 6,25·10¹⁸ electrons.

La llei de Coulomb

La Llei de Coulomb va ser formulada per Charles-Augustin de Coulomb a partir de les mesures que va fer el 1785 amb una balança de torsió de la força d'atracció i repulsió entre càrregues elèctriques. La llei diu que la força electrostàtica que hi ha entre dues càrregues elèctriques puntuals és directament proporcional a la magnitud de les càrregues i inversament proporcional al quadrat de la distància que les separa:

és la magnitud de la força exercida,

Q₁ és la càrrega d’un cos,

Q₂ és la càrrega de l'altre cos,

d és la distància entre els cossos

k és la constant electrostàtica, que té un valor d’aproximadament 8.988×10⁹Nm²C^-2