Capacitatea, inductanţa şi rezistenţa electrică.

Bine te-am găsit !

Acum după ce ai înţeles ce înseamnă curentul electric, este momentul să vedem prin ce aventuri pot trece electronii în timpul călătoriei lor de la borna negativă la borna pozitivă. Capacitatea, inductanţa şi rezistenţa electrică sunt nişte parametri esenţiali dacă vrei să ajungi să înţelegi funcţionarea unui circuit electric, oricare ar fi el. Spun asta pentru că pe vremea când eram începător, mă grăbeam să ajung să pun în funcţiune cât mai repede montajul electronic dorit, chiar dacă nu îmi era 100% clar cum funcţionează. Era o abordare stupidă, pentru că montajele electronice făcute orbeşte de regulă nu funcţionau. Aşa că te sfătui să nu-mi repeţi greşeala. Înainte de a te apuca să contruieşti circuite electrice, fă-ţi un bine şi pune-te la punct cu ceea ce înseamnă capacitatea, inductanţa şi rezistenţa electrică.

În continuare vom vorbi despre:

  • Ce este un circuit electric ?
  • Ce este capacitatea electrică ?
  • Ce este inductanţa electrică ?
  • Ce este rezistenţa electrică ?
Ce este un circuit electric ?

Pe scurt, este o pistă de alergare destinată electronilor. Altfel spus, reprezintă toate drumurile prin care electronii, pornind de la start (borna negativă a generatorului) pot ajunge la finish (borna pozitivă). În condiţii normale, electronii nu pot călători decât în materiale bune conducătoare de electricitate şi prin urmare, un circuit electric este format din elemente care au o bună conductivitate electrică. Aşa cum se observă şi în figura 1, elementele fundamentale ale unui circuit electric sunt:

  • generatorul electric: este un dispozitiv care foloseşte un anumit tip de energie (chimică, mecanică, termică, luminoasă etc.) pentru a crea energie electrică;
  • consumatorul electric: poate fi reprezentat de orice dispozitiv care permite trecerea curentului electric. Odată conectat la generator, consumatorul va transforma energia electrică primită de la acesta în altă forma de energie (căldură, lumină, lucru mecanic etc.);
  • conexiunile electrice: reprezintă elementele care fac legătura dintre generator şi consumator.  În practică se găsesc sub formă de cabluri metalice, trasee de cablaj imprimat etc. O menţiune foarte importantă este aceea că pentru a minimiza pierderile de energie electrică, rezistenţa electrică a conexiunilor electrice trebuie să fie întotdeauna cu mult mai mică decât cea a consumatorului electric.

Componentele fundamentale ale unui circuit electric

Figura 1.  Componentele fundamentale ale unui circuit electric

După cum ţi-am explicat în articolul trecut, curentul electric curge de la borna negativă la cea pozitivă. Cu toate acestea, convenţional se consideră că sensul curentului electric este de la borna pozitivă la cea negativă. Mi se pare o tâmpenie însă dacă această convenţie se foloseşte peste tot, în figura 1 am folosit intenţionat sensul convenţional ca să te poţi obişnui şi tu cu el.

În ceeea ce priveşte continuitatea circuitelor electrice, acestea pot fi:

  • închise, atunci când elementele circuitului sunt conectate în una sau mai multe bucle. Un exemplu de circuit închis este cel din figura 1. În acest caz, există cel puţin un lanţ format din elemente bune conducătoare de electricitate prin care curentul electric poate circula;
  • deschise, atunci când nu există nici un traseu prin care curentul electric să poată circula.

Aşadar, pentru a putea obţine un curent electric într-un circuit electric trebuie să te asiguri că sarcinile electrice „exilate” la borna pozitivă au pe unde ajunge la borna negativă. Când un electronist studiază o schemă electrică, unul prin primele lucruri pe care îl va face va fi să caute „traseul sau drumul de întoarcere al curentului”, adică va urmări pe unde se „întoarce” la borna negativă curentul electric plecat de la borna pozitivă.

Tot în figura 1 poţi observa că în cazul consumatorului electric nu am mai indicat vreo diferenţă între borne aşa cum am făcut-o (prin culori) în cazul generatorului. Motivul este faptul că, pentru simplificare, am presupus că acela este un consumator electric la care nu contează la care borna îi legi plusul şi la care minusul.

Ce este capacitatea electrică ?

Definiţia oficială spune că este o mărime care exprimă proprietatea corpurilor conductoare de a înmagazina şi păstra sarcini electrice. Eu nu-i dau 100% dreptate, pentru că un condensator (obiectul în care se „înmagazinează sarcini electrice”) de fapt are mereu exact acelaşi număr de sarcini – ceea ce poate varia este doar distribuţia lor.

Ca să înţelegi mai uşor hai să aruncăm o privire peste figura 2.

Structura unui condensator electric

Figura 2. Structura unui condensator electric

Corpul alb-albastru este un condensator electric. Este format din două plăci metalice numite armături. Între armături se observă dielectricul, care în esenţă este un material izolator plasat acolo pentru a evita contactul electric dintre armături.

Cum funcţionează condensatorul ? Atunci când generatorul bagă tensiune pe bornele condensatorului, practic acesta ia electroni de pe o armătură şi îi trimite pe cealaltă. Neavând cum trece de dielectric, tensiunea electrică (dezechilibrul de sarcini electrice) astfel formată se păstrează chiar şi dacă deconectăm generatorul. În această situaţie, se spune că avem un condensator proaspăt încărcat.

Aşadar, între orice suprafeţe între care există o tensiune electrică, neapărat apare şi o capacitate electrică. În cazul suprafeţelor obişnuite, care sunt şi mici şi separate de distanţe destul de mari, capacităţile electrice care apar sunt de multe ori neglijabile. De aceea, pentru capacităţile necesare în electronică, se folosesc condensatori realizaţi din foiţe metalice cu suprafeţe mari, plasate foarte aproape una de alta şi rulate ca o shaorma (adica în formă cilindrică) pentru a obţine un gabarit cât mai redus.

O analogie mecanică a condensatorului poate fi o butelie cu aer: armăturile condensatorului ar fi echivalente cu spaţiul exterior şi cel din interiorul buteliei, iar dielectricul ar fi echivalent cu pereţii buteliei.

Capacitarea electrică este importantă în special pentru că:

  • este un rezervor de energie electrică şi astfel, în cazul în care tensiunea generatorului nu este chiar constantă, condensatorul ajuta la stabilizarea ei: când tinde să scadă, condensatorul începe să se descarce cedând energie electrică către generator, iar când tinde să crească, condensatorul începe iar să se încarce consumând energie electrică de la generator;
  • permite trecerea curentului electric doar în momentul încărcării sau al descărcării. Bine, printre armăturile unui condensator nu poate circula nici un electron din cauza dielectricului care este izolator, însă pe durata încărcării/descărcării condensatorului, electronii care sunt luaţi de pe o armătura şi duşi pe cealaltă tot un curent electric formează. În analogia cu butelia, chiar dacă prin pereţii buteliei nu poate trece nici un atom, în momentul încărcării sau descărcării buteliei, prin conducta de încărcare/descărcare a buteliei va circula un curent de aer.

Capacitatea unui condensator se măsoară în Farazi [F].

Ce este inductanţa electrică ?

La trecerea printr-un circuit electric, curentul electric (pe care-l vom numi iniţial) creează în jurul conductorilor prin care trece un câmp magnetic. Acest câmp, la rândul său creează în conductorul electric un curent electric (pe care-l vom numi indus) de sens contrar, care tinde să-l frâneze pe cel iniţial. Acest fenomen de frânare are loc doar când curentul iniţial îşi modifică valoarea (creşte sau scade) şi poarta numele de autoinducţie.

Acestea fiind spuse, dacă avem un element de circuit prin care circula un curent electric (iniţial), inductanţa reprezintă capacitatea acelui element de circuit de a se opune modificării intensităţii curentului iniţial, prin crearea (inducerea) unui curent de sens contrar.

Echivalentul mecanic direct al inductanţei este inerţia. Prin urmare, ca să înţelegi mai bine inductanţa, îţi poţi închipui că electronii dintr-un circuit nu pot fi acceleraţi sau frânaţi instant, la fel cum nici o maşină nu poate accelera sau frâna instant.

Valoarea curentului indus este proporţională cu valoarea curentului iniţial. În acelaşi timp, este direct proporţională şi cu viteza de variaţie a curentului, la fel cum forţa de inerţie este proporţională cu variaţia vitezei unei maşini.

Inductanţa corpurilor obişnuite este de multe ori neglijabilă şi de aceea nu prea ne putem folosi de ea. Pentru a obţine inductanţe de valori mai mari, firul a cărui inductanţă dorim să o mărim se modelează sub forma unei bobine (vezi bobina cu aer din figura 3 – stânga).

Dacă este nevoie de o inductanţă şi mai mare, în interiorul bobinei se pune un miez fabricat din materiale feromagnetice (vezi bobina cu miez din figura 3 – dreapta). Aceste materiale, prin simpla lor prezenţă în interiorul bobinelor, reuşesc să le mărească inductanţa chiar şi de câteva zeci de ori.

Bobine electrice

Figura 3. Bobine electrice cu aer (stânga) şi cu miez (dreapta)

Inductanţa este importantă în special pentru că:

  • permite filtrarea curenţilor electrici în funcţie de viteza de variaţie a acestora: cei care variază suficient de repede nu pot trece mai departe de o bobină (de o inductanţă) iar cei care variază foarte lent, pot trece complet nestingheriţi;
  • inductanţele a două bobine plasate suficient de aproape una de cealaltă, comunică între ele. Câmpul magnetic creat de o bobină poate crea curenţi electrici (induşi) nu doar în acea bobină ci şi în orice alt material conductor din apropiere. Acest fapt permite transferul de energie electrică fără a avea contact electric între cele două bobine (de exemplu: transformatorul electric). Fără această caracteristică a inductanţei, nu am putea avea comunicaţii wireless de nici un fel.

Inductanţa se măsoară în Henry [H]

Nu am găsit deocamdată o explicaţie simplă şi clară la întrebarea ce este câmpul magnetic. Pentru a răspunde la această intrebare ar trebui să fac apel la noţiuni de fizică cuantică, ceea ce ar însemna să mă îndepărtez inutil de mult de tematica articolului. Dacă totuşi eşti deosebit de interesat despre natura câmpului magnetic, poţi începe de aici şi de aici.

Din punct de vedere practic, este suficient să ştii că:

  • şi câmpul electric şi câmpul magnetic sunt fenomene prin care sarcinile electrice pot interacţiona (se pot atrage sau respinge);
  • principala diferenţă dintre câmpul electric şi cel magnetic este aceea că dacă primul este creat de dezechilibrul de sarcini electrice (tensiune electrică), cel de-al doilea apare atunci când sarcinile electrice se deplasează (curent electric). Aşadar, intensitatea câmpului electric depinde de tensiunea electrică, în timp ce intensitatea câmpului magnetic depinde de intensitatea curentului electric.

Ce este rezistenţa electrică ?

În drumul lor, electronii care formează curentul electric se ciocnesc de atomii conductorului respectiv la fel cum apa dintr-o conductă se freacă de pereţii acesteia. Prin urmare, rezistenţa electrică este opoziţia pe care o întâlneşte curentul electric la trecerea sa printr-un anumit material.

Rezistenţa electrică are ca unitate de măsură ohm-ul [Ω].

Rezistenţa electrică este importantă pentru că afectează în mod direct intensitatea curentului electric. Legea lui Ohm este formula care descrie cu precizie acest fenomen, spunând aşa:

I=\frac{U}{R}

unde:

I – intensitarea curentului electric. Se exprimă în A (amperi);
U – tensiunea electrică.  Se exprimă în V (volţi);

R – rezistenţa electrică. Se exprimă în Ω (ohmi).

Asta înseamnă că, dacă avem un generator electric (de exemplu o baterie), la bornele căruia legăm un fir metalic, cu cât rezistenţa electrică a acestuia va fi mai mare, cu atât mai mică va fi intensitatea curentului electric (şi invers).

Am observat că multă lume are impresia că dacă rezistenţa electrică a unui echipament electric este mare asta înseamnă că şi consumul de energie electrică este mare. Aşa cum ţi-am explicat mai sus, situaţia stă exact invers: rezistenţa electrică frânează trecerea curentului electric, la fel cum un furtun subţire sau parţial înfundat îngreunează trecerea apei prin el.

Nu se poate spune că rezistenţa electrică este un lucru bun sau rău, ci doar potrivit sau mai puţin potrivit unei anumite situaţii. De exemplu, pentru a micşora pierderile, rezistenţa electrică a cablurilor de alimentare cu energie electrică trebuie să fie cât mai mică. Pe de altă parte, rezistenţa electrică a izolaţiei cablurilor respective trebuie să fie cât mai mare pentru a reduce cât mai mult riscul de electrocutare.

Ca şi componentă electronică, rezistenţa electrică este folosită în principal pentru reducerea/limitarea curenţilor şi tensiunilor electrice. Din acest motiv, în aproape orice tip de montaj electronic rezistenţa electrică este cea mai folosită componentă.

În final, important de reţinut este faptul că inductanţa, capacitatea şi rezistenţa electrică sunt proprietăţi pe care absolut orice material le are. Altfel spus, fabricanţii de componente electronice pot creşte inductanţa, capacitatea sau rezistenţa electrică practic oricât de mult, însă niciodată nu le pot reduce până la zero

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *