Curs 1 Bazele Electrotehnicii I

1. NOIUNI DE BAZ

1.1 Sistemul de uniti de msur

Sistemul de uniti de msur utilizat n domeniul electrotehnicii este cel internaional, usual denumit

drept sistemul standard de uniti SI. Acesta este compus din urmtoarele uniti de msur de baz

metru (m)

kilogram (kg)

secund (s)

mol (mol)

amper (A)

grad kelvin (K)

candela (cd)

i este definit n domeniul fizicii, aadar nu constituie subiect de studiu acum i l lum ca atare. ns vom

discuta despre unele dintre acestea pe msur ce le vom ntlni n continuare.

Unitile de msur nu se folosesc numai n forma fundamental, ci i n multipli i submultipli. Mai jos

sunt date denumirile i prefixele unitilor din SI. Observai relaia dintre prefixele succesive: se

multiplic sau se mpart cu 103. Aceste prefixe le vom ntlni foarte des n studiul circuitelor electrice.

10-18

10-15

10-12

10-9

10-6

10-3

1 103 10

6 10

9 10

12 10

15 10

18

a f p n m k M G T P E

atto femto pico nano micro mili kilo mega giga tera peta exa

1.2 Mrimi electrice

nainte de toate, electrotehnica se ocup cu studiul fenomenelor electromagnetice i aplicaiile acestor

fenomene. Producerea fenomenului electromagnetic depinde de o cantitate elementar numit sarcin

electric. Micarea sarcinii electrice produce transfer de energie, iar transferul de energie este

fenomenul electromagnetic n sine. Sistemele n care au loc fenomenele electromagnetice au fost

modelate matematic, iar fenomenele au fost descrise prin cteva mrimi. Modelele se numesc circuite

electrice, iar mrimile ce descriu fenomenele sunt: curentul, tensiunea, puterea i energia. Toate

electrice, desigur.

Curs 1 2

Un circuit electric este un ansamblu de componente electrice (cum altfel :-??) conectate ntre ele cu

conductoare metalice, fiecare component fiind descris printr-un model matematic. Repet, circuitul

este modelul sistemului fizic n care are loc un fenomen electromagnetic.

Un circuit electric este precum un sistem de conducte care faciliteaz deplasarea sarcinii electrice dintr-

un loc ntr-altul. Deplasarea sarcinii electrice se numete curent electric, iar viteza de deplasare se

numete intensitatea curentului electric i se exprim matematic astfel:

[A] d

d

t

qi ; viteza de deplasare se msoar n amperi, unde

s 1

C 1A 1 .

Ei bine, particula dispus a se deplasa este electronul, adic o sarcina electric negativ. Prin urmare,

curentul electric ar trebui sa nsemne deplasarea sarcinii electrice negative. Cu toate acestea,

convenional, se consider c sensul pozitiv al curentului este dat de deplasarea sarcinii electrice

pozitive. Greeala i aparine unei personaliti celebre (!) i se pare c aceast eroare se pstreaz

tocmai n onoarea sa. Nu putem face altceva dect s admitem convenia. Deocamdat (:p).

Acceptm convenia i ncercm s nelegem i fenomenul fizic. De exemplu, n desenul de mai jos I=-3A

nseamn c prin orice punct al circuitului trec de sus n jos n fiecare secund 3C de sarcin electric.

Aadar, nu numai mrimea curentului este important, ci i direcia acestuia.

Sarcina asta se poate deplasa i ea n felurite chipuri, multe, dar cele mai cunoscute rmn curentul

alternativ (ca) i curentul continuu (cc), precum cel ntlnit la multe electrocasnice, respectiv la baterii.

S recapitulm: sarcina n micare nseamn curent, dar totodat micarea sarcinii duce la transfer de

energie. Aadar, ntre punctele ntre care se deplaseaz sarcina va exista o diferen de nivel energetic.

Diferena ntre nivelurile de energie ale unei uniti de sarcin electric (1 C) localizat ntre dou puncte

dintr-un circuit este definit ca fiind tensiunea electric dintre cele dou puncte. Din acest motiv

tensiunea se mai numete i diferen de potenial. Electric, desigur. Noiunea de tensiune seamn cu

noiunea de for gravitaional: dac o minge de bowling (sarcina) este lsat s cad de sus ntr-un

bazin cu ap (circuitul), fora gravitaionl (tensiunea) trage bila ctre fundul bazinului prin ap.

Potenialul energetic al bilei scade pe msur ce se apropie de fundul bazinului. Acest lucru se datoreaz

rezistenei ce o opune apa (apa poate reprezenta diferite elemente de circuit ntlnite de sarcin pe

parcurs). n acelai fel, deplasarea sarcinii ntr-un circuit va fi nfrnat de ctre elementele de circuit ce

le ntlnete n drum, elemente ce consum astfel energia sarcinii.

n consecin, tensiunea electric ntre dou puncte este energia necesar unitii de sarcin electric

pentru a se deplasa ntre cele dou puncte. Tensiunea electric se noteaz cu u sau cu v (mai ales n

literatura strin), se msoar n voli (tot V), i are o orientare (sens).

[V] d

d

q

wv unde

C 1

mN

C 1

J1V 1

1

Valoarea i sensul tensiunii ne vor indica n care dintre cele dou puncte nivelul de energie e mai mare.

De exemplu, n desenul de mai jos diferena de potenial (tensiunea) dintre punctele A i B este pozitiv

de la A la B, ceea ce nseamn c punctul A se afl la un potenial mai mare dect punctul B. Dac o

unitate de sarcin electric pozitiv (1C) se deplaseaz din punctul A pn n punctul B prin circuit (nu

conteaz calea!), acea sarcin va ceda circuitului energie i va avea cu 3J mai puin energie atunci cnd

ajunge n B. ns invers, dac o unitate de sarcin electric pozitiv (1C) se deplaseaz din punctul B

pn n punctul A, sarcina va sfri cu 3J de energie n plus, energie luat din circuit.

Curs 1 3

n orice caz, o cantitate negativ pentru o mrime dat ntr-un sens reprezint exact aceeai informaie

despre acea mrime ca i cantitatea pozitiv dat n sens opus. Aadar, pentru aceste mrimi (tensiune,

curent) trebuie specificate att mrimea, ct i sensul.

Energia este o alt mrime important n circuite. Pentru exemplificare, considerm circuitul unei

lanterne, n care elementele principale sunt bateria, becul, ntreruptorul i firele. Dac ntrerupatorul

este nchis, n circuit apare curent, ceea ce nseamn c sarcina circul de la borna pozitiv a bateriei pri

fire i bec ctre borna negativ. Trecerea sarcinii prin bec va duce la pierdere de energie pentru c becul

are nevoie de energie ca s se aprind. Aceeai sarcin se va ncrca cu energie la trecerea prin baterie.

Dac ar fi s explicm mai mult din funcionarea bateriei, ar trebui s precizm ca n baterie are loc un

proces de conversie a energiei chimice n energie electric, iar n bec energia electric adus de sarcini

este transformat n energie termic (lumina fiind o consecin a nclzirii filamentului).

tim c becul consum energie; nseamn c sarcina electric va avea mai puin energie la ieirea din

bec dect la intrare. Cu alte cuvinte, dac sarcina trebuie s cheltuie energie ca s treac prin bec,

nseamn c terminalul becului pe unde intr sarcina se afl la un potenial electric mai mare dect

terminalul pe unde iese sarcina, deci tensiunea la bornele becului are o valoare pozitiv n aceast

direcie, de la borna de intrare a sarcinii ctre cea de ieire. La trecerea prin baterie sarcina se ncarc cu

energie, ceea ce nseamn c borna pe la care sarcina intr n baterie se afl la un potenial mai mic

dect borna prin care sarcina iese ncrcat cu energie. Deci la bornele bateriei tensiunea este pozitiv

n sensul de la borna prin care iese sarcina ctre borna prin care intr sarcina. Putem concluziona c:

becul consum energie curentul i tensiunea au acelai sens

bateria genereaz energie curentul i tensiunea au sensuri opuse

Aadar, un consumator are semnalele curent tensiune de acelai semn n acelai sens, iar un generator

are semnalele curent tensiune de acelai semn n sensuri opuse.

bec

+

baterie

+

+

switch

circuit 3V

A B

circuit 3V

A B

3A 3A

Curs 1 4

Mrimea care descrie schimbul de energie dintr-un circuit este puterea. Puterea este definit ca fiind

viteza de transfer a energiei i se msoar n jouli pe secund sau watti. De asemenea, puterea electric

se poate obine din produsul dintre curent i tensiune.

[W] d

d

d

d

d

d

t

w

t

q

q

wtitvtp )()()( unde A 1V 1

s 1

J1W 1

n acest moment poate fi formulat convenia de semn pentru putere: fie un element de circuit cu

semnalele curent-tensiune n acelai sens (nu conteaz semnul!); dac puterea calculat astfel este

pozitiv, atunci puterea este consumat de element; dac puterea calculat astfel este negativ, atunci

puterea este generat de element.

Este important de precizat c n circuitele electrice studiate n acest domeniu (adic n modelele

sistemelor fizice studiate) se consider valabil principiul conservrii energiei: ntr-un circuit dat, energia

generat este exact aceeai cu energia consumat, adic puterea generat este egal cu puterea

consumat.

NN CC OO NN CC LL UU ZZ II EE ::

circuitele electrice sunt modele matematice ale sistemelor fizice n care

au loc fenomene electromagnetice

fenomenele electromagnetice sunt mijlocite de sarcina electric

descrierea fenomenului electromagnetic se face prin patru mrimi:

energie, putere, tensiune, curent

sarcina electric transfer energia, puterea este viteza de transfer a

energiei, tensiunea este diferena de nivel de energie ntre dou puncte,

curentul este viteza de deplasare a sarcinii

ntr-un circuit dat, energia consumat este egal cu energia generat

(adic ntr-un sistem izolat, energia schimbat cu exteriorul este nul),

deci puterea generat este egal cu puterea consumat

un consumator are semnalele curent-tensiune de acelai sens i puterea

pozitiv, iar un generator are semnalele curent-tensiune de sensuri

opuse i puterea pozitiv