Intensitatea curentului electric de conductie

Intensitatea curentului electric de conductie

Experienta arata ca daca sarcina electrica a unui corp conductor variaza in timp, sau densitatea de sarcina electrica variaza in timp, deci daca:

atunci apare cel putin un efect de incalzire a corpului care nu exista atunci cand

Stare electrocinetica. Aceasta stare a corpurilor conductoare, a caror electrizare este variabila in timp, poarta denumirea de stare electrocinetica. Ea este specifica corpurilor conductoare, fiind o stare diferita de starea de electrizare (la care este ireductibila) si se manifesta (este pusa in evidenta) de o serie de efecte, numite efecte electrocinetice care constau in:

- efecte mecanice, adica forte sau/si momente care se exercita asupra altor corpuri aflate tot in stare electrocinetica (de pilda un corp de proba electrica ce se deplaseaza cu o viteza fata de corpul considerat) sau magnetizate (de exemplu acul magnetic - v.§.1.1.2), ce apar in mod aparte (suplimentar) fata de fortele si/sau momentele datorate starilor de electrizare sau de magnetizare (stare ce va fi prezentata ceva mai incolo, tot in cadrul acestui paragraf);

- efecte magnetice, adica producerea "in jurul" corpului conductor aflat in stare electrocinetica a unui camp magnetic (v.§1.2.2). De fapt, regimul stationar si nestationar (carora le apartine starea electrocinetica) este "responsabil" intotdeauna de producerea unui camp magnetic;

- efecte electrice, care constau in faptul ca sarcina electrica a corpurilor poate sa se modifice ca urmare a starii electrocinetice in regim nestationar (v.§ 1.3.9 - "Legea conservarii sarcinii electrice");

- efecte termice, care constau in faptul ca intotdeauna in corpurile conductoare aflate in regim electrocinetic se produc degajari de caldura, efect -de altfel- cu totul specific starii electrocineticie (v.§1.3.11 - "Legea transformarii de energie in conductori"). Totusi, in cazurile (rare) ale conductorilor aflatii in stare de supraconductibilitate, la temperaturi foarte joase (v.§ 4.6.2 si Fizica), efectele calorice nu apar;

- efecte chimice sub forma unor reactii de descompunere a solutiilor de electroliti (v.subcap. 4.5), adica reactii de electroliza (v.§ 4.5.3) in urma carora se produc depuneri de substante (metale) provenite din descompunerea solutiei;

- efecte luminoase, care apar numai in unele corpuri (specific: gaze rarefiate) aflate in regim electrocinetic (v. Fizica-descarcarii in gaze);.

- efecte fiziologice (biologice), care apar numai in corpurile organismelor vii, aflate accidental in stare electrocinetica.

Efectele fiziologice ale electrocineticii nu sunt -inca- suficient de bine studiate si mai ales modelate (nu s-au stabilit legi sau teoreme cu privire la acest caz deoarece starea electrocinetica, mai ales in cazul omului, trebuie imperios evitata pentru ca poate provoca efecte patologice periculoase si inprevizibile care produc moartea organismului prin asa-zisa electrocutare). Totusi, s-au facut numeroase si ample cercetari -in special experimentale- in legatura cu doua aspecte: unul este acela al protectiei impotriva electrocutarii in instalatiile electrice industriale si al folosirii aparaturii electrice (in toate domeniile chiar si cel casnic), iar altul este acela al aplicatiilor medicale prin electroterapie. Protectia impotriva electrocutarii impune -in primul rand-asigurarea unei izolatii perfecte a partilor conductoare ce ar putea produce accidental un contact direct cu omul (utilizatorul aparatelor sau operatorii din instalatiile electrice), o instruire adecvata a personalului ce lucreaza cu aparatura electrica si multe altele. Electroterapia s-a dezvoltat ca aplicatie multidisciplinara, ce a impus colaborarea mai multor specialisti: electricieni, electronisti, fizicieni, chimisti, medici, biologi, fizioterapeuti s. a.

Cu titlu de informare, pentru a nu depasi limitele acestui manual, se pot arata urmatoarele:

- natura si amploarea efectelor fiziologice ale electrocinetici corpului uman depind de: intensitatea curentului de conductie (ce va fi definit in aliniatul urmator), de frecventa lui (v. subcap.8.5), "de traseul" conductiei prin organism, de situati de moment ale omului (fizice, psihice, de sanatate ) si de conditiile extreme (de umiditate, praf, zgomot, confort etc.);

- frecventele cele mai periculoase sunt intre 40 si 60 hertzi (tocmai cele din instalatiile electrice de producere, transport, distributie si majoritatea utilizarilor energiei electrice -v.§1.5.3). In afara acestor limite, efectele sunt mai slabe, iar la frecvente de peste 10000 hertzi nu exista nici o actiune periculoasa aspra omului (ba, mai mult, la astfel de frecvente si la frecvente mai mari se aplica procedurile de electroterapie);

- valorile limita de la care electrocinetica corplui uman devine periculoasa (adica se poate produce electrocutarea) depind de durata starii electrocinetice, efectele fiind cu atat mai grave cu cat durata acesteia este mi mare;

  in curentul alternativ (v.subcap.8.5), la durata de contact (de stare electrocinetica a organismului uman) scurta (de 3-5 secunde) se poate considera intensitatea de 50 miliamperi (v. aliniatul urmator) ca limita de la care incep pericolele grave pentru un om normal (sic!) si intensitatea de 25 de miliamperi ca limita pana la care securitatea este completa, careia ii corespunde o tensiune (v.§ 1.2.2) maxima nepericuloasa de 24 volti;

  in curent continuu (v.subcap. 8.3) limitele sunt mai mari (50 -1000 miliamperi limita pentru electrocutare si 22 miliamperi limita sub care nu exista nici un pericol);

- moartea prin electrocutare poate fi datorita inhibitiei centrilor bulbari, avand ca efect principal oprirea respiratiei si asfixia, care devine definitiva dupa un timp lung, de ordinul orelor (terapeutica ce trebuie aplicata unui electrocutat este respiratia artificiala prelungita), sau datorita efectului paralizant al electrocineticii asupra inimi, manifestata printr-un ritm cardiac foarte rapid (zis fibrilatie), caz in care respiratia artificiala nu mai este indicata;

- protectia menita sa impiedice electrocutarea consta in: folosirea aparatelor electrice de mana cu tensiuni mici - nepericuloasa, executarea receptoarelor electrice cu o izolatie suficienta, impiedicarea (eliminarea posibilitatilor ca) personalul din instalatiile electrice sau utilizatorii sa intre in contact cu partile aflate sub tensiune, izolarea electrica a personalului din instalatiile electrice (cu manusi si cizme de cauciuc, podele izolate etc.) si folosirea unor dispozitive speciale in instalatiile electrice (legarea la pamant, relee de protectie etc.).

Intensitatea curentului electric de conductie - marime de stare electrocinetica globala a corpurilor. Pentru modelarea proceselor electrocinetice ale corpurilor si reprezentarea cantitativa a acestor procese, in teoria macroscopica a campului electromagnetic s-a introdus in mod deductiv, prin experimente si prin evaluarea efectelor electrocinetice, marimea fizica denumita "intensitatea curentului electric de conductie" care -printr-o conventie generala- se noteaza cu litera i si este o marime primitiva ce descrie global starea electrocinetica a corpurilor, prin valori scalare, pozitiva sau negative.

Aspectul calitativ denumit electrocinetica -ce caracterizeaza starea variabila in timp a electrizarii unor corpuri insotita simultan de efectele aratate anterior (si in special de transferul de energie calorica)- poate fi determinat si cantitativ, experimental prin evaluarea efectelor electrocineticii. Datorita unitatii cauzale obiective (naturale) ale efectelor electrocinetice, din cele sapte efecte prezentate anterior este suficient sa se aleaga numai unul singur.

Astfel, pentru introducerea marimi primitive care sa caracterizeze starea electrocinetica a corpurilor se utilizeaza efectul mecanic prin determinarea (masurarea) fortelor care se produc asupra unui sistem fizic idealizat de corpuri conductoare: doua conductoare filiforme (ceea ce inseamna ca au lungimea l mult mai mare decat diametrul d al conductorului, presupus si cu sectiune circulara - fig.1.4), asezate paralel in vid, pe o suprafata plana (fata de care conductorul nu poate avea frecari), la o distanta a si considerate rigide (indeformabile).

Neglijandu-se fortele masice si gravifice (considerand, idealizat, conductorul ,filiform el este deci fara masa), intre cele doua corpuri filiforme nu apare decat o forta electrocinetica, adica o forta care se exercita asupra firelor conductoare numai atunci cand ele sunt in stare electrocinetica. Starea electrocinetica a conductoarelor filiforme se realizeaza (fig.1.4) "legandu-le" la doua surse de energie electrica SE1 si SE2 lucrand in regim stationar (sursele de curent continuu -v. subcapitolele 4.3 si 4.6) care -dupa cum se va arata in capitolul 4- au insusirea de a produce starea electrocinetica in conductoare aflate in bucla inchisa. Sursele si conductoarele fiind identice, starea electrocinetica creata va fii aceeasi pentru ambele "fire"si va avea valoarea data de asa-zisa intensitate a curentului de conductie i.

Asa cum se arata in figura 1.4, cele doua surse sunt conectate la conductoare cu polaritatea in mod diferit, fata de un sens comun , caz in care conductoarele (in lungul lor) sunt supuse unor forte de respingere ce dau (conductoarele fiind rigide) o rezultanta , asa ca in figura 1.4. Daca in aceeasi situatie din figura 1.4, sursele SE1 si SE2 identice sunt conectate la conductoarele filiforme in acelasi fel (cu aceeasi polaritate fata de un sens de referinta ), se va constata ca fortele ce se exercita asupra celor doua "fire" sunt de atractie. Rezulta, deductiv, ca marimea ce se introduce pentru determinarea cantitativa a starii electrocinetice a celor doua conductoare filiforme -adica intensitatea curentului electric de conductie i- poate fii pozitiva sau negativa. Se constata, experimental, ca fiecare portiune a conductoarelor filiforme este supusa unei forte (de atractie sau de respingere, dupa felul conectarii la bornele surselor electrice), in planul conductoarelor, care dau o rezultanta pe aceeasi directie perpendiculara pe cele doua conductoare in forma de fir. Distributia fortei de-a lungul conductoarelor filiforme aflate in aceeasi stare elecrocinetica, ne determina sa consideram marimea i ca fiind aceeasi in lungul firului si -ca urmare- sa o reprezentam printr-o sageata (trasata pe conductor), insa cu un sens (acelasi sau contrar celui de referinta ), dupa cum fortele sunt de atractie sau -respectiv- de respingere, adica in mod corespunzator unor valori pozitive sau negative.

Continuandu-se experienta redata in figura 1.4, se inlocuiesc cele doua surse electrice identice (SR1 si SR2), cu altele SR1' si SR2' identice intre ele ("sursele SR1'si SR2' au aceeasi caracteristici calitative si constructive") dar diferite de sursele precedente ("sursele SR1' si SR2' sunt diferite cantitativ de sursele identice intre ele SR1 si SR2, dar sunt aceleasi calitativ"). Se va constata producerea unor noi forte (de atractie sau de respingere in functie de modul de conectare al bornelor sursei la conductoare), cu aceeasi directie (normala pe conductoare, in planul lor), insa cu valori diferite . Se continua experienta in acelasi mod, dar cu alte surse identice intre ele: SR1''si SR2'', SR1'''si SR2''',., rezultand intre conductoarele filiforme forte cu aceeasi directie dar de marimi diferite. Rezulta, de aici, ca marimea de stare electrocinetica a conductorului filiform, este un scalar, caci se produc forte intre conductoare mereu pe aceeasi directie (in planul firelor si perpendicular pe ele) dar cu valori absolute diferite, scalar ce poate fi pozitiv sau negativ, corespunzator sensului fortelor (de atractie sau de respingere). Pentru acelasi mediu uniform in care se gasesc conductoare filiforme (s-a presupus vidul), intensitatea curentului de conductie al unui singur fir, pastrandu-se strict aceleasi conductoare, aceleasi dimensiuni, l si d si aceeasi distanta a (v.fig.1.4), este proportionala cu forta la care este supus fiecare fir conductor. Considerand ambele conductoare simultan, ca sistem fizic unic, se poate postula relatia:

(1.7)     

Luandu-se una din starile electrocinetice ca stare etalon de referinta, deci luandu-se arbitrar intensitatea curentului de conductie a acelei stari ca unitate de masura , rezulta ca orice alta stare electrocinetica a doua conductoare filiforme, rectilinii, cu aceeasi lungime, aflate in vid la aceeasi distanta, se poate determina cantitativ prin intensitatea i data de expresia:

(1.8)                             

ce rezulta din postulatul (1.7), unde -prin urmare- i este intensitatea curentului electric de conductie, ca marime primitiva ce caracterizeaza global starea electrocinetica a conductorului filiform. Deoarece i caracterizeaza, din punctul de vedere global, starea electrocinetica pe toata lungimea l a firului conductor si are o valoare scalara pozitiva sau negativa dupa sensul fortei la care este supus conductorul, i se atribuie un sens, numit sensul de referinta al curentului din conductorul filiform, care se considera arbitrar, dand lungimii conductorului un sens , arbitrar, unde este asa-zisa lungime orientata. Asupra acestui fapt se va reveni in detaliu in § 8.2.5 ("asocierea sensurilor de referinta a marimilor electrice de circuit"). In aceste conditii, se obisnuieste ca intensitatea curentului electric de conductie, al unui conductor filiform aflat in regim electrocinetic, sa se reprezinte grafic cu o sageata.

Fiind o marime de stare a corpurilor (in regim electrocinetic) si nicidecum un corp care se poate deplasa, cel putin in cadrul acestui manual nu vom agrea expresii de forma: "conductor "strabatut" de curentul." sau "curentul "parcurge" conductorul." sau mai ales "curentul care "trece" prin conductor." etc. Am prefera sa spunem "intensitatea curentului electric de conductie ce caracterizeaza starea electrocinetica a conductorului." sau "curentul din conductorul.". De altfel, este frecventa inlocuirea expresiei "intensitatea curentului electric de conductie" cu sintagma "curentul electric" sau pur si simplu "curent", daca din contextul frazei nu poate rezulta alt inteles.

Conductia electrica. Legat de starea electrocinetica a corpurilor, care in esenta consta in faptul ca introduse in camp electric unele corpuri (deci nu toate) pot trece intr-un regim in care sarcina lor electrica sau, local, densitatea sarcinii electrice sa varieze in timp, deci sub efectul unui camp electric sa produca un "transfer" sau o "transmitere" a starii de electrizare dintr-o parte in alta a unui corp sau de la un corp la altul, considerandu-se acesta ca un "transfer" al sarcinii electrice prin anumite corpuri (concluzie improprie, deoarece sarcina electrica e o marime de stare a corpurilor si nu un obiect care se poate deplasa independent de corpuri), s-a ajuns sa se spuna ca unele corpuri "conduc electricitatea" sau sunt "bune conducatoare de electricitate". In acest context, fenomenului descris anterior i s-a dat numele de conductie electrica, care insa ramane o proprietate a anumitor corpuri, numite conductoare (daca sunt aparate, materiale, dispozitive etc.) sau conductori (ca substanta), ce poate fi determinata cantitativ prin marimea de material numita conductivitate (v. § 1.2.3).

Limitandu-ne la situatia calitativa, corpurile care prin natura substantei lor nu pot dobandi starea electrocinetica in mod evident (prin efecte suficient sesizabile) se numesc izolanti sau dielectrici, iar daca sunt "cuprinse" intr-un aparat, dispozitiv, instalatie etc.: izolatoare (v. § 1.2.3).

Unitatea de masura a intensitatii curentului electric de conductie. In Sistemul Inter-national (SI), unitatea de masura a intensitatii curentului electric de conductie este denumita amper (la plural amperi), are simbolul A si este unitate fundamentala, ce "reprezinta" fenomenele electromagnetice in SI.

In SI, unitatea de masura fundamentala amperul [A] se defineste -pe baza relatiei (1.8)- astfel: "amperul este intensitatea unui curent electric constant care -mentinut in doua conductoare paralele, rectilinii, de lungime infinita si cu sectiune circulara de arie neglijabila, asezate in vid la o distanta de un metru- ar produce intre acestea, pe o lungime de un metru, o forta de newtoni".

In practica se mai folosesc multiplul kiloamper, kA [1kA= A] sau submultiplii: miliamperul, mA [1mA=A], microamperul, mA [1A=A], nanoamperul, nA [1nA=A] sau chiar picoamperul, pA [1pA=A].