Electrocinetica

1. Electrocinetica Cimpeanu Anca Clasa 10 S2

2. Un circuit electric este format dintr-o sursa de energie electrica - de exemplu, o baterie - si un conductor, prin care se transporta curentul intre cele doua extremitati ale sursei. Curentul este de fapt o miscare ordonata a electronilor, asemanatoare curgerii apei printr-un tub. Pentru curgere este nevoie de presiune si la fel este si cu migrarea electronilor. Aceasta "presiune" - generata de sursa - se masoara in volti, iar intensitatea curentului in amperi. Debitul apei, produs de presiunea exercitata, depinde de grosimea tevii. Teava lunga si ingusta ingreuneaza curgerea apei, si respectiv: conductorul lung si ingust are o rezistenta mai mare decat sarma mai groasa, produsa din acelasi material. Bateriile solare produc electricitate printr-un proces de conversie fotoelectrică. Sursa energiei este o substantă semiconductoare fotosensibilă precum un cristal de silicon căruia i s-au adăugat impurităti. Când cristalul este atins de lumină, electronii sunt captati de pe suprafata cristalului si migrează către suprafata opusă. Acolo sunt colectati ca un curent de electricitate. Bateriile solare au o viată foarte lungă si sunt folosite in special in satelitii artificiali ca o sursă de electricitate pentru a opera echipamentul de la bord.

3. Electromagnetism • Curentul din conductor produce un camp magnetic relativ slab, dar cercetatorii au gasit modalitatea de amplificare a acestuia, intr-un timp relativ scurt. Daca se infasoara conductorul sub forma unei bobine si se introduce in interiorul ei un miez de fier, atunci intensitatea campului creste foarte mult. Aceasta bobina cu miez in interior se numeste electromagnet.

4. Rezistenta • Rezistenta electrica se masoara in ohmi. Cuprul este des folosit ca material conductor, deoarece este un conductor bun si are o rezistenta mica. Argintul este un conductor si mai bun, dar utilizarea sa pe scara larga ar fi prea scumpa. In anumite circuite insa, se insereaza special dispozitive electrice cu rezistenta mare pentru a reduce curentul in unele parti ale circuitului.

5. Intensitatea curentului electric. • Curentul electric reprezintă deplasarea dirijată a sarcinilor electrice. Există două mărimi fizice care caracterizează curentul electric: • intensitatea curentului electric, numită adesea simplu tot curentul electric, caracterizează global curentul măsurănd cantitatea de sarcină electrică ce străbate secţiunea considerată în unitatea de timp. Se măsoară în amperi. • densitatea de curent este o mărime vectorială asociată fiecărui punct, intensitatea curentului regăsindu-se ca integrală pe întreaga secţiune a conductorului din densitatea de curent. Se măsoară în amperi pe metru pătrat. • Sarcinile electrice în mişcare pot fi purtate de electroni, ioni sau o combinaţie a acestora. Stabilirea curentului electric este determinată de existenţa unei tensiuni între cele două puncte (între care se deplasează sarcinile). De asemenea, curentul electric se mai poate stabili dacă un circuit închis este influenţat de o tensiune electromotoare.

6. Legea lui Ohm • Legea lui Ohm sau legea conducţiei electrice, stabileşte legăturile între intensitatea curentului electric (I) dintr-un circuit, tensiunea electrică (U) aplicată şi rezistenţa electrică (R) din circuit. • Legea lui Ohm se poate aplica şi unei porţiuni de circuit.

7. Legea lui Ohm se aplică pentru conductori electrici la capetele cărora se aplică tensiuni electrice. Legea lui Ohm spune că într-un circuit intensitatea (I) curentului electric este direct proporţională cu tensiunea (U) aplicată şi invers proporţională cu rezistenţa (R) din circuit. • I este intensitatea curentului, măsurată în amperi (A); • U este tensiunea aplicată, măsurată în volţi (V); • R este rezistenţa circuitului, măsurată în ohmi (Ω). • Cu alte cuvinte, în cazul unui rezistor a cărui rezistenţă este constantă, dacă tensiunea creşte, intensitatea curentului va creşte proportional cu tensiunea şi invers. Un astfel de rezistor care respectă fidel legea lui Ohm se numeşte rezistor ohmic.

8. Legea lui Ohm pe o porţiune de circuit • pe o porţiune de circuit intensitatea curentului electric este egală cu raportul dintre tensiunea aplicată la capetele porţiunii şi intensitatea curentului ce o străbate.Intensitatea curentului electric – este mărimea fizică scalară egală cu sarcina ce traversează secţiunea unui conductor în timp de o secundă.• Prin convenţie sensul curentului electric este de la (+) la (-) încircuitul exterior.• Indiferent de tipul purtătorilor de sarcină mobili, curentul electric are sensul intensităţii cămpului electric.Tensiunea la borne (U) – este egală cu raportul dintre energia furnizată de generator circuitului simplu (Wext) într-un timp oarecare şi sarcina (Q) ce trece prin acest interval de timp.Tensiunea interioară (u) – este egală cu raportul dintre energia furnizată de generator circuitului interior (Wint) într-un interval de timp oarecare şi sarcina (Q) ce trece prin circuit în acel interval de timp.Tensiunea electromotoare (E) – este egală cu raportul dintre tensiunea furnizată de generator întregului circuit (Wgen) într-un interval de timp oarecare şi sarcina (Q) ce trece prin circuit în acel interval de timp.[T]S.I.= 1 V

9. Efectele curentului electric • Efectul termic • Efectul termic (denumit şi efect Joule-Lenz) este reprezentat de disiparea căldurii într-un conductor traversat de un curent electric. Aceasta se datorează interacţiunii particulelor curentului (de regulă electroni) cu atomii conductorului, interacţiuni prin care primele le cedează ultimilor din energia lor cinetică, contribuind la mărirea agitaţiei termice în masa conductorului.

10. Efectul magnetic • Este reprezentat de apariţia unei tensiuni electromotoare de inducţie (descrisă cantitativ de legea inducţiei electromagnetice Faraday) într-un conductor supus acţiunii unui câmp magnetic • Efectul electrochimic • Electroliza este procesul de orientare şi separare a ionilor unui electrolit cu ajutorul curentului electric continuu. • Electroliza unei soluţii de clorură de cupru: în electrolit datorită disocierii sunt prezenţi ioni de Cu2+ şi ioni de 2Cl. După mai multe minute de funcţionare catodul capătă o culoare roşiatică şi se degajă un miros înţepător. Catozii cântăresc mai mult decât iniţial şi dacă m1, m2, m3, m4 sunt masele finale ale acestora m1<m2<m3<m4. Ionii de Cu2+ sunt atraşi de catod care le cedează electroni, sunt neutralizaţi şi se depun pe acesta. • Ionii de 2Cl cedează electroni anodului; atomii neutri de clor, sub formă de molecule de gaz se dizolvă parţial în apă; este caracteristic mirosul înţepător. • Neutralizarea electrică a ionilor este însoţită de reacţii chimice specifice care transformă calitativ suprafaţa electrozilor.

11. Pentru K (întrerupător) închis• Intensitatea tensiunii se măsoară cu ajutorul ampermetrului care se leagă întotdeauna în serie cu elementele de circuit pe care determinăm intensitateaPentru K deschis • U = E – U• U nu are o valoare bine precizată, adică depinde de structura circuitului exterior• Voltmetrul măsoară tensiunea şi se leagă în paralel cu elementul de circuit pe care determinăm.Fig 1Rezistenţa electrică a unui conductor este mărimea fizică scalară egală cu raportul constant dintre tensiunea aplicată la capetele conductorului şi intensitatea curentului ce îl străbate.• Pentru un conductor cilindric, rezistenţa electrică depinde direct proporţional de lungimea conductorului, invers proporţional de secţiunea acestuia şi mai depinde de materialul din care este confecţionat acesta• = rezistivitatea electrică = mărime fizică ce caracterizează materialul din care este confecţionat conductorul, în funcţie de capacitatea acestuia de a se opune trecerii curentului electric.

12. Efectul fotoelectric • Energia purtată de radiaţia electromagnetică este de natură discretă sub formă de cuante de energie numite fotoni. • Dacă pe suprafaţa unei plăcuţe semiconductoare cade un flux Φ de radiaţii electromagnetice, acesta se desparte în trei componente (flux transmis, absorbit şi reflectat). Fluxul absorbit conduce la mărirea la nivele energetice inferioare pe nivele energetice superioare, iar la atomii din nodurile reţelei cristaline creşte energia de vibraţie în jurul poziţiei de echilibru din nodurile reţelei cristaline. • Creşterea energiei de vibraţie a atomilor reţelei se asociază cu apariţia în reţea a unor purtători de energie de vibraţie numiţi fononi. • Efectul piezoelectic intern are loc când energia incidentă preluată contribuie numai la ruperea electronilor de valenţă care devin electroni liberi. • Efectul piezoelectric extern are loc când energia incidentă reţinută în interior este mai mare decât energia de legătură a electronilor, în reţea se formează fononi, în exterior se emit electroni.

13. Legile lui Kirchhoff • Legile lui Kirchhoff sunt relaţii exacte între parametrii care descriu interacţia materiei cu radiaţia electromagnetică. Cu definiţiile date mai jos ele afirmă că, pentru orice lungime de undă λ, raportul între emisivitatea EM(λ) şi absorptivitatea AM(λ) unui material M este independent de natura materialului şi depinde numai de temperatura T • La temperaturi diferite de zero absolut, orice corp emite radiaţie electromagnetică datorită agitaţiei termice a moleculelor; invers, îşi poate ridica temperatura absorbind o parte din radiaţia emisă de alte corpuri. Mecanismele detaliate ale acestor procese nu le discutăm. • Considerăm o cavitate închisă , vidă (Hohlraum), cu pereţii dintr-un material oarecare opac si ţinută cu ajutorul unui rezervor de căldură la temperatura T. În interiorul ei se găseşte radiaţie electromagnetică, continuu emisă şi reabsorbită de pereţii cavităţii[5] . Presupunem că pereţii nu sunt luminescenţi[6] şi prin urmare câmpurile corespunzătoare fiecărei lungimi de undă sunt independente. Se poate argumenta, folosind principiul al doilea al termodinamicii, că, pentru fiecare lungime de undă, radiaţia în cavitate este omogenă şi izotropă. Argumentaţia foloseşte aproximaţia opticii geometrice, în care lungimea de undă a radiaţiei este neglijabilă faţă de dimensiunile cavităţii.

14. Echilibrul termic • Atunci când radiaţia se află în echilibru termic cu pereţii, densitatea de impuls în cavitate este zero. Aceasta poate fi privită ca o consecinţă a principiului al doilea al termodinamicii: dacă impulsul unui element mic de volum ar fi diferit de zero, fluxul său printr-o suprafaţă perpendiculară pe direcţia sa ar fi diferit de zero şi deci şi presiunea asupra unui obiect mic netransparent plasat acolo. Astfel am putea extrage indefinit un lucru mecanic la temperatură constantă ceea ce contrazice formulării principiului al doilea după Kelvin. Existenţa unor astfel de obiecte mici netransparente (probe), care lasă neschimbată distribuţia radiaţiei atunci când sunt introduse în cavitate este o presupunere care nu poate fi evitată în aceste argumente. • Un raţionament care foloseşte aceasta este următorul: să introducem în cavitate fără lucru mecanic un obiect despre care presupunem că ar putea schimba distribuţia de echilibru a densităţii de energie, de exemplu o oglindă mică infinit subţire printr-o mişcare lentă paralelă cu suprafaţa ei. Dacă noua distribuţie de echilibru a energiei este diferită de cea veche, concludem că introducerea oglinzii a generat un flux de energie şi deci o densitate de impuls diferită de zero în cavitate. Cu ajutorul probelor de mai sus, putem extrage un lucru mecanic la temperatură constantă, deşi nu am cheltuit nici unul, şi aceasta indefinit, scoţând şi introducând oglinda, ceea ce e o încălcare a principiului al doilea. Concludem că, la echilibru termic, noua distribuţie de energie (după introducerea oglinzii) trebuie să fie identică cu cea iniţială.

15. Energia • Din punct de vedere ştiinţific, energia este o mărime care indică capacitatea unui sistem fizic de a efectua lucru mecanic când trece printr-o transformare din starea sa într-o altă stare aleasă ca stare de referinţă.[1] Energia este o funcţie de stare. • Când un sistem fizic trece printr-o transformare, din starea sa în starea de referinţă, rămân în natură schimbări cu privire la poziţia sa relativă şi la proprietăţile sistemelor fizice din exteriorul lui, adică: • schimbarea poziţiei, vitezei, • schimbarea stării termice, • schimbarea stării electrice, magnetice, • atât ale lui cât şi ale sistemelor din exteriorul său. Efectele asupra sistemelor externe se numesc acţiunile externe ale sistemului în cursul transformării. • Conform legii conservării energiei, diferenţa de energie a unui sistem fizic la o transformare între două stări este independentă de calea de transformare dintre cele două stări, ea depinzând numai de cele două stări. Alegând arbitrar valoarea energiei de referinţă, energia din orice altă stare are o valoare bine determinată. Ca urmare, energia este o funcţie de starea sistemului fizic pe care o caracterizează, adică este o funcţie de potenţial. În funcţie de starea de referinţă, energia poate fi pozitivă, negativă sau nulă. • Se numeşte formă de energie fiecare termen aditiv din cea mai generală expresie a energiei totale a sistemelor fizice, care depinde exclusiv de o anumită clasă de mărimi de stare (de exemplu: mărimi mecanice, electrice, magnetice etc.). • Lucrul mecanicnu este o formă de energie, deoarece nu caracterizează sistemele fizice, ci transformările lor, respectiv interacţiunea dintre sistemele fizice în cursul transformării lor. • Căldura schimbată de un corp cu exteriorul de asemenea. nu este o formă de energie. Căldura nefiind o energie, nu se poate defini o căldură conţinută de un corp, ci doar una schimbată cu exteriorul.

16. Conservarea energiei • Una dintre proprietăţile energiei este conservarea sa, ca parte a materiei, cu cele două forme de existenţă ale sale, substanţa şi câmpul. Prima dată o lege de coservare a fost formulată în 1778 de către Antoine Lavoisier în lucrarea Considérations Générales sur la Nature des Acides (românăConsideraţii generale asupra naturii acizilor) sub forma: „În natură, nimic nu se pierde, nimic nu se câştigă, totul se transformă.” • Exemple de conservare: conservarea energiei unui pendul, conservarea energiei în cazul unei maşini termice, conservarea energiei în cazul unei explozii chimice sau nucleare etc. • Această constatare, a conservării totale a materiei, a avut nevoie de un timp îndelungat şi de mulţi gânditori, filozofi şi oameni de ştiinţă pentru a ajunge în forma sintetică cunoscută azi ca Legea conservării materiei.

17. Bibliografie • wikipedia.ro • Max Planck, Theorie der Wärmestrahlung (1906), 6.Auflage, Johann Ambrosius Barth Verlag, Leipzig (1966) • W.Wien, Temperatur und Entropie der Strahlung, Annalen der Physik,288, 132-165 (1894)