Circuit elèctric: aïllants i conductors

A l'hora d'escollir els materials per tal de construir els diferents elements d'un circuit elèctric s'ha de tenir en compte l'objectiu que tindrà l'element i la seva capacitat de conduir l'electricitat. Posem un parell d'exemples:
Volem construir un connector, quines qualitats haurà de tenir? Necessitem que permeti el pas del corrent elèctric amb facilitat, que no s'escalfi per no fer-se malbé i que estigui fet d'uns materials relativament fàcils d'aconseguir (materials de baix cost). En aquest sentit el fil de coure recobert de plàstic seria el més adequat, doncs permet el pas del corrent elèctric amb facilitat i no s'escalfa. Amés els materials són relativament assequibles.
Un altre exemple: volem construir una estufa que produeixi calor, per fer-ho utilitzem una resistència, així doncs necessitem que l'electricitat passi amb dificultat, per tal de produir aquest calor. Necessitem un material que dificulti el pas del corrent elèctric però que sigui prou resistent per no fer-se malbé. Actualment s'utilitzen aliatges de níquel i crom per complir amb aquestes característiques ja que permeten que passi el corrent amb dificultat, suporta altes temperatures i és inoxidable.
Tal com hem vist, es fa necessari saber quin és l'objectiu per tal d'escollir el material més adequat, però quina és la qualitat bàsica que han de complir els materials? Doncs han de permetre el pas de corrent.

• Materials conductors: són tots aquells materials que permeten amb més o menys facilitat el pas del corrent elèctric. 

En general, per la seva estructura interna, els metalls són els millors conductors de l'electricitat, ja que els seus electrons circulen amb gran llibertat dins el material. Tot i així, ofereixen certa resistència al pas del corrent de manera que l'electricitat es transforma en calor.

Uns altres grans conductors de l'electricitat són les sals minerals, però no en estat sòlid si no dissoltes en aigua, ja que quan estan així els àtoms es troben alliberats permetent el pas del corrent.

  

Un altre material conductor ben curiós és el grafit. Tot i que aquest material el qual està format per carbó que no és conductor, quan es presenta en forma de grafit, la seva estructura interna canvia i permet el moviment dels electrons i per tant el pas del corrent elèctric.

Per últim, un altre conductor de l'electricitat és el cos humà. I per que? Doncs resulta que gran part del nostre cos és aigua i una altre part són sals i metalls. Així doncs és fàcil entendre el per que som conductors.

• Materials aïllants: són tots aquells materials que impedeixen el pas del corrent elèctric. Es solen utilitzar per recobrir cables i per aïllar parts del circuit entre sí. I quin són? Doncs pràcticament tots aquells que no són conductors: el plàstic, la fusta, el suro, la ceràmica, el vidre, les ceres, etc.

  

Si us fixeu, escollir el material més adequat ens permet obtenir els millors resultats.

El corrent elèctric: continu i altern

Existeixen dos tipus de corrent elèctric:

• Corrent continu

En aquesta corrent la tensió és sempre constant i no varia amb el temps de la mateixa manera que la intensitat que tampoc varia. És la corrent que produeixen les piles, les bateries i les dinamos.Si féssim un gràfic amb el qual poder observar com varia la tensió amb el temps, observaríem una línia recta completament constant.

I com es produeix aquest corrent? Mitjançant inducció magnètica, de manera que l'espira de coure es mou dintre del camp magnètic transmetent l'electricitat a les escombretes, que en estar separades mantenen constant la posició dels pols, mantenint així la mateixa direcció en el corrent elèctric.

• Corrent Altern

És la corrent produïda per els alternadors a les centrals elèctriques. Aquesta corrent té la particularitat que canvia la tensió (quantitat d'electrons) contínuament però ho fa tan de presa que la majoria dels receptors no són capaços de percebre-ho.
Alguna vegada us heu fixat que si feu una fotografia a la televisió o a la pantalla de l'ordinador, la imatge mai surt bé perquè la pantalla sembla que es belluga?
Això és precisament degut a aquestes oscil·lacions tant ràpides que anomenem freqüència. La tensió varia de l'ordre de 50 vegades per segon als circuits elèctrics europeus i de l'ordre de 60 vegades per segons als circuits d'Estats Units. És el que es diu que treballa amb una freqüència de 50Hz o 60Hz.
Si representem la variació en la tensió en un gràfic observaríem que la quantitat d'electrons va augmentant amb el temps fins arribar a un màxim (325v) moment en el que comença a baixar, arriba a cero i continua baixant fins arribar al mínim (-325v).

És com si el fluxe d'electrons viatgés en un sentit (per exemple dreta), augmentant la seva quantitat contínuament fins arribar a un màxim, moment en el qual comença a perdre força, reduint-se la quantitat d'electrons fins arribar a 0 i llavors, el fluxe d'electrons s'inverteix i comencen a desplaçar-se en sentit contrari (per exemple esquerre) fins arribar a un màxim per tornar a perdre força i tornar a canviar de sentit.
Aquest efecte es repeteix contínuament, aconseguint que la tensió pugi i baixi, però tant depresa que no som capaços de notar-ho.
En Corrent Alterna no tenim un valor fixe de tensió, així que el que es fa és agafar un valor mitjà anomenat valor eficaç.
Un receptor adaptat per a treballar amb 220v funcionarà igual amb una CC de 220v que amb una CA amb un valor eficaç de 220v.
En el cas de la intensitat, varia de la mateixa forma però amb valors d'intensitat.
I com es produeix?
Doncs de forma molt similar que amb la corrent continua. La diferència està precisament en les escombretes. Com les escombretes, en un alternador, no estan tallades si no que són continues, quan l'espira gira, els pols no es mantenen constants si no que a mesura que es desplaça per l'escombreta aquest pol canvia i s'inverteix aconseguint així una corrent que varia en el temps, és a dir una corrent alterna.

Sabent això, quin tipus de corrent elèctrica és la que tenim als nostres edificis? I per què?
Per poder respondre a aquestes preguntes cal remuntar-nos a una "guerra" que va començar a finals del segle XIX entre el gran defensor de la Corrent Continua Thomas Alba Edison i el gran defensor de la Corrent Alterna Nikola Tesla.
Si bé, el primer geni el coneixeu gairebé tots, de ben segur que el nom de Nikola Tesla us sona més aviat poc. Tots dos van treballar durant anys amb l'electricitat i van dissenyar centenars d'enginys que van ser precursors de molts aparells actuals, però el més important que van aportar van ser els seus estudis sobre la corrent elèctrica.
Avantatges del Corrent Continu:

• Es pot emmagatzemar en piles i bateries.
• Menys perillositat ja que la producció d'energia és inferior (un voltatge reduït).
• Menors pèrdues en els conductors: com el fluxe de corrent és estable, no es generen diferències dintre del conductor que acaben en pèrdues en forma de calor.
• Menor quantitat de cable.

Avantatges del Corrent Altern:

• Facilitat per interrompre el corrent.
• Generadors més simples de construcció i ús.
• Gran facilitat per modificar i adaptar el nivell de tensió.
• Gran facilitat per produir nivells de tensió més altes.

Un cop coneixem les avantatges de cadascuna, ara serà més fàcil d'identificar quina de les dues corrents és la que més s'utilitza. Sí, ho heu encertat: La Corrent Alterna, tot i que no es pot emmagatzemar és la més versàtil i fàcil de produir i això, sens dubte, és una avantatge insuperable.

El més curiós de tot això, és que el gran defensor del Corrent Altern, en Nikola Tesla, va ser un gran geni que els llibres d'història han mantingut en l'anonimat.

Magnituds elèctriques i la llei d'Ohm

Bé, un cop tenim clar com es produeix l'electricitat, n'hem a comentar quines són les seves característiques.
El funcionament d'un corrent elèctric és similar al funcionament d'un dipòsit d'aigua que estigui elevat.
Suposem que el dipòsit d'aigua és la pila i el conducte per on baixa l'aigua és el cable. Si el dipòsit està tancat, l'aigua no pot sortir i per tant no es dóna cap tipus de corrent, però quan obrim el pas, l'aigua caurà degut a la gravetat originant el corrent. El funcionament és exactament igual que el d'una pila: fins que no accionem un interruptor o tanquem el circuït l'electricitat no podrà passar.

Obrim ara el pas: l'aigua comença a baixar per la canonada... a quina velocitat direu que va? De què dependrà? De l'alçada oi? Com més alt estigui el dipòsit a més velocitat anirà l'aigua no?
Doncs bé, en els circuïts funciona de forma similar, sols que no parlem d'alçada si no de diferència de potencial: com més diferència hi hagi entre la quantitat d'electrons que estan acumulats en els dos pols de la pila, més Tensió tindrà el circuït i per tant hi haurà un Voltatge més alt.

• El Voltatge és la diferència de potencial que hi ha entre dos punts d'un circuït.

Tornant al dipòsit d'aigua, la quantitat d'aigua que podrà passar a través de la canonada dependrà de la mida de la canonada oi? Doncs bé, en els circuïts elèctrics, a aquesta quantitat d'aigua, o quantitat d'electrons que passen per el cable, li anomenem Intensitat i es mesura en Amperes.

• La Intensitat és la quantitat de corrent que pot passar per un cable en un moment donat.

La mida de la canonada condicionarà el pas del corrent, tal i com ja hem vist. Com més ample sigui més fàcilment passarà l'aigua, com més estret, passarà amb més dificultat. Doncs resulta que aquesta és una altre de les magnituds que mesurem en el corrent elèctric: la Resistència i es mesura en Ohms.

• La resistència és la dificultat que té el corrent elèctric per passar a través d'un material.

Aquestes tres magnituds que hem definit es relacionen entre sí segons una llei amb la qual podem preveure el comportament elèctric de qualsevol circuït:

La resistència és igual al voltatge entre la intensitat.

Fixeu-vos que aquesta relació no es casual. Amb un mateix voltatge la relació entre la resistència i la intensitat és proporcional de manera que una resistència elevada reduirà la intensitat del corrent, mentre que una resistència menor permetrà el pas de major quantitat d'electricitat. Aquest és el motiu de perquè els cables d'alta tensió que transporten quantitats molt elevades d'electricitat utilitzen cables tant grans.


Per ara ja estem, més endavant aprendrem com s'aplica aquesta fórmula i algunes aplicacions més sobre la relació que hi ha entre la resistència i la intensitat.

El circuit elèctric: tipus

Ara que ja podem construir circuits elèctrics n'hem a veure quins tipus hi ha i com els podem classificar:
Segons si passa o no el corrent elèctric.

• Quan el corrent elèctric circula lliurement per el circuit activant els diferents receptors es diu que el circuit està tancat. 
• Quan el corrent elèctric no pot circular amb llibertat de manera que els diferents receptors no s'activen es diu que el circuit està obert.

Segons com estan disposats els elements elèctrics:

• Circuit en sèrie:

És aquell circuit on els receptors es situen un darrere de l'altre de manera que el corrent elèctric ha de passar per tots els receptors en ordre. En aquest cas el corrent va perdent intensitat.

• Circuit en paral·lel

És aquell circuit on els receptors es situen un al costat de l'altre de maner que el corrent elèctric es distribueix per igual per cada receptor assolint així la mateixa intensitat.

• Circuit mixt:

És aquell circuit on trobem receptors situats en serie i situats en paral·lel.

Un cop sabem els diferents circuits que hi ha, podries dir quin tipus de circuit és el que hi ha a les cases?

El circuït elèctric: elements i representació

En la sessió anterior vam veure que hi ha diverses formes de produir l'electricitat, pero com podem aprofitar-la? Per això existeixen els circuits elèctrics.

• Un circuit elèctric és un conjunt d'elements que permeten conduir l'electricitat i aprofitar totes les seves possibilitats.

Pero quins són els elements que el formen?
Generadors
Són els elements que s'encarreguen produir l'electricitat que farà servir el circuit. Són les piles, les bateries i els generadors.

• Piles: estructura compacta que permet, mitjançant una reacció química, la generació un corrent elèctric continu. Es representa utilitzant el símbol:

• Bateries: estructura compacta que permet produir, mitjançant una reacció química, un corrent elèctric relativament elevat. Es representa utilitzant el símbol:

• Generadors o alternadors: estructura composta que permet produir electricitat mitjançant sistemes mecànics d'inducció magnètica. Es representa amb el símbol:

Connectors
Són aquells elements, la funció dels quals és conduir l'electricitat d'un element a un altre del circuit oferint la mínima resistència. Són els cables, principalment. Es representen mitjançant línies.

Elements de control
Són els elements encarregats de controlar el pas del corrent elèctric tancat o obrint el pas del corrent. Són els interruptors, els polsadors, els commutadors i els fusibles.

• Interruptors: Controla el pas del corrent elèctric de manera que quan l'actives el corrent passa fins que el desactives. Es representa segons el símbol:

• Polsadors: Controla el pas del corrent elèctric de manera que l'has de mantenir activat per a que el corrent passi. Es representa segons el símbol:

• Commutadors: dirigeix el pas del corrent elèctric de manera que pot modificar la direcció del corrent i per tant canviar la forma en com reacciona el circuit. Es representa segons el símbol:

• Fusible: és capaç de controlar la quantitat d'energia elèctrica que circula per un circuit de manera que evita que els receptors es facin malbé si hi ha un excés de corrent. Es representa segons el símbol:
• 
  

• Condensador: és capaç d'acumular energia elèctrica per desprès alliberar-la lentament. Segons el tipus es representa segons els símbols:

• Transistor: és un element que pot complir diverses funcions: oscil·lador, amplificador, commutador o rectificador. Es representa segons el símbol:

Receptors
Són els elements que transformen l'energia elèctrica en altres tipus d'energia permetent així aprofitar-nos dels seus efectes.

• Bombetes: són elements dissenyats per produir energia lumínica. Les bombetes tradicionals tenen un filament molt prim que, tot hi permetre el pas del corrent, no el deixa passar amb suficient llibertat de manera que escalfa el filament produint llum. Les bombetes de baix consum funcionen gracies a la ionització d'un gas inert en entrar en contacte amb el corrent elèctric. Es representa segons el símbol:

• Diodes:  és tracta d'elements que permeten el pas del corrent només en un sentit. El més conegut és el LED (light emiting diode).

• Motors: són elements capaços de produir energia mecànica a partir de l'electricitat. Quan l'electricitat passa a través d'una bobina de fil de coure es produeix un camp magnètic que en interactuar amb els imants que el composen es generen unes forces de repulsió que produeixen moviment. Es representa segons el símbol:

• Resistències: són elements que s'encarreguen de disminuir el pas del corrent elèctric en el cas que sigui necessari una intensitat menor. Solen aprofitar-se per produir calor. Es representa segons el símbol:

• Timbre: és un elements dissenyats per transformar la corrent elèctrica en impulsos elèctrics controlats, amplificats, de manera que es produeix so. Es representa segons el símbol:

  

• Sensors: són elements capaços de captar estímuls externs que després poden ser processats per una consola de control. Existeixen múltiples sensors per a múltiples variables i cadascun té el seu símbol associat.

Bé, un cop ja sabem com es representen els diferents elements d'un circuit elèctric seríem capaços d'identificar els elements que formen aquests circuits?

 

 

El corrent elèctric: producció

En la sessió anterior vam parlar de que l'electricitat es genera gràcies al moviment de les càrregues elèctriques o dels electrons. Però com es possible que es moguin? Per a que això succeeixi cal que les càrregues estiguin polaritzades.
Tots vosaltres heu provat alguna vegada a fregar un bolígraf de plàstic amb llana per després apropar-lo a trossets de paper i veure com s'enganxen al boli. Sempre us han dit que la causa d'aquest efecte era l'electricitat estàtica, però que està passant en realitat?
Quan freguem el boli amb la llana carreguem la superfície del plàstic amb una càrrega elèctrica. Com el plàstic està carregat quan l'apropem als papers, aquests es veuen atrets per les càrregues del bolígraf i s'hi enganxen.
El que fem amb aquest gest es polaritzar les càrregues, és a dir, acumular càrregues negatives en una banda del material per tal d'induir el moviment i per tant crear un corrent elèctric.
Existeixen diverses formes per tal de provocar aquest moviment en les càrregues elèctriques i per tant produir una corrent elèctrica: el fregament, l'acció química, el magnetisme, la calor, la pressió i la llum.

• Fregament: és la que acabem de veure. Quan freguem el bolígraf amb la llana arrosseguem electrons cap a la superfície del boli. Aquest efecte també succeeix quan anem en cotxe a gran velocitat. La carrosseria es carrega negativament de manera que quan toquem la porta ens dóna una petita descàrrega. 
  
• Acció química: és la que es produeix dins de les piles. Les piles estan formades d'una sèrie de substàncies químiques que en contacte amb determinats metalls provoquen l'alliberament d'electrons. Aquests electrons passen, dins de la pila, del pol positiu al pol negatiu, carregant la zona negativament. Quan connectes la pila a un circuït, des del pol negatiu s'alliberarien els electrons acumulats desplaçant-se a través dels cables i produint un corrent elèctric.

• Magnetisme: és la forma més comuna de produir electricitat i és també la que aconsegueix grans quantitats d'electricitat. Es basa en el fet que quan un cable conductor molt llarg i bobinat, es mou a gran velocitat envoltat per uns imants es crea un diferencial de càrregues que provoca el corrent elèctric.

La calor, la pressió i la llum també són capaces de produir energia elèctrica però els processos són una mica més complexos que els explicats.

Podries dir quin és el procés que s'utilitza en les centrals elèctriques?

Electricitat i els seus els efectes

Quan escolteu la paraula electricitat de ben segur que us ve al cap l'ordinador, el mòbil, la televisió, el frigorífic, la rentadora, la play... Segurament també us venen al cap paraules com motor elèctric, bombeta, cables i pot ser fins hi tot els llampecs, piles, volts o amperis. Tot el que heu esmentat es pot classificar en:

Fenòmens naturals provocats per l'electricitat

• Efectes de l'electricitat
• Aparells elèctrics
• Elements del circuït elèctric
• Magnituds elèctriques
• Característiques de l'electricitat

Però què és en realitat l'electricitat?
No és un fenomen fàcil d'explicar i per fer-ho hem de parlar dels àtoms. Recordeu el que són?
Se sap que tota la matèria que existeix està formada per unes partícules molt i molt petites anomenades àtoms. Aquestes partícules no es poden veure però resulta que són els maons de totes les coses que existeixen. Fins-hi tot nosaltres estem formats per àtoms.

Doncs bé, tot i que els àtoms són els maons de la matèria no són les partícules més petites que existeixen ja que els àtoms estan formats per altres partícules encara més petites.

• Protons: aquestes partícules estan en el nucli dels àtoms i tenen càrrega positiva
• Neutró: tal i com diu el seu nom són neutres, no tenen càrrega elèctrica.
• Electró: aquestes es troben allunyades del nucli i tenen càrrega negativa.

Com les partícules tenen càrregues contraries s'atreuen o es repel·leixen com si fossin imants. Normalment a la matèria aquestes càrregues són estables, és a dir, no es mouen. Però, en alguns materials i en determinades condicions, aquestes càrregues poden moure's, amb aquest moviment es genera el que anomenem corrent elèctric. Per tant podem dir que:

• L'electricitat consisteix en tots aquells fenòmens relacionats amb el moviment de càrregues elèctriques, és a dir amb el moviment dels electrons.

I quins són aquests fenòmens? Bé, hem abans quan heu esmentat els diferents aparells elèctrics heu esmentat alguns i estan relacionats amb la capacitat que te l'energia elèctrica de transformar-se en altres tipus d'energia. Podríeu dir quins tipus d'energia, que no centrals elèctriques, coneixeu i un aparell que faci aquesta transformació?

• Lumínica: les bombetes
• Calorífica: una tostadora
• Mecànica: un ventilador
• Química: les piles o bateries
• Magnètica: un electroimant.
• Sonora: uns altaveus

Bé com a activitat final penseu en altres exemples d'aparells elèctrics on es donen aquestes transformacions d'energia.

La tecnologia i el procés tecnològic

Quan sentim la paraula tecnologia normalment el primer que ens ve al cap són els ordinadors, els mòbils, les tablets... pot ser algú pensarà en el microones o qualsevol altre instrument elèctric. En el que probablement no penseu és que el llapis o bolígraf que utilitzeu per escriure, la taula i la cadira on segueu i fins hi tot la roba i les sabates que porteu son tot fruit de la tecnologia. 

El concepte de tecnologia és molt més extens que tan sols els instruments que utilitzeu avui dia. De segur que heu sentit a parlar alguna vegada als vostres avis que quan ells tenien la vostra edat no existia tot allò i que vivien molt feliços sense "tanta tecnologia" i jo us pregunto... És correcta aquesta afirmació?

Els vostres avis vivien immersos en la tecnologia igual que vosaltres. S'alimentaven, es vestien, tenien un habitatge, podien desplaçar-se a grans distàncies, tenien accés a la medicina, es podien comunicar amb altres persones també a distància, gaudien d'energia i tenien moments d'oci. És a dir, satisfeien una sèrie de necessitats gràcies a la tecnologia. Llavors... Què és realment la tecnologia?

• La Tecnologia és el conjunt de coneixements i procediments que s'utilitzen per dissenyar i fabricar bens i serveis que satisfan les nostres necessitats humanes.

Segons aquesta definició qualsevol objecte creat per l'ésser humà que satisfaci una necessitat, sigui del tipus que sigui, ha estat desenvolupada gràcies a la tecnologia.

A partir de tot això, podríem fer una llista d'objectes i la necessitat que satisfan?

Com veieu hem agrupat tot el que heu esmentat en vuit grans grups que representen totes les necessitats humanes:

• Alimentació
• Habitatge
• Transport
• Salut
• Comunicació
• Roba 
• Energia
• Lleure

Però,d'on creieu que han sortit tots aquest objectes? Van sorgir del no res o devia haver algú que els inventés quan es va trobar amb la necessitat?

Es força evident, que al darrera de qualsevol objecte creat per l'home en el que penseu, hi ha alguna persona, reconeguda o no, que hi va haver d'invertir hores i hores de la seva vida per tal d'aconseguir un resultat acceptable. I el més curiós de tot, tots els inventors, de qualsevol època, ho saberen o no, seguien pràcticament el mateix procediment de creació.

I quin és aquest procediment?

Es tracta del Procés Tecnològic

• Anomenem Procés Tecnològic a totes aquelles fases, ordenades, que permeten l'elaboració de qualsevol producte tecnològic.

Bé, i quines són aquestes fases?

Si mirem la definició de tecnologia, hi ha una cosa que ens crida clarament l'atenció i és que la tecnologia ha de satisfer les nostres necessitats humanes. Per tant, en qualsevol procés tecnològic el primer punt serà sempre:

1. Identificar la necessitat que volem cobrir. Mai s'elabora un producte tecnològic, intencionadament, abans de saber per a que servirà. Què per atzar es realitzi un descobriment tecnològic del qual es desconeguin les utilitats? Actualment es una situació molt poc comuna, però que sí succeir en el passat més freqüentment. El que sí pot passar és que un producte tecnològic creat per satisfer una necessitat determinada, se'n descobreixi una altre utilitat i per tant es comenci a fer servir en aquest sentit.
2. Dissenyar una possible solució. Un cop has identificat la necessitat cal dissenyar la solució. Però com? doncs bé, primer hem de realitzar el que s'anomena en anglès: Brainstorm, o en català: pluja d'idees. En aquest moment cal decidir qué volem fer, com ho volem fer, quins materials ens faran falta i quant ens costarà fer-ho. En aquesta fase ens ajudarà molt fer una cerca de materials i eines disponibles i possibles altres solucions, ja que és on prendrem decisions sobre el que s'anomena projecte tecnològic (del qual parlarem més endavant) i que afectaran al nostre producte final.
3. Construir el producte tecnològic. Ja sabem quina és la nostra necessitat i com volem solucionar-la. Ara ens falta construir el que hem dissenyat. Normalment en aquesta fase el que es fa es construir un prototip. I què és un prototip? Doncs es un producte de prova. Ja que mai un projecte surt bé a la primera.
4. Avaluar la seva utilitat. Aquesta última fase és clau. Avaluarem el prototip dissenyat, fent proves del seu funcionament, la seva durabilitat a l'ús i la seva adaptabilitat a les persones. Si el producte no passa aquestes proves s'ha de tornar a la fase de disseny per modificar el que calgui. Així es poden arribar a construir centenars de prototips abans d'aconseguir un producte final amb les característiques que es volen. Imagineu que l'Edison va haver de construir prop de mil bombetes diferents, si heu sentit bé, mil abans de trobar la definitiva!

Bé, ja sabeu el que és la tecnologia i el que cal fer per elaborar un producte tecnològic. A partir d'aquí, serieu capaços d'aplicar les fases del procés tecnològic per tal de poder construir per exemple... una joguina?