⚡ Tema 11: Electricitat

Generalitat de Catalunya · Cos de Bombers de la Generalitat · Bomber/a de primera de l'escala tècnica

🌐 Lee este tema en castellano

Resum

L'electricitat és el conjunt de fenòmens associats al moviment o l'acumulació de càrregues: corrent quan es desplacen per un conductor i camp elèctric quan estan quietes. Per a Bombers és sobretot un risc: no es veu, no fa soroll i no es nota fins que és tard. Sentit del corrent: per conveni històric va del pol positiu al negatiu, però en realitat els electrons es mouen del negatiu (excés d'electrons) al positiu. En corrent continu (DC) circulen sempre en el mateix sentit (piles, bateries, plaques solars); en altern (AC) canvien de sentit periòdicament (la xarxa de cases i indústries). Materials: conductors (coure, alumini, metalls, aigua amb sals; com més curt i gruixut, més corrent transporta), semiconductors (silici, germani; conductivitat intermèdia i controlable, base de l'electrònica) i aïllants o dielèctrics (plàstic, goma, vidre, ceràmica, fusta seca, aire), que poden conduir si se supera la seva tensió de ruptura.

Magnituds. Càrrega elèctrica: coulomb (C), uns 6,242 · 10¹⁸ electrons. Intensitat: càrrega que passa per segon, en amperes (1 A = 1 C/s); un LED petit consumeix 0,02-0,1 A i una rentadora 8-12 A. Tensió o diferència de potencial: l'«empenta» que mou els electrons, en volts (V); sense diferència de potencial no hi ha corrent. Resistència: oposició al pas del corrent, en ohms (Ω); en la majoria de materials augmenta amb la temperatura. Potència: energia per unitat de temps, en watts (W); un forn volta els 2 kW i la central de Vandellòs II, 1 GW. Energia: potència per temps, en Wh o kWh, el que es paga a la factura (una bombeta de 10 W durant 10 h consumeix 0,1 kWh). L'energia emmagatzemada també va en Wh; no s'ha de confondre amb la capacitat, en Ah (una bateria de 22 V i 5,2 Ah guarda uns 115 Wh).

Lleis bàsiques. Llei d'Ohm: la intensitat és directament proporcional a la tensió i inversament proporcional a la resistència, I = V / R (i V = I · R, R = V / I). Efecte Joule: el corrent que travessa una resistència es converteix en calor, Q = I² · R · t; si la intensitat es duplica, la calor es quadruplica. És útil en una estufa i perjudicial en un cable sobrecarregat. Potència: P = V · I (en continu o amb càrregues resistives) i P = I² · R. A igual tensió, més potència exigeix més intensitat. Per això les grans potències es transporten a alta tensió (fins a 400 kV): amb menys intensitat hi ha menys pèrdues per Joule i n'hi ha prou amb cables més prims; els camions van a 24 V i els cotxes elèctrics a 400 o 800 V per la mateixa raó.

Circuits. Perquè circuli corrent cal tensió i un circuit conductor tancat. Un circuit bàsic té font de tensió, conductors, receptor o càrrega i interruptor. El corrent també pot anar per camins no desitjats: l'aire (arc, llamp), el terra o el cos humà, que en una electrocució és conductor i receptor alhora. En sèrie els receptors van l'un darrere l'altre: la intensitat és la mateixa en tots, la tensió es reparteix (caiguda de tensió Vi = I · Ri), la resistència total és la suma (R1 + R2 + …) i si un falla s'apaguen tots. Els guants, les botes, la perxa i la banqueta dielèctrics es posen en sèrie amb el nostre cos per augmentar molt la resistència total. En paral·lel cada receptor té el seu camí: la tensió és la mateixa en tots, la intensitat total és la suma de les branques, 1/Rtotal = 1/R1 + 1/R2 + … i si un falla els altres continuen funcionant. Els circuits mixtos se simplifiquen per parts; els complexos necessiten les lleis de Kirchhoff.

Símil hidràulic: la tensió equival a la pressió de l'aigua, la intensitat al cabal, la resistència a l'estrangulament o la rugositat de la canonada, la caiguda de tensió a la pèrdua de càrrega, el generador a la bomba i l'interruptor a la vàlvula. Compte, que és contraintuïtiu: una vàlvula oberta equival a un circuit tancat (hi ha circulació), i una vàlvula tancada, a un circuit obert.

Corrent continu: la polaritat no canvia mai, encara que el seu valor variï (la tensió d'una bateria baixa quan es descarrega). El fan servir les bateries, l'electrònica, les plaques fotovoltaiques i molts ferrocarrils (750, 1.500 o 3.000 V DC). Corrent altern: els electrons oscil·len endavant i enrere seguint una ona sinusoidal. A Europa, 50 Hz: 50 cicles per segon, cadascun de 20 ms, i el sentit s'inverteix 100 vegades per segon. Monofàsic: fase (L) i neutre (N), 230 V eficaços entre tots dos i uns 325 V de pic; el neutre està connectat a terra al centre de transformació. Trifàsic: tres corrents desfasats 120° (L1, L2, L3 o R, S, T) més el neutre; entre dues fases hi ha 400 V (566 V de pic). Dona una potència uniforme, transporta més potència amb menys secció de cable i crea camps magnètics giratoris per als motors; en un sistema equilibrat, Ptotal = 3 · Pfase i el corrent pel neutre és gairebé zero.

Càrregues en altern: resistives (estufes, bombetes d'incandescència), amb tensió i intensitat en fase; inductives (motors, transformadors), en què la intensitat va retardada; i capacitives (condensadors, fonts d'alimentació, LED), en què va avançada. Per aquest desfasament hi ha tres potències: activa P (W, la que fa treball útil), reactiva Q (var, la que va i ve per crear camps) i aparent S (VA, el total que ha de donar la xarxa); en el símil de la cervesa, el líquid, l'escuma i el got sencer. El factor de potència és cos φ = P / S: prop d'1 amb càrregues resistives i baix amb inductives o capacitives, cosa que obliga a més intensitat, més pèrdues i equips sobredimensionats; es corregeix amb bateries de condensadors. Per això els generadors es retolen en kVA: un de 10 kVA pot donar només 8 o 9 kW a motors o electrobombes. Conversions: rectificació AC → DC amb díodes (carregadors, alternador del cotxe), inversió DC → AC amb inversors (fotovoltaica, cotxe elèctric, SAI), i convertidors DC/DC i AC/AC (variadors de velocitat).

Electromagnetisme: un corrent crea un camp magnètic proporcional a la seva intensitat, que disminueix en allunyar-se del conductor; i un camp magnètic variable indueix un corrent. D'aquí surten els electroimants i les bobines, els motors (electricitat → moviment), els generadors (moviment → electricitat) i els transformadors, dues bobines que comparteixen el camp, que només funcionen amb altern i pugen o baixen la tensió segons la relació d'espires.

Riscos. En el cos: fibril·lació ventricular amb pocs mil·liamperes d'altern que travessin el cor (llindar crític, 30 mA a 50 Hz; el continu no produeix fibril·lació, tot i que a més intensitat pot aturar el cor), cremades per efecte Joule i contraccions musculars que impedeixen deixar anar o aturen la respiració. La resistència del cos baixa amb la pell humida, depèn del recorregut (els que passen pel cor són els pitjors) i baixa quan puja la tensió. Tensions segures: 50 V AC i 120 V DC en sec; 25 V AC i 60 V DC en ambient humit. Si no tanquem el circuit (l'ocell al cable, el bomber sobre la catifa aïllant) no passa corrent; si som el circuit (en sèrie) passa tot per nosaltres; si en som una part (en paral·lel), com qui toca un camió grua en contacte amb una línia, el corrent tria el nostre cos si és més fàcil que els pneumàtics. Tensió de pas: a prop d'un cable caigut, passos curts amb els peus junts i no estirar-se mai. En instal·lacions: arc elèctric, incendi per Joule (sobrecàrrega o mal contacte), explosions en atmosferes inflamables i sobretensions; també la subtensió pot sobreescalfar aparells.

Claus per a l'examen

• Els electrons van del − al +; el sentit convencional, del + al −.
• Semiconductors: silici i germani. Un aïllant condueix si se supera la seva tensió de ruptura.
• 1 A = 1 C/s. Energia en Wh o kWh; capacitat d'una bateria en Ah (no confondre).
• Llei d'Ohm: I = V / R. Potència: P = V · I = I² · R.
• Joule: Q = I² · R · t; doble intensitat, quàdruple calor.
• Sèrie: mateixa I, la V es reparteix, Rtotal = suma; si en falla un, s'apaguen tots.
• Paral·lel: mateixa V, les I se sumen, 1/Rt = 1/R1 + 1/R2; si en falla un, els altres continuen.
• Símil hidràulic: V = pressió, I = cabal, R = estrangulament; vàlvula oberta = circuit tancat.
• Europa: 50 Hz (cicle de 20 ms, 100 inversions per segon); 230 V fase-neutre (325 V de pic); 400 V entre fases.
• Trifàsic: tres ones desfasades 120°; Ptotal = 3 · Pfase.
• Inductiva: I retardada. Capacitiva: I avançada. Resistiva: en fase.
• P en W, Q en var, S en VA; factor de potència = cos φ = P / S; es corregeix amb condensadors.
• Rectificador (díodes) AC → DC; inversor DC → AC; el transformador només funciona en altern.
• Fibril·lació: llindar de 30 mA a 50 Hz; el continu no fibril·la.
• Tensions segures: 50 V AC i 120 V DC en sec; 25 V AC i 60 V DC en humit.

Vídeos recomanats

• Ley de OHM [Explicación FÁCIL]
• Potencia ACTIVA, REACTIVA y APARENTE en 6 minutos
• Tensión de paso y por qué las aves no se electrocutan en los cables eléctricos de media tensión
• Riesgo electrico

← Tema 10 · Tema 12 →

📲 Comparteix-ho amb el teu grup de l'oposició: WhatsApp · Telegram · Copia l'enllaç