Electrocinetică

Electrocinetica este disciplina din cadrul electrotehnicii care studiază stările electrice ale conductoarelor parcurse de curenţi electrici de conducţie.

2.1. Curentul electric şi tensiunea electromotoare

Existenţa unui câmp electric în conductoare determină o stare specifică, numită stare electrocinetică. În această stare, conductoarele electrice sunt sediul unor transformări energetice, semnalate prin efecte mecanice, termice, magnetice sau chimice.

Starea electrocinetică este caracterizată de cantitatea de sarcini electrice (dqS), care străbate o suprafaţă S, în unitatea de timp, mărime numită intensitatea curentului electric:

Local, starea electrocinetică se caracterizează prin densitatea curentului electric, mărime vectorială, funcţie de punct, a cărei componentă după direcţia unui vector este:

în care: - elementul de suprafaţă, perpendicular pe vectorul ,

- curentul prin elementul de suprafaţă , (figura 2.1).

Figura 2.1. Explicativă la densitatea curentului printr-o suprafaţă dată.

Curentul mai poate fi denumit ca fiind fluxul densităţii curentului prin suprafaţa dată, S:

Liniile câmpului de vectori ale densităţii de curent se numesc linii de curent.

Unitatea de măsură în SI, pentru curentul electric, este amperul (A), iar pentru densitatea de curent, A/m2. Alături de m, kg, s, grad K, şi Cd în SI de unităţi, amperul este o unitate fundamentală şi este definit ca acel curent electric care, menţinut în două conductoare paralele şi rectilinii, de lungime infinită şi secţiune circulară neglijabilă, aflate în vid la distanţa de 1 m, produce o forţă între cele două conductoare de 2 x 10-7 N pe unitatea de lungime.

Pentru întreţinerea unei stări electrocinetice staţionare este necesară existenţa unor câmpuri electrice imprimate. Fie - forţa imprimată, de natură neelectrică, ce acţionează asupra particulelor elementare, purtătoare de sarcini electrice qo, intensitatea câmpului electric imprimat va fi:

Diferenţa între câmpul electric imprimat şi câmpul coulombian este faptul că circulaţia lui pe anumite curbe închise , poate fi nenulă.

Forţa electromotoare, sau tensiunea electromotoare (t. e. m.) reprezintă lucrul mecanic al forţelor neelectrice pentru a transporta un purtător cu sarcina electrică unitate pe curba :

În mod asemănător, pentru un regim electrocinetic staţionar se defineşte, t. e. m. corespunzătoare unei porţiuni de curbă c12:

Unitatea de măsură pentru t. e. m., în SI este voltul, [V].

Acele porţiuni ale circuitelor electrice în care apar câmpuri electrice imprimate şi care produc t. e. m. se numesc surse şi au simbolurile din figura 2.2.

Figura 2.2. Simbolizarea surselor electrice.

Prin generalizarea relaţiei (2.1) se ajunge la conservarea sarcinii electrice:

În regim electrocinetic staţionar, curentul este nul prin orice suprafaţă închisă:

Teorema potenţialului electric staţionar:

mai poate fi scrisă şi sub forma:

2.2. Legea conducţiei electrice

Experimental se constată că în orice punct al unui conductor:

în care  - rezistivitatea conductorului; relaţia reprezintă legea conducţiei electrice în formă locală.

Rezistivitatea materialelor conductoare variază cu temperatura după o lege de forma:

în care: t2, t1 sunt rezistivităţile la temperatura finală t2, respectiv iniţială t1;

t1 reprezintă coeficientul de temperatură, la temperatura t1.

Inversul rezistivităţii se numeşte conductivitate:

Unităţile de măsură ale rezistivităţii şi conductivităţii în SI sunt []SI =  m, respectiv []SI = S / m, iar în tehnică, datorită în special a caracterului filiform a conductoarelor, adesea se utilizează  mm2/m, sau S m / mm2. Principalele materiale conductoare au la temperatura de 20 oC, conductivităţile: Cu(20oC) = 56, …, 59 S m / mm2, Al(20oC) = 33,3, …, 35,7 S m / mm2.

Legea conducţiei electrice admite o justificare microscopică simplă şi anume: asupra purtătorilor de sarcină, acţionează sistemul de forţe: