Circuitele electrice pot fi folosite pentru transmiterea de semnale, stocarea informației, efectuarea de calcule, dar cel mai comun scop este acela de a manipula energia, cum este cazul alimentării unui bec cu ajutorul unei baterii.

Știm că becurile sunt definite în funcţie de wați, fiind vorba despre numărul de jouli pe secundă transformați în căldură și lumină, dar care este legătura cu fluxul de sarcini măsurat de ampermetru?



Iată o analogie. Să presupunem că unul dintre prietenii tăi nu a găsit altă slujbă decât aceea de încărcător de baloți de paie. Numărul de calorii pe care îl arde pe oră va depinde de numărul de baloți pe care-i încarcă pe minut și va fi proporțional cu efortul pe care-l depune pentru fiecare balot. Dacă trebuie să încarce baloții în podul grajdului, prietenul va obosi mai repede decât un alt lucrător în branșă care doar împinge baloți într-un camion şi nu trebuie să-i ridice.

În unități de bază,

Jouli/secunde = (baloți/secunde) x (jouli/baloți)

În mod similar, rata de transformare a energiei dintr-o baterie nu va depinde doar de câți coulombi pe secundă introduce în circuit, ci și de lucrul mecanic pe care trebuie să-l efectueze pentru fiecare sarcină:


jouli/secunde = coulombi/secunde x jouli/coulombi
ori
puterea = curentul x lucrul-mecanic-per-sarcină


Joulii per coulombi sunt numiți "volți", 1 V = 1 J/C; denumirea vine de la fizicianul italian Alessandro Volta. Toată lumea știe că bateriile sunt descrise prin numărul de volți, dar conceptul de voltaj este mai larg; voltajul este, în fapt, proprietatea oricărui punct din spațiu.

Pentru a înțelege mai bine de ce stau lucrurile astfel, să ne întoarcem la analogia cu baloții de baie. Este nevoie de un număr de jouli de energie gravitațională pentru a ridica un balot până la nivelul podului grajdului. Pentru că vorbim despre energie gravitațională, are mai mult sens să vorbim  despre unități de masă decât despre baloți pentru a măsura cantitatea de materie. Versiunea gravitațională a voltajului ar fi: jouli per kilogram.

Energia gravitațională = mgh, dar dacă vrem să calculăm cât de multă per kilogram, "m" se reduce, rămânând cu gh. Tuturor punctelor din câmpul gravitațional al Pământului le putem aloca un număr, gh, care ne spune cât de dificil este să mutăm o cantitate de masă într-unul dintre aceste puncte. De exemplu, vârful Muntelui Everest va avea o valoare mare a gh, din cauza înălțimii. Asta ne spune că este costisitor, din punct de vedere al energiei, să ridicăm o anumită cantitate de masă de la un nivel (al mării, să zicem) la nivelul vârfului Muntelui Everest.

Voltajul face același lucru, folosind energia electrică. Putem vizualiza un circuit electric ca fiind un roller-coaster. Bateria este ca acea parte din roller-coaster unde ești ridicat către vârf. Vârful primei zone ridicate este analog voltajului bateriei. Când începi coborârea, această parte este similară celor ce se întâmplă la nivelul becului. În cazul unui roller-coaster energia gravitațională inițială este transformată în căldură și sunet, atunci când aluneci către sol. În circuitul electric, energia electrică inițială este transformată în căldură de bec (iar filamentul fierbinte al becului strălucește, transformând căldura în lumină).

— ••• —
Acest articol este parte din cartea "Fizica conceptuală" de Benjamin Crowell
 

CUPRINS

5.4 Voltajul

Credit imagine: deviantart.com/boldfrontiers


Dacă găsiţi scientia.ro util, sprijiniţi-ne cu o donaţie.


PayPal ()
CoinGate Payment ButtonCriptomonedă
Susţine-ne pe Patreon!