Lelectricitat és el moviment de càrregues elèctriques que circulen per un conductor. Aquest moviment es fa dacord amb unes determinades propietats físiques. Aquestes propietats estan recollides en una sèrie de lleis elèctriques que s'han desenvolupat al llarg de la història.
Les lleis fonamentals de l'electricitat són les següents:
Llei de Coulomb
La llei de Coulomb estableix que la força elèctrica entre dos objectes carregats és inversament proporcional al quadrat de la distància que els separa i directament proporcional al producte de les càrregues. Aquesta força actua al llarg de la línia que uneix les dues càrregues i pot ser atractiva o repulsiva segons la naturalesa de les càrregues.
La llei, introduïda el 1785 pel físic Charles-Augustin de Coulomb, és essencial per comprendre les interaccions electrostàtiques en física i enginyeria, exercint un paper crucial en camps com l'electrònica i l'electroquímica.
Fórmula
on:
- F és la força electrostàtica,
- q₁ i q₂ són les magnituds de les càrregues,
- r és la distància entre les càrregues,
- k és la constant de Coulomb.
Llei d'Ampere
La llei d'Ampère va ser desenvolupada pel francès André-Marie Ampère el 1831. La llei d'Ampère relaciona un camp magnètic estàtic amb la seva causa. Posteriorment va ser corregida per James Clerk Maxwell i va passar a formar part de les equacions de Maxwell.
La llei d'Ampere indica que la circulació de la intensitat del camp magnètic en un contorn tancat és proporcional al corrent elèctric que flueix en aquest contorn.
Fórmula
on:
- B és el camp magnètic,
- dl és l'element de longitud diferencial,
- μ₀ és la permeabilitat de l'espai lliure,
- I_enc és el corrent tancat.
Llei d'Ohm
La llei d'Ohm estableix que la intensitat del corrent elèctric que flueix mitjançant un conductor que connecta dos punts és directament proporcional al voltatge entre els dos punts i inversament proporcional a la resistència elèctrica del conductor.
Aquesta llei fonamental de lelectricitat descriu amb gran precisió el comportament de gairebé tots els materials conductors delectricitat. No obstant això, hi ha alguns materials conductors que no segueixen aquesta llei. Aquests es denominen materials conductors no òhmics.
La llei rep el seu nom del físic alemany George Ohm, que el 1827 va descriure els corrents i voltatges que es generen en circuits elèctrics simples. En honor seu, la resistència s'expressa en ohms (Ω).
Fórmula
on:
- V és el voltatge,
- Jo sóc el corrent,
- R és la resistència.
Llei de Faraday
La llei d?inducció electromagnètica de Faraday és un principi fonamental de l?electromagnetisme que explica com un camp magnètic canviant indueix un corrent elèctric en un conductor. Aquesta llei és la base de molts dispositius elèctrics, entre ells:
- Transformadors , que transfereixen energia elèctrica entre circuits a través d'inducció electromagnètica.
- Inductors , que emmagatzemen energia en un camp magnètic quan el corrent flueix a través d'ells.
- Generadors , que converteixen lenergia mecànica en energia elèctrica movent conductors a través dun camp magnètic.
Aquesta llei va ser descoberta per Michael Faraday el 1831. Joseph Henry va descobrir aquesta llei abans que Faraday en un estudi independent el 1830, però no va publicar aquest descobriment. Per tant, aquesta llei es diu llei de Faraday.
Fórmula
on:
- ? és la força electromotriu induïda (fem),
- Φ_B és el flux magnètic,
- És el moment.
Lleis elèctriques de Kirchhoff
Aquestes lleis es componen de dos principis fonamentals que expliquem a continuació:
Llei de corrent de Kirchhoff (llei del node)
La llei de corrent de Kirchhoff, també coneguda com a llei de nodes , es basa en la conservació de la càrrega elèctrica. Quan considerem un node en un circuit elèctric, aquest és un punt on es troben connectats diversos conductors.
Segons aquesta llei, la suma dels corrents que entren en un node ha de ser igual a la suma dels corrents que surten del node. En altres paraules, no hi pot haver acumulació de càrrega al node; la càrrega que hi entra ha de sortir.
Aquesta regla elèctrica s'expressa matemàticament de la manera següent:
on:
-
La suma dels corrents que entren en un node és igual a la suma dels corrents que en surten.
Això significa que si hi ha diversos corrents fluint cap a un node i diversos corrents fluint cap a fora, la suma total dels corrents que entren menys la suma total dels corrents que surten és igual a zero.
Si sumem tots els corrents que entren i surten, el total ha de ser zero.
Llei de tensió de Kirchhoff (llei de malla)
La llei de voltatge de Kirchhoff, o llei de malla , es basa en la conservació de l'energia en un circuit.
Aquesta llei elèctrica estableix que si es dibuixa un camí tancat (o malla) en un circuit, la suma de totes les caigudes de voltatge al llarg daquest camí ha de ser igual a la suma dels voltatges (fonts denergia) en el mateix camí.
En concret, la llei diu que:
- Quan passa a través d'un component que consumeix energia (com una resistència), la caiguda de voltatge es compta com a negativa.
- Quan passa a través d'una font de voltatge (com una bateria), el voltatge s'explica com a positiu.
Aleshores, si sumem totes les tensions en un camí tancat, obtenim zero:
on:
-
El voltatge total subministrat és igual a les caigudes de voltatge totals en un bucle tancat.
Aquest principi implica que l'energia total subministrada al circuit és igual a l'energia consumida.
És com si estiguessis viatjant al llarg d'una ruta: si comences i acabes al mateix lloc (com en una malla), les altituds totals (tensions) que puges han de ser iguals a les altures totals que baixes.
Llei de Gauss
La Llei de Gauss és un principi de l'electromagnetisme que descriu com el flux elèctric mitjançant una superfície tancada es relaciona amb la quantitat de càrrega elèctrica dins aquesta superfície.
En termes simples, aquesta llei estableix que si imagines una esfera o qualsevol forma tancada al voltant d'una càrrega elèctrica, el flux elèctric total que surt d'aquesta superfície és directament proporcional a la càrrega que hi està tancada.
La idea darrere aquesta llei elèctrica és que el flux elèctric representa quantes línies de camp elèctric passen a través de la superfície. Si hi ha més càrrega dins la superfície, hi haurà més línies de camp sortint-ne. Aquest principi s'aplica independentment de la forma de la superfície, sempre que romangui tancada.
Fórmula
on:
- I és el camp elèctric,
- dA és l'element de superfície diferencial,
- Q_enc és la càrrega tancada,
- ε₀ és la permitivitat de l'espai lliure.