L'energia elèctrica és d'alguna manera la base de la forma de vida occidental. Cada cop més, la imbricació de l'energia elèctrica en les nostres vides és més profunda, i no solament en l'àmbit domèstic, sinó també en l'industrial i el col·lectiu. Aparells domèstics, maquinàries i mitjans de transport públics, i recentment també privats, basen el funcionament en l'electricitat com a fenomen físic.

L'electricitat segueix una sèrie de lleis físiques per mitjà de les quals ha estat possible desenvolupar, al llarg de la història, un conjunt de dispositius que han permès a la humanitat aprofitar el consum d'aquesta forma d'energia.

L'electricitat és essencialment el moviment d'electrons entre els àtoms d'un o diversos materials.

Els generadors poden produir aquest moviment d'electrons tot aprofitant certs fenòmens físics. Les diferents maneres de produir electricitat es classifiquen d'acord amb aquests fenòmens físics. Així, es pot generar electricitat mitjançant els elements següents:

• Reaccions químiques
• Pressió mecànica
• Llum
• Calor
• Acció magnètica

Si agafeu un recipient de vidre amb aigua i unes gotes d'àcid sulfúric, i introduïu una barra de coure i una altra barra de zenc a dins d'aquesta dissolució (vegeu la figura 1) podreu observar que hi ha una diferència de potencial entre les dues barres. Les aplicacions pràctiques d'aquest tipus de reacció són les piles, les bateries o els acumuladors, ja prou coneguts, juntament amb les diferents aplicacions que tenen.

Figura 1. Pila

L'àcid sulfúric dissol les barres de coure i de zenc tot fent passar els seus àtoms a la dissolució. La barra de zenc cedeix àtoms a la dissolució i deixa una gran quantitat dels electrons a la mateixa barra. A la barra de coure passa una cosa similar, tot i que en aquesta barra s'acumulen molts menys electrons. El resultat és que la barra de zenc és molt menys negativa que la barra de coure, fet que fa aparèixer una diferència de càrregues o tensió elèctrica entre totes dues barres.

Mentre hi ha material actiu i les barres poden cedir àtoms a la dissolució, la reacció continua activa. D'aquesta manera, deixarà de ser útil quan s'esgotin els materials.

També hi ha acumuladors o bateries recarregables. Per recarregar-los, només cal fer-hi passar un corrent elèctric.

Hi ha certs materials, com els cristalls de quars, que en ser sotmesos a pressió entre les seves cares fan aparèixer una diferència de potencial (vegeu la figura 2). D'això se'n diu efecte piezoelèctric.

Figura 2. Piezoelectricitat

.

Alguns materials tenen la propietat de generar una diferència de potencial quan hi incideix la llum (vegeu la figura 3). L'energia que es genera d'aquesta manera rep el nom d'energia fotovoltaica.

Figura 3. Energia fotovoltaica

Quan l'energia lluminosa incideix en el material semiconductor de la cèl·lula fotovoltaica provoca l'alliberament d'electrons de les últimes òrbites dels àtoms, cosa que provoca una diferència de potencial.

Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894)

L'energia fotovoltaica és una energia en línia ascendent d'instal·lacions, el rendiment de la qual és cada cop millor.

La conversió directa de l'energia radiant en electricitat per mitjà de cèl·lules fotovoltaiques rep el nom de conversió fotovoltaica.

Alguns cossos tenen propietats termoelèctriques. Amb aquests cossos es pot produir el que s'entén com a parells tèrmics de dos materials junts. En ser escalfats, es produeix una petita diferència de tensió entre els seus extrems (vegeu la figura 4).

Figura 4. Energia termoelèctrica

Aquests materials són de gran utilitat en sistemes de termòmetres gràcies a la robustesa i la facilitat de construcció que presenten.

Thomas Johann Seebeck (1770-1831)

La generació d'electricitat per acció magnètica és la més usual a gran escala. Només cal pensar que totes les centrals elèctriques funcionen amb aquest sistema (vegeu la figura 5): un bobinatge conductor gira immers a l'interior d'un camp magnètic uniforme. En funció de la velocitat de gir del bobinatge, s'indueix un corrent variable.

Figura 5. Generació d'electricitat per acció magnètica

En totes les grans centrals, la manera de produir energia, sia hidràulica, tèrmica, nuclear, eòlica o d'un altre tipus, al final de la cadena té una dinamo o un alternador, que és el que pròpiament genera l'energia elèctrica.

Figura 6. Generació, transport i distribució d'electricitat

Si fem un petit resum de tot el sistema de generació, transformació, transport i consum de l'energia elèctrica (vegeu la figura 6) es pot dir el següent:

• L'energia primària pot ser hidràulica, eòlica, tèrmica, nuclear o qualsevol tipus d'energia capaç de fer moure un generador, sia una dinamo o un alternador.
• La dinamo o l'alternador transforma l'energia mecànica en energia elèctrica. Per poder-la transportar s'eleva a una tensió més alta i passa per les línies de transport.
• En el lloc de consum es torna a reduir perquè entri a la xarxa de consum. Aquesta tensió s'anomena mitjana o baixa. A dins de la xarxa de consum es torna a transformar en energia mecànica, en energia calorífica o en el tipus d'energia que el consumidor necessiti.

Els efectes de l'electricitat poden ser de naturalesa molt diversa. Els principals són els següents:

• Magnètics: un corrent elèctric pot generar un camp magnètic, i a l'inrevés. Aquest efecte és útil per crear electroimants i qualsevol dispositiu que hi estigui basat, com ara els relés o els contactors.
• Mecànics: aquest efecte es basa, de fet, en l'efecte magnètic. Es refereix a l'aplicació de sistemes de creació de moviment a partir de l'electricitat, com ara els motors.
• Químics: es tracta dels efectes referits a l'electròlisi, efecte en què es basa la fabricació de piles, bateries i acumuladors.
• Lumínics: hi ha diferents procediments per crear llum a partir d'electricitat i les seves aplicacions són múltiples.
• Tèrmics: són els efectes relatius a la generació de calor o de fred a partir de l'electricitat.

En una instal·lació elèctrica es fa ús dels materials conductors en els llocs on es vol fer circular el corrent elèctric. Paral·lelament, es fa ús dels aïllants en els llocs on no es vol que circuli cap corrent elèctric. El conjunt que formen rep el nom de circuit elèctric.

Un cable elèctric està format per una part conductora, a l'interior, i una part aïllant, a l'exterior: la part conductora està formada per coure o alumini, mentre que la part aïllant acostuma a ser un recobriment derivat del plàstic.

Els metalls, en general, són bons conductors. Els materials com el platí o la plata són conductors excel·lents, però atès l'elevat preu que tenen en el mercat no s'utilitzen de manera massiva. El coure és el metall més habitual en tota classe de sistemes elèctrics. Excepte en alguns connectors, l'or s'utilitza molt poc atès l'elevat preu que té en el mercat.

L'alumini, tot i que no és tan bon conductor, posseeix una lleugeresa que fa que sigui emprat en el transport d'energia elèctrica. En canvi, l'estany és massa tou i només s'utilitza com a element d'unió –en les soldadures– de conductors de coure. El ferro i el plom també es fan servir per a algunes aplicacions, però no en el cas de les línies elèctriques.

El mercuri, en ser líquid, només es fa servir en interruptors basculants contingut a dins d'ampolles de vidre.

Hi ha altres conductors que, tot i no ser tan bons, tenen aplicacions molt específiques.

El buit potser és el millor aïllant i principalment s'utilitza en els interruptors de mitjana tensió (tancats en cambres de buit). Una terrissa molt fina composta per feldspat i caolí, la porcellana, també és un aïllant excel·lent. De fet, però, el que la fa molt interessant és l'elevada temperatura que pot suportar. S'utilitza per a la subjecció de resistències en els forns o en altres llocs en què la temperatura és elevada.

Els suports dels cables amb la torre metàl·lica dels pals o torres de mitjana o alta tensió que hi ha a camp obert són de porcellana o de vidre. La part aïllant dels portalàmpades sovint també és de porcellana.

El cautxú s'utilitza com a aïllant de cables conductors i el vernís serveix per recobrir aquests cables quan se n'han de fer bobines. El vidre és un aïllant que moltes vegades, juntament amb la porcellana, s'utilitza per fer aïlladors.

També hi ha materials que es comporten, depenent de les circumstàncies, com a conductors o com a aïllants. Es tracta dels semiconductors, com ara el silici o el germani. El funcionament és relativament complex. Es pot dir, però, que es tracta de materials que en el zero absolut són aïllants i que, a mesura que augmenta la temperatura, la resistència disminueix.

Els materials estan formats bàsicament per molècules, que constitueixen la part més petita possible que posseeix totes les característiques i les propietats físiques i químiques de la matèria original.

Les molècules estan formades per àtoms. Els àtoms estan formats pel nucli i l'escorça. En el nucli, juntament amb els neutrons, que no aporten càrrega elèctrica, hi ha les partícules de càrrega positiva, els protons. En l'escorça, en el que s'anomenen òrbites electròniques giren a gran velocitat unes partícules de càrrega negativa, denominades electrons. Com que les càrregues elèctriques de signe contrari s'atreuen, els electrons suren a curta distància, sense escapar, del nucli.

Figura 7. Estructura de l'àtom

Quan un àtom té tants protons en el seu nucli com electrons en la la seva escorça, es considera que és elèctricament neutre.

Els electrons giren a gran velocitat a l'entorn del nucli i la força d'atracció fa que no se'n separin. A vegades, però, aquesta unió es pot trencar i, consegüentment, l'electró s'escapa de l'àtom al qual pertany. Aleshores l'àtom passa a tenir càrrega positiva, ja que té un protó de més (vegeu la figura 8).

Figura 8. Àtom carregat positivament

L'electró alliberat de l'àtom anterior es pot unir a un altre àtom que, si inicialment era neutre, aleshores passa a tenir càrrega negativa, ha guanyat un electró de més (vegeu la figura 9).

Figura 9. Àtom carregat negativament

Tots els cossos tendeixen a neutralitzar-se elèctricament. Així, un cos carregat negativament tendeix a cedir el seu excés d'electrons, mentre que un cos carregat positivament tendeix a neutralitzar-se capturant electrons d'àtoms que en tenen en excés. Aquest trànsit d'electrons entre cossos carregats constitueix el corrent elèctric.

Evidentment, als electrons lliures els costa més moure's per mitjà de certs materials que no pas per mitjà d'altres, fet en el qual es basa la classificació que es fa dels materials en aïllants i conductors. Pel que fa als conductors, hi haurà corrent elèctric sempre que hi hagi el següent:

• En un extrem: un terminal que accepti electrons perquè en té menys (té càrrega positiva).
• En un altre extrem: un terminal que cedeixi electrons perquè en té de més (té càrrega negativa).

En termes de tensió elèctrica entre dos punts, té una certa lògica pensar que com més gran és la tensió elèctrica, més electrons per unitat de temps passaran d'un punt a l'altre un cop es tanqui el circuit amb un conductor. Efectivament és així, i aquest flux de càrregues per unitat de temps rep el nom d'intensitat de corrent elèctric.

André-Marie Ampère (1775-1836)

Si es posen en contacte dos punts, l'un carregat positivament i l'altre carregat negativament, mitjançant un conductor, passarà el següent: els electrons que calguin viatjaran pel conductor d'un punt a l'altre fins que el conjunt sencer quedi elèctricament equilibrat i en repòs.

Aleshores el problema passa a ser mantenir el corrent elèctric, és a dir, el moviment d'electrons a través del conductor. Es necessita un element que aporti energia per mantenir els terminals desequilibrats pel que fa a llur càrrega elèctrica. Aquest element és el generador. El generador exerceix una força electromotriu que manté el desequilibri de càrregues que permet el pas de corrent pel conductor.

En els terminals del generador, la força electromotriu queda patent en forma de tensió elèctrica o diferència de potencial.

Si es tanca el circuit entre els terminals del generador, la diferència de potencial farà circular un corrent elèctric. Simultàniament, la força electromotriu tendirà a mantenir la tensió entre els terminals del generador, cosa que farà que, en la mesura que sigui possible, continuï el flux de corrent elèctric.

Alessandro Volta (1745-1827)

El fenomen físic real en què es basa l'electricitat és el moviment d'electrons. Segons el signe de la càrrega elèctrica i tenint en compte que les càrregues són repel·lides pel seu mateix signe, es diu que el flux d'electrons físicament viatja del pol negatiu al positiu.

Inicialment els científics ignoraven que les partícules mòbils que desplaçaven la càrrega elèctrica eren els electrons, amb càrrega negativa, i van cometre l'error de considerar que el flux de moviment de càrregues era netament positiu.

Aquesta definició ha quedat com a conveni global per considerar el signe del corrent elèctric, tot i que físicament la cosa va a l'inrevés (vegeu la figura 10).

Figura 10. Sentit convencional del corrent elèctric

A la part de dalt de la figura 10 es veu el que es creia que passava dins d'un conductor. A la part de baix es veu el que realment hi passa, amb el sentit que matemàticament es considera que té el corrent elèctric.

En termes generals, un circuit elèctric és un camí fet per al corrent elèctric. En aquest camí hi pot haver tot tipus d'elements que facin que el corrent elèctric quedi modificat d'alguna manera (vegeu la figura11).

Els elements que es poden connectar en un circuit són de qualsevol tipus:

• Resistències
• Condensadors
• Bobines
• Generadors
• Dispositius semiconductors
• Dispositius electromecànics
• Transductors
• Altres

Figura 11. Circuit elèctric

La figura 11 mostra l'aspecte d'un esquema de circuit qualsevol, en què es poden identificar les diferents parts d'un circuit:

• Generadors o fonts: són els elements que aporten energia al circuit perquè funcioni correctament. Poden ser fonts de tensió (força electromagnètica) o de corrent.
• Elements de circuit: són tota la resta de components específicament situats en el circuit que no siguin fonts.
• Conductors o pistes: són els fils o les peces de material conductor que uneixen elèctricament els terminals dels diferents components del circuit, segons calgui. Idealment es considera que tenen una resistència igual a zero.
• Node: punt del circuit en què conflueixen dos o més conductors diferents. Si entre dos nodes no hi ha cap diferència de potencial, es considera que són el mateix node (en la figura 11 això passa entre els nodes A i C).
• Malla: és el camí tancat en l'interior del circuit (en la figura 11, per exemple, el camí que circula pels nodes B, C i D és una malla).

Un corrent continu es caracteritza pel fet que els electrons sempre viatgen en el mateix sentit (vegeu la figura 12). A més, en general es dóna per fet que el seu valor no varia, sinó que roman constant al llarg del temps.

Figura 12. Corrent continu

Un corrent altern es caracteritza pel fet que els electrons no circulen sempre en el mateix sentit. És a dir, canvien de sentit en l'interior del conductor a causa de la manera com es genera el corrent. Matemàticament, això s'expressa amb el canvi de signe del corrent, com es mostra gràficament en la figura 13.

Figura 13. Corrent altern

El sistema internacional d'unitats (SI) no és més que l'evolució del que tothom coneix com a sistema mètric decimal, que expressa les magnituds en unitats agrupables en desenes o divisibles en 10 parts. Actualment, és d'ús obligatori i habitual en la major part de països del món (només els països anglosaxons encara acostumen a expressar magnituds amb altres sistemes). La taula 1 recull les unitats de l'electricitat en el sistema internacional

Taula 1. Unitats del SI per a electricitat

L'estructura interna dels materials pot afavorir més o menys el pas d'un corrent elèctric. Això és degut al fet que hi ha materials que alliberen els seus electrons exteriors amb molta facilitat (conductors) i d'altres als quals els costa molt fer-ho (aïllants). Aquesta característica dels cossos rep el nom de resistència. Com més bon conductor és el material més baixa és la resistència i com més bon aïllant és el material més alta és aquesta magnitud.

Georg Ohm 1789-1854)