Efectele curentului electric asupra mediului si a persoanei

Efectele curentului electric asupra persoanei
Curentul electric poate produce accidente uşoare sau grave, atunci când utilizarea instalaţiilor electrice se face necorespunzător sau dacă acestea sunt defecte.
Trecerea curentului electric prin organismul uman are efecte care depind de valorile intensităţii, de impedanţa pielii umane care diferă de la o persoană la alta.
Observaţie:
Curentul alternativ cu frecvenţa cuprinsă intre 40-50 Hz este foarte periculos.
Un curent cu intensitatea până la 10mA nu are efecte fiziologice de remarcat asupra majorităţii persoanelor.
Mărind intensitatea curentului electric incep să apară contracturi musculare, dificultăţi respiratorii, tulburări de ritm cardiac, dificultăţi de exprimare, etc.
La valori de 70-110mA în curent alternativ si 200-250mA în curent continuu survine stopul cardio-respirator şi apoi moartea.
Exista impresia falsă că un curent continuu este mai periculos decat unul alternativ cu aceeaşi tensiune deoarece ar putea produce contracturi musculare. În realitate curentul alternativ este mai periculos, deoarece poate determina tulburări de ritm cardiac.
Observaţie:
Curentul maxim admis să treacă prin organismul uman fara a-l pune în pericol este de 10mA in curent alternativ si 50mA în curent continuu.
Efectele curentului electric asupra organismului uman pot fi grupate în două categorii:
1. Electrocutări (şocuri electrice) – accidente provocate de trecerea prin corpul omenesc a unui curent electric de intensitate periculoasă

2. Electrotraumatisme – în care se încadrează celelalte accidente electrice, care produc de obicei vătămări externe şi anume:
*arsura electrică - este un traumatism datorat fie acţiunii unui arc electric fie datorită trecerii prin corp a unui curent electric de intensitate foarte mare;
-semnele electrice apar prin contactul conductorului electric cu pielea, sub formă de leziuni, umflături sau pete
-electrometalizarea constă în acoperirea unei părţi din suprafaţa pielii cu metal topit, volatilizat prin căldura arcului electric.
-electroftalmia vătămarea ochilor prin inflamarea corneei şi conjuctivei ochiului datorită luminii puternice (radiaţiei ultraviolete)
-leziunile mecanice provocate de contracţiile musculare (ruperea ligamentelor, pielii, vaselor sanguine şi ţesutului nervos, luxaţia încheieturii, fracturarea coastelor);
-căderea de la înălţime, ca urmare a pierderii echilibrului sau a cunoştiinţei în urma unui şoc electric.

Consecinţă: Trecera unui curent prin organismul uman poartă numele de electorcutare şi aceasta se poate produce la o tensiune mai mare de 24 V.

· Efectele curentului electric asupra mediului
Energia electrică în mare parte este consumată prin arderea combustibililor fosili. Aceasta are ca efect emisia CO2 care este eliberat în atmosferă. El contribuie la intensificarea efectului de seră si încălzirii globale. Deasemenea, se emit dioxid de sulf, dioxid de azot şi fum.
Principalele tipuri de poluări pe care reţelele electrice le generează asupra mediului înconjurător sunt:
· vizuală – deteriorarea peisajului;
· sonoră – zgomote produse de funcţionarea sau vibraţii ale elementelor (conductoarelor) reţelelor electrice şi în special, a transformatoarelor;
· electromagnetică: efecte sonore, perturbaţii radio şi ale emisiunilor de televiziune, influenţe ale câmpului electric şi magnetic asupra organismelor vii;
· psihică şi pericole (riscuri) de accidente;
· ecologică: ocuparea terenurilor, defrişarea pădurilor.
Efectele construirii hidrocentralelor duc la inundarea terenurilor, la dispariţia florei şi faunei.
Observaţie:
S-au constatat emisii semnificative de metan datorită descompunerii anaerobe a plantelor rămase sub ape.
Centralele mareomotrice pun şi ele probleme ecologice prin restricţionarea mişcării bancurilor de peşti şi a scoicilor.
Centralele nuclearo-electrice necesită depozitarea rezidurilor care rămân radioactive pentru încă câteva zeci sau sute de ani. Se încearcă varianta îngropării lor la adâncimi mari sub pământ şi chiar a eliberării în spaţiul extraterestru.
În ceea ce priveşte efectul asupra mediului, el este neglijabil până în momentul apariţiei unei catastrofe, precum cea de la Cernobâl.
Metodele care afectează cel mai puţin mediul au în general eficienţă mică. Este cazul panourilor solare şi al morilor de vânt.
Consecinţă: În ultima vreme se impune tot mai mult metoda numită Negawatt Power. Ea constă în eficientizarea consumatorilor electrici în loc de a mări producţia de electricitate. Este metoda care nu are nici un efect negativ asupra mediului.
· Protectie
În afară de protejarea circuitelor şi a instalaţiilor electrice din laboratoarele şcolare şi din locuinţele noastre trebuie respectate reguli de protecţie a propriei persoane în timpul utilizării dispozitivelor şi a circuitelor electrice.
Norme de protecţie:
- Nu umblaţi la tabloul electric pentru a face legături. El nu trebuie atins după ce a fost pus sub tensiune!
- Orice modificare în circuitul electric pe care îl studiaţi trebuie făcută numai după ce aţi deconectat sursa de alimentare!
- Evitaţi atingerea părţilor metalice ale montajelor aflate sub tensiune pentru a vă feri de electrocutare datorată scurcircuitelor provocate de conductori cu izolaţia defectă!
- La cel mai mic semn de funcţionare defectuoasă a circuitului electric cu care lucraţi (zgomot nespecific, miros, încălzire nejustificată, etc) întrerupeţi alimentarea prin deconectrea de la sursă!
- În caz de electrocutare aplicaţi instrucţiunile de prim-ajutor!
- Menţineţi instalaţiile electrice în perfectă stare de funcţionare. Carcasele de protecţie să nu fie deteriorizate; izolaţiile conductoarelor să nu fie distruse.
- Lucrările de verificare a instalaţiilor şi de remediere a defectelor se realizează numai după ce s-a întrerupt alimentarea cu energie electrică a acestora. La lucrările de remediere se vor folosi unelte adecvate şi nu improvizaţii.
- Pentru aparatele electrocasnice cu carcasă metalică (frigider, maşină de spălat, etc) se utilizează numai prize cu contact de protecţie.
- Prizele cu contact de protecţie asigură racordarea maşinilor şi instalaţiilor la priza de legare la pământ. În cazul unei defecţiuni, curentul va trece prin circuitul de împamantare, evitându-se producerea unei electrocutări.

Circuit R-L-C paralel

Gruparea elementelor R, L, C în aşa fel încât tensiunea la bornele lor să fie comună iar curenţii să fie rezultatul ramificării curentului debitat de sursa de curent alternativ, formează circuitul paralel.


Intensităţile curenţilor prin fiecare ramură au expresiile următoare:


Aplicând teorema lui Pitagora în triunghiul curenţilor, se obţine: I2 = IR2 + (IC-IL)2, de unde:


Făcând notaţia
legea lui Ohm este:
Defazajul curentului faţă de tensiune este dat de relaţiile următoare:


Rezonanţa curenţilor

Dacă în circuit, curentul prin bobină este egal cu cel prin condensator rezultă:

Circuit R-L-C serie

Gruparea unor elemente rezistive, inductive şi capacitive încât curentul electric să fie unic şi cu aceeaşi valoare, constituie circuitul R-L-C serie de curent alternativ.


La bornele fiecărui element de circuit se va regăsi câte o tensiune corespunzătoare, conform legii lui Ohm:

UR = RI, UL = XLI, UC = XCI, unde XL = Lw, XC = 1/Cw

Din reprezentarea fazorială a celor trei tensiuni, defazate corespunzător fiecărui element de circuit, rezultă că există o defazare j0 dintre tensiunea aplicată U şi intensitatea I a curentului electric:



Aplicând formula lui Pitagora în triunghiul tensiunilor, se obţine:
U2 = UR2 + (UL - UC)2
sau:

Facem notaţia:

, care se numeşte impedanţă a circuitului R-L-C serie.

Cu notaţiile de mai sus se poate scrie legea lui Ohm în curent alternativ: U = ZI

Rezonanţa tensiunilor

Dacă în funcţionarea circuitului R-L-C serie se realizează condiţia: UL = UC rezultă:

XL = XC, impedanţa Z = R (minim), curentul Irez = U/R (maxim), defazajul tgj0=0

Circuitul se comportă rezistiv, prin el circulând un curent electric maxim, spunându-se că circuitul este în rezonanţă cu sursa de curent. Condiţia pentru a se realiza rezonanţa este impusă de egalitatea XL = XC,de unde:


Astfel,
Transferul de energie de la sursă la circuitul R-L-C se va face în regim de rezonanţă numai dacă frecvenţa curentului alternativ este egală cu frecvenţa proprie n0 a circuitului, care depinde de elementele L şi C.

Puterea pe circuitul R-L-C serie


Dacă laturile triunghiului tensiunilor se amplifică cu intensitatea I a curen-tului, se obţine un triunghi asemenea cu cel iniţial, dar având ca laturi valori ale unor puteri:

Factorul de putere se defineşte prin relaţiile următoare:


care depinde de elementele R, L, C şi frecvenţa n a curentului alternativ.

Condensator in curent alternativ

După cum se cunoaşte, între armăturile unui condensator este un strat izolator numit dielectric, ce nu permite trecerea curentului electric prin el. Într-un circuit de curent alternativ, condensatorul are o comportarea diferită, deoarece el se încarcă şi se descarcă electric periodic, determinând prezenţa unui curent electric prin circuitul exterior lui. Dacă tensiunea aplicată condensatorului are expresia următoare:

u=Umsinwt

atunci, curentul de încărcare şi descărcare al condensatorului este:

unde q este sarcina electrică variabilă de pe armăturile condensatorului.

Ţinând cont că sarcina este: q=Cu, rezultă q=C Um sinwt, iar intensitatea este i=Cw Um coswt sau:




Se face notaţia:

, numită reactanţă capacitivă.

Se constată că intensitatea curentului electric printr-un circuit cu condensator este defazată cu p/2 înaintea tensiunii sau că tensiunea la bornele condensatorului este în urma curentului cu p/2.

Din cele prezentate mai sus, rezultă că atât bobina cât şi condensatorul se comportă, în curent alternativ, ca şi rezistorul, numai că ele introduc defazaje între tensiune şi intensitate cu +p/2 respectiv -p/2 .

Bobina in curent alternativ

La aplicarea unei tensiuni alternative la bornele unei bobine, fenomenul este mai complicat datorită faptului că un curent variabil prin bobină produce fenomenul de autoinducţie, cu tensiunea autoindusă:

Considerând un circuit care conţine o bobină ideală, fără rezistenţă, la bornele căreia se aplică o tensiune alternativă de forma: u=Umsinwt

aplicând legea lui Kirchhoff pe ochiul de reţea, rezultă: u + u' = 0.

Înlocuind expresiile celor două tensiuni, se obţine următoarea relaţie:


Considerând că intensitatea curentului electric este de formă armonică: i=Imsin(wt+j0)

înlocuind în relaţia tensiunilor, se obţine următoarea ecuaţie: Umsinwt = ImLocos(wt+j0)
Din această relaţie rezultă că:

unde s-a făcut notaţia: XL = Lw

Această mărime se numeşte reactanţa inductivă a bobinei. Cu acestea, expresia intensităţii curentului electric prin bobină devine:


de unde se trage concluzia că intensitatea curentului electric prin bobină este defazată cu p/2 în urma tensiunii.

Rezistor in curent alternativ

Dacă la bornele unui rezistor R se aplică o tensiune alternativă de tipul:

u=Um sinwt


prin acesta va circula un curent electric a cărui intensitate este obţinută prin legea lui Ohm: i = u / R sau


de unde: i=Im sinwt

Din expresia tensiunii şi intensităţii curentului electric prin rezistor, rezultă că intensitatea curentului este în fază cu tensiunea la bornele acestuia.

Legile lui Kirchhoff

În tehnica modernă se utilizează circuite electrice mult mai complicate, cu multe ramificaţii, numite reţele electrice, ce au următoarele elemente:

-nodurile reprezintă puncte din reţea în care se întâlnesc cel puţin trei curenţi electrici;
-ramurile de reţea sunt porţiuni din reţeaua electrică cuprinse între două noduri succesive;
-ochiurile de reţea sunt contururi poligonale închise, formate dintr-o succesiune de rezistori şi surse.


Prima lege a lui Kirchhoff este o expresie a conservării sarcinii electrice într-un nod al unei reţele electrice. Este evident că sarcina electrică totală ce pătrunde într-un nod de reţea trebuie să fie egală cu sarcina electrică ce părăseşte acel nod:
Q1+Q2=Q3+Q4
Mişcarea sarcinilor electrice efectuându-se în acelaşi timp, se poate scrie:
I1+I2=I3+I4
I1+I2 - I3- I4= 0

sau

Suma algebrică a intensităţilor curenţilor electrici care se întâlnesc într-un nod de reţea este egală cu zero.



A doua lege a lui Kirchhoff se referă la ochiuri de reţea şi afirmă că:

suma algebrică a tensiunilor electromotoare dintr-un ochi de reţea, este egală cu suma algebrică a căderilor de tensiune pe rezistorii din acel ochi de reţea




Pentru scrierea ecuaţiei se alege un sens de referinţă şi se consideră pozitive tensiunile care au acelaşi sens cu cel de referinţă, la fel şi pentru intensităţile curenţilor:

E1+E2-E3-E4 = R1I1-R2I2-R3I3-R4I3+R5I4