Corrent continu

En el seu nom tenim la seva descripció, l’electricitat flueix de forma continua des del seu punt de generació al seu punt de consum, també podríem dir de la tensió en el temps V(t) és constant en un mateix sentit, que és el mateix que dir que si dibuixem una gràfica amb tensió (V) i Temps (T) sortiria una línia recta en una direcció. Tenim un flux d’electrons fix en el temps.

La història de la corrent elèctrica comença començà amb la corrent continua amb la primera pila d’Alessandro Volta. La corrent continua va anar essent substituïda per la corrent alterna a principis del segle XX, en l’actualitat la corrent alterna s’utilitza en electrònica i per la transmissió mitjançant cables submarins, encara que tenim dispositius com les piles elèctriques o les centrals fotovoltaiques que generen corrent continua en la generació d’energia elèctrica.

La CC (corrent continua) com la CA (corrent alterna) és regeixen per la llei de ohm i les lleis de Kirchhoff

La llei d’ohm diu que la intensitat del corrent que circula entre dos punts d’un circuit elèctric és proporcional a la tensió elèctrica entre aquests punts. Aquesta constant és la conductància elèctrica, que és la inversa de la resistència elèctrica. Dit en altres paraules, diu que el corrent que travessa un circuit elèctric és directament proporcional a la diferència de potencial que hi ha entre els seus extrems i inversament proporcional a la resistència del circuit.

La formula seria:

I = V / R   o   I = V x G

I: és la corrent elèctrica que passa per un objecte, en el nostre cas un cable. El seves unitats són Ampers.

V: és la diferència de potencial entre els terminals. El seves unitats són Volts.

R: resistència que es mesura en ohms.

G: Conductància que es mesura en Siemens, i és la inversa de la resistència.

 

La diferència de potencial seria la pressió que exerceix una font elèctrica sobre els elèctrons en un circuit tancat, així establim una circulació de corrent elèctrica. Quan parlem de corrent elèctrica en general parlem d’una diferencia de potencial entre dos punts, un exemple per relacionar-ho seria dos dipòsits a diferent cota plens units per un circuit tancat d’anada i tornada, per moure l’aigua hauríem d’exercir una pressió, la pressió s’exerceix en un punt concret.

L’aplicació d’aquesta formula es aplicable en circuits resistius de forma directa.

La resistència elèctrica és la representació de la oposició que tenen els electrons per seguir el seu camí. Compleix l’efecte Joule o Llei de Joule, que ens diu que els electrons que circula per un conductor transformen una part de la seva energia cinètica en calor, degut al xocs que pateixen amb els àtoms del conductor. Per calcular l’energia dissipada es fa de la següent manera:

E = V I t = I2 R t

E : Energia (joules)

En el cas de corrent continu com no tenim variació en el temps la formula queda:

E = V I  = I2 R

On la resistència d’un cable la podem calcular amb la formula:

R = ρ l/s

ρ : resistivitat del material o coeficient de proporcionalitat

l : longitud (m)

s : secció (m2)

La resistència depèn directament de la resistivitat del material, a més de ser directament proporcional a la seva longitud (a més longitud més resistència) e inversament proporcional a la secció del material (a més secció menys resistència).

La resistència en corrent continu té un comportament ideal, on tota l’energia dissipada o fa mitjançant calor per efecte Joule.

Aquí exposem diferents resistivitats d’alguns materials força emprats en el mon actual (en 20 °C – 25 °C) (Ω·m):

Argent 1,55 x 10-8
Coure 1,71 x 10-8
Or 2,35 x 10-8
Alumini 2,82 x 10-8
Wolframio 5,65 x 10-8
Níquel 6,40 x 10-8
Ferro 9,71 x 10-8
Platí 10,60 x 10-8
Estany 11,50 x 10-8
Acer inoxidable 72,00 x 10-8
Grafit 60,00 x 10-8

En transport elèctric una major resistència implica unes majors pèrdues de energia, però per contra per reduir la resistència necessitem cables amb seccions més grans i més cars. Per tant s’arriba uns compromisos costos/pèrdues, i la legislació indica uns màxims de caigudes de tensió entre punts.

La resistència d’un material també es veu modificada per la temperatura, en la majoria de materials metàl·lics quan la temperatura puja la seva resistència puja, en altres elements com el grafit (format per Carboni) disminueix. Tenim el cas dels superconductors que no oposen resistència al flux de corrent elèctric, però són característiques d’alguns materials ceràmics i metàl·lics a baixa temperatura.

La resistivitat dels materials que tenim normalment són a 20 °C, que seria la temperatura ambient, però la temperatura modificarà el valor, pujant la resistència normalment quan puja la temperatura i baixant quan baixi la temperatura. Aquestes temperatures variaran tant per la temperatura ambiental de l’exterior com pel propi calor generat al circular els elèctrons pel material. Tenim una formula matemàtica que ens expressarà aquesta variació:

R = R20º (1 + α (T – 20))

α: és el coeficient de temperatura, és una propietat que no depèn de la quantitat o mida del material i quantifica la variació de les seves propietats físiques respecte la temperatura.

Els coeficients de temperatura en els materials més utilitzat són:

Coure  α = 0,0038

Alumini  α = 0,0043

Argent  α = 0,0061

 

Les lleis de Kirchhoff ens permeten conèixer o esbrinar la corrent que circula i la tensió en qualsevol part del circuit. Les dues lleis de Kirchhoff estableixen dos igualtats.

La llei de nodes o primera llei de Kirchhoff estableix que la suma de totes les corrents que entren en un node (punt d’unió de diferents terminals elèctrics) és 0. També podem definir-ho com la suma de corrents entrant és igual a la suma de corrents sortint.

I1 + I2 +I3 + ….. + In = 0     ;

Aquí tenim l’aplicació del principi de conservació de la càrrega, al no tenir creació o destrucció de càrrega elèctrica.

La llei de malles o segona llei de Kirchhoff estableix que la suma de totes les caigudes de tensió són iguals a la tensió subministrada. També podem definir-ho com la suma de diferències de potencial elèctric en un malla és igual 0.

V1 + V2 + V3 + …… +Vn = 0   ;

Les lleis de Kirchhoff i la llei d’ohm ens permetent realitzar l’anàlisi de qualsevol circuit resistiu amb una o més fonts, i el circuits pot tenir una disposició en sèrie, en paral·lel o mixtes paral·lels-sèrie.

La corrent continu en generació elèctrica ens les trobarem, excepte excepcions, en les bateries, les piles i les dinamos, normalment lligats a sistemes de generació en continu com són els panells fotovoltaics, alguns casos de generadors eòlics (normalment funcionen en corrent altern) o sistemes relacionats en l’emmagatzematge d’electricitat. En aplicacions d’electricitat són més normals per les excitatrius de les màquines elèctriques o temes de control de sistemes elèctrics.

En el transport, la tecnologia de transmissió és diu HVDC (high-voltage, direct current), la seva utilització està en l’àmbit del transport subterrani marítim de distàncies per sobre dels 50 Km, cables soterrats d’alt voltatge o per connectar sistemes que tenen diferents freqüències, com passaria en les connexions Europa a 50 Hz i EEUU a 60 Hz. El HVDC actualment s’imposa a la transmissió en corrent alterna en llargues distàncies, més de 600 quilometres aproximadament, on la relació costos de construcció respecte les pèrdues per transmissió guanya HVDC respecte a la corrent alterna. A Catalunya tenim la instal·lació que passa la MAT (Molt Alta Tensió) entre França i Catalunya per sota dels Pirineus que utilitza questa tecnologia, l’altre sistema existent a Espanya és la connexió entre la península i balears. Destaca que aquesta tecnologia s’ha desenvolupat gracies a desenvolupament de l’electrònica de potencia, els tiristors serien l’estrella.

L’última magnitud a definir és la potencia elèctrica, que és la relació del flux d’energia, en el nostre cas elèctrica,  per unitat de temps. Es l’energia consumida o entregada per un aparell en un temps determinat, o dit d’una forma més formal la potencia és la quantitat de treball efectuat per unitat de temps. Les seva unitat és el watt. En corrent continua es el producte de la diferencia de potencials entre dos punts i la intensitat de corrent que passa per l’aparell o dispositiu. La potencia és proporcional a la corrent i la tensió.

P = R · I2 = V2 / R

La potencia elèctrica s’aplica en totes les formes d’energia, ja sigui mecànica, calorífica o hidràulica, d’entre d’altres.