Electricitat i magnetisme

L'electricitat

Fa a penes poc més d’un segle que l’ésser humà ha après a servir-se de l’energia elèctrica. Però l’electricitat és un fenomen físic conegut ja des de l’antiguitat, encara que no existia cap teoria científica que n’expliqués la naturalesa i, per això, no se sabia com emprar-la ni com emmagatzemar-la i transmetre-la a distància.

Càrregues elèctriques i força elèctrica

Les primeres observacions de fenòmens elèctrics van ser possibles gràcies a l’electricitat de fregament. Es va observar que, després de fregar un vidre o un tros de plàstic amb un drap de llana, aquests materials atreien amb facilitat petits bocins de paper, pols i altres corpuscles. Aquest fenomen ja era conegut dels grecs, que el van anomenar triboelectricitat, perquè en grec tribein significa ‘fregar’ i electron és el nom amb què es designava l’ambre, una resina vegetal d’origen fòssil. La triboelectricitat s’explica avui dient que alguns cossos tenen la facilitat d’acumular quantitats fàcilment detectables d’electricitat estàtica.

En la vida quotidiana també és corrent observar els efectes de l’electricitat estàtica, més evidents que en el passat a causa de l’ús més difós d’objectes de plàstic i d’altres materials sintètics que caracteritza la vida moderna. Per exemple, segurament heu observat que, en treure-vos una camisa, una samarreta o una altra peça de roba sintètica en la foscor o la penombra, salten espurnes minúscules que crepiten amb un crec-crec característic. Quan caminem per un terra amb moqueta o rajoles de goma és fàcil que se’ns acumuli electricitat estàtica al cos, produïda pel fregament entre les sabates i el terra. De vegades, en tocar un objecte metàl·lic, com el pom d’una porta, o fins i tot, més rarament, una altra persona, podem notar una petita descàrrega.

Fent experiments amb materials diversos, com poden ser baquetes de vidre o de goma dura, draps de llana o peces de metall, s’observa que els objectes electritzats unes vegades s’atreuen i d’altres es repel·leixen. Aquests fenòmens s’interpreten establint l’existència de dues menes d’electricitat, que anomenem respectivament positiva i negativa. Així, dos objectes que tenen la mateixa mena d’electricitat es repel·leixen, mentre que dos objectes que tenen electricitat diferent s’atreuen. Quan un objecte està electritzat diem que posseeix una càrrega elèctrica.

Per a estudiar les lleis que regulen l’atracció o la repulsió entre cossos dotats de càrrega elèctrica cal emprar un instrument molt sensible anomenat balança de torsió. Amb aquest instrument s’ha observat que la força entre dues càrregues q1 i q2, separades per una distància r disminueix amb el quadrat de la distància i és proporcional a les mateixes càrregues segons la relació:

on k és una constant. Aquesta llei és anàloga a la de la gravitació newtoniana, en què la força disminueix també amb el quadrat de la distància. La diferència és que ara la força, anomenada electrostàtica, pot ser atractiva o repulsiva segons els signes que tinguin les càrregues elèctriques.

La unitat de mesura de la càrrega elèctrica s’anomena coulomb, en honor al físic francès del segle XVIII Charles Augustin de Coulomb, que estudià aquests fenòmens i establí els fonaments de la teoria electrostàtica i el magnetisme. El coulomb, que és la unitat de quantitat d’electricitat o càrrega elèctrica, es defineix com la càrrega que, posada a un metre de distància d’una altra càrrega del mateix valor, produeix una força d’atracció o de repulsió igual a 93109 newtons. Es tracta d’una força immensa, aproximadament igual a la força pes d’una massa d’un milió de tones.

La càrrega elemental

Dues càrregues elèctriques separades per una distància r exerceixen una força recíproca donada per la llei de Coulomb; quan les càrregues són del mateix signe la força és repulsiva, i és atractiva quan són de signe oposat.

ECSA

Acabem de veure que el coulomb és una càrrega a la qual correspon una força molt gran. Ens preguntem ara quina és la càrrega elèctrica més petita. Si ens féssim la mateixa pregunta a propòsit d’altres magnituds, per exemple l’espai i el temps, conclouríem que és impossible contestar-la, ja que els intervals d’espai o de temps, per més petits que siguin, poden ser ulteriorment dividits, almenys en principi. Precisament per aquesta característica diem que l’espai i el temps són magnituds contínues. En canvi, els experiments han demostrat que existeix una càrrega elèctrica fonamental, que és indivisible. Aquesta càrrega correspon a la de l’electró i del protó, i val 1,6310-19 coulombs, és a dir, calen 16 trilions d’aquestes càrregues petitíssimes per a assolir la càrrega d’un coulomb. Per convenció històrica es considera que la càrrega de l’electró és negativa, mentre que la del protó és positiva. Quan les càrregues són prou intenses per a ser mesurades en coulombs, és difícil notar la presència o l’absència d’un electró. Per això la càrrega ens sembla una magnitud que varia de manera contínua. però quan ens les havem amb petites càrregues elèctriques ens adonem de la seva naturalesa discontínua. És com si consideréssim una gran extensió de sorra; a l’engròs fa l’efecte de continuïtat, però en canvi, vista de prop i en detall, es pot observar que en realitat està integrada per un mar de granets diminuts.

Els imants i el magnetisme

Orientació a l'atzar dels dipols d'una substància no magnetitzada (dibuix superior) i alineació que adopten després de l'aplicació d'un camp magnètic extern (dibuix inferior).

ECSA

Existeixen minerals, com la magnetita, que posseeixen en estat natural una força d’atracció i de repulsió, anomenada força magnètica, la qual posen de manifest envers altres trossos de magnetita o envers materials ferrosos. La Terra també es comporta en conjunt, i per raons molt més complexes, com un imant gegantí (vegeu "Com és feta la Terra"), que orienta l’agulla d’una brúixola cap al nord (pol Nord magnètic).

És sorprenent la forta analogia existent entre força elèctrica i força magnètica. Totes dues poden ser d’atracció i de repulsió, i disminueixen amb l’increment del quadrat de la distància, segons la fórmula que hem vist més amunt. Amb tot, hi ha una diferència significativa: mentre que existeixen càrregues elèctriques positives i negatives aïllades, tant a escala microscòpica (per exemple electrons positius i negatius) com a escala macroscòpica (cossos electritzats amb càrrega positiva o negativa), en canvi no existeixen pols magnètics nord o sud aïllats. En els imants, ja siguin trossos de magnetita o de ferro magnetitzat, les dues polaritats sempre van juntes.

La Terra té un camp magnètic dipolar (línies de camp en blau) que atrapa electrons i protons, els quals formen els cinturons de van Allen (en vermell).

ECSA

Si partim diverses vegades un imant, obtenim imants cada cop més petits, però no podem aïllar-ne els pols. Per més petits que siguin els imants, fins i tot a escala microscòpica, en cadascun sempre hi ha un pol positiu i un altre de negatiu.

Escampant llimadures de ferro molt menudes al voltant d’un cos dotat de força magnètica (imant), s’observen curioses figures formades per les fines partícules de llimadures, que es comporten com agulles minúscules d’una brúixola i s’orienten en l’espai que envolta l’imant. Es diu llavors que en aquest espai hi ha un camp magnètic, i les diferents orientacions de les partícules de llimadures es corresponen amb les línies de camp, línies imaginàries que donen idea de la direcció del camp en cada punt.

Camps elèctrics i camps magnètics

Camp magnètic creat per una brúixola i per un solenoide.

ECSA

Es poden observar figures semblants a les que es formen en les llimadures de ferro dispersades al voltant d’un imant si escampem pols fina de plàstic entorn d’un cos electritzat. Els experiments d’aquesta mena serveixen per a visualitzar els camps elèctrics i els camps magnètics que envolten les càrregues elèctriques i els imants, respectivament.

Avui el concepte de camp, desconegut en temps de Galileu i de Newton, constitueix el punt de partida per a l’estudi de molts fenòmens físics fonamentals, i permet evitar l’error de creure que la força d’atracció o de repulsió és generada per una sola de les dues càrregues que interactuen, mentre que l’altra en pateix els efectes.

El concepte de camp, a més, permet donar una explicació més rigorosa i convincent d’un problema que ha preocupat els científics des del naixement de la ciència moderna, els quals s’han preguntat repetidament com es transmeten les forces: per contacte o per acció a distància? Si es transmeten per contacte no tenim possibilitat d’explicar, per exemple, l’atracció gravitacional que vincula la Terra i el Sol i la Terra i la Lluna, a través de la buidor dels espais còsmics. Si acceptem la segona hipòtesi, l’acció a distància, no entenem per quin mitjà, quin és el vehicle que les transmet.

Fixeu-vos en el canvi d’interpretació. Ara, en introduir la idea de camp ja no diem que la força sobre una càrrega q2 és el resultat de l’acció que una càrrega q1 exerceix sobre ella sinó que és deguda a una propietat que posseeix l’espai en el punt en què posem la càrrega q2. En altres termes, un cos dotat de càrrega elèctrica és atret per un altre cos electritzat amb càrrega de signe diferent no perquè d’aquest últim cos "surti" cap força d’atracció, sinó perquè genera un camp en el qual tots els cossos de signe elèctric oposat tendeixen a apropar-s’hi. El fet de patir l’atracció no és, doncs, una propietat de l’objecte, sinó de l’espai on es troba.

Aquesta descripció, a primer cop d’ull complicada i abstracta, porta a desenvolupar una teoria dels camps que avui s’aplica no solament a les forces elèctriques i magnètiques, sinó també a les interaccions gravitacional, forta i feble (vegeu "Matèria i energia" i "Moviments, forces i equilibri").

El moviment de les càrregues elèctriques

En presència d’un camp elèctric, les càrregues elèctriques són sotmeses a l’acció d’una força i, si són lliures, es mouen i van adquirint velocitat progressivament. El moviment de les càrregues elèctriques es pot esdevenir en el buit o bé en un medi sòlid, líquid o gasós. Quan té lloc en el buit, les partícules carregades es poden moure en els espais siderals en forma de raigs còsmics (electrons, protons i altres partícules) o bé en màquines construïdes per mans humanes (tubs de raigs catòdics, com en els dels televisors o en els acceleradors de partícules). Els llums fluorescents són un exemple de càrregues elèctriques que es mouen en un gas, mentre que en les bateries elèctriques es dóna un flux de càrregues en un líquid. però certament un dels casos més importants, per les seves aplicacions múltiples, és el moviment de càrregues en els sòlids.

El corrent elèctric

Anomenem corrent elèctric el flux de càrregues elèctriques a través d’una superfície en un medi qualsevol, inclòs el buit. A més, entenem per intensitat de corrent elèctric la relació entre la quantitat de càrrega i l’interval de temps durant el qual aquesta càrrega circula pel cos conductor. La unitat de mesura de la intensitat de corrent elèctric és l’ampere, que correspon al pas d’un coulomb per segon.

Per a descriure millor el moviment de les càrregues en un medi és útil referir-nos a l’estructura de la matèria. En els fluids (líquids i gasos), les càrregues mòbils són constituïdes tant per electrons lliures com per ions. Val a dir que un ió és un àtom o una molècula que té algun electró de més o de menys respecte a la seva configuració habitual, elèctricament neutra, i per tant posseeix una càrrega elèctrica positiva o negativa. La presència d’ions depèn tant de reaccions químiques com de l’acció del camp elèctric sobre el fluid.

En els sòlids, en canvi, solament els electrons lliures són capaços de moure’s sota l’acció del camp elèctric. Una part dels electrons continguts en els sòlids es comporta com les molècules d’un gas i es mou lliurement a gran velocitat d’un àtom a l’altre, però sense sortir del sòlid mateix i sense produir en conjunt un corrent perquè el seu moviment és casual i desordenat, en totes direccions. Com que no s’orienten segons cap direcció concreta, no s’hi estableix cap corrent. però si s’hi aplica un camp elèctric, aquest conjunt d’electrons lliures pateix un moviment de deriva a poca velocitat en la direcció del camp, encara que, de fet, la velocitat dels electrons tindrà el sentit oposat al del camp per raó que la càrrega dels electrons és negativa. El moviment dels electrons, en altres termes, esdevé més "ordenat", com un flux continu. S’ha generat un corrent elèctric.

En general, els sòlids se subdivideixen en conductors, semiconductors i aïllants, segons el nombre d’electrons lliures presents al seu interior. En els cossos que anomenem aïllants, com la fusta, per exemple, el nombre d’electrons lliures presents en cada unitat de volum és molt baix, i per això aquests cossos transmeten poca electricitat. En canvi, els conductors, com és el cas dels metalls, tenen molts electrons lliures, i per això transmeten bé l’electricitat, ja que presenten una resistència elèctrica molt petita. Un dels metalls que té més electrons lliures és el coure, que és el material emprat per a fer els fils, cables, conductors, motors o interruptors, gràcies a la seva conductivitat elèctrica elevada. Els semiconductors tenen un comportament a mig camí del dels aïllants i els conductors. El silici i el germani són semiconductors usats a bastament en la indústria electrònica.

Corrents i camps magnètics

Si toquem un imant, no ens enrampem. L’imant és elèctricament neutre, i no sembla que hi circuli cap corrent elèctric. A primer cop d’ull, l’electricitat i el magnetisme apareixen, per tant, com dos fenòmens del tot diferents, encara que, de fet, estan estretament relacionats. La descoberta d’aquesta relació va néixer d’una simple experiència que es remunta a la primeria del segle XIX. En acostar una brúixola a un fil conductor veiem que l’agulla magnètica tendeix a quedar-se transversal respecte del fil. Aquest fet s’explica perquè un corrent elèctric, i més en general una càrrega en moviment, crea un camp magnètic. Si el corrent que circula pel fil és un corrent continu, és a dir, constant en el temps, el camp magnètic que en resulta també serà constant.

Aquest experiment tan senzill permet construir una teoria unitària dels fenòmens elèctrics i magnètics, coneguda com a teoria de l’electromagnetisme, que constitueix avui un dels millors exemples de teoria científica per la seva gran precisió, caràcter general i capacitat de previsió. A més, les seves conseqüències pràctiques en l’àmbit tecnològic, i per tant per a la vida humana, es poden considerar entre les més riques respecte de qualsevol altre resultat aconseguit fins ara per la ciència. La teoria electromagnètica, en efecte, ha constituït la base indispensable per al desenvolupament de l’electricitat, l’electrotècnia i l’electrònica, és a dir, per a la producció d’un nombre elevadíssim de màquines i de dispositius que avui ens envolten i que han esdevingut indispensables per a la nostra vida, des de les bombetes als televisors passant per les neveres i els ordinadors (vegeu "Els fenòmens induïts pel corrent elèctric").

Una interpretació general de l'electromagnetisme

La teoria de l’electromagnetisme permet donar una interpretació general del magnetisme referint-lo al moviment de càrregues elèctriques. En altres paraules, el fenomen més elemental que comparteixen tant l’electricitat com el magnetisme és la presència de càrregues elèctriques. Quan una càrrega és fixa respecte d’un observador situat en un punt del camp circumdant, aquest percep en el punt en qüestió solament la presència del camp elèctric. En canvi, quan la càrrega es mou, l’observador hi percep també la presència d’un camp magnètic. Perquè aquest fenomen es doni n’hi ha prou que existeixi un moviment relatiu entre l’observador i la càrrega.

Aquest fet s’interpreta considerant que el magnetisme és una conseqüència del moviment relatiu d’una càrrega elèctrica respecte de l’observador, i aquesta interpretació és una conseqüència particular d’una teoria encara més general, la teoria de la relativitat.

El magnetisme natural s’explica com el resultat de la suma d’un nombre elevadíssim de corrents microscòpics deguts al moviment incessant de les càrregues elèctriques contingudes en els àtoms i les molècules. Mentre que normalment aquests corrents produeixen camps magnètics que s’anul·len mútuament, en alguns materials, coneguts com a materials magnètics, s’esdevenen fenòmens de cooperació, que donen com a resultat un camp magnètic total diferent de zero. Es pot imaginar que a l’interior de cada cos existeix una quantitat enorme d’imants minúsculs, generats per corrents microscòpics, generalment orientats de manera caòtica i casual, però que en alguns casos s’orienten en la mateixa direcció i generen un camp magnètic microscòpic. Aquest fenomen es pot accentuar amb materials adequats o bé amb l’aplicació d’un camp magnètic extern, com s’esdevé quan enrotllem una bobina recorreguda per un corrent al voltant d’un nucli de material ferrós.

Com es produeixen els camps elèctrics

Esquema de funcionament d'un alternador, un dispositiu elèctric rotatiu que genera corrents alterns.

ECSA

Normalment, les càrregues elèctriques contingudes en la matèria s’anul·len recíprocament, per la qual cosa la càrrega total d’un cos és zero. Per a produir un camp elèctric cal separar les càrregues elèctriques negatives de les positives. En el cas d’aplicacions a escala industrial s’empren preferentment màquines elèctriques anomenades alternadors; en canvi, a petita escala i per a experiments de laboratori es poden emprar màquines electrostàtiques, que separen les càrregues per fregament, o bé piles, en les quals la separació es produeix a conseqüència de reaccions químiques.

Totes aquestes màquines creen un camp elèctric i una diferència de potencial (vegeu "Què és el potencial elèctric?") entre dos punts anomenats pols. Connectar un instrument que fa servir l’electricitat als pols d’una màquina elèctrica significa aplicar el camp elèctric creat per la màquina a les càrregues elèctriques lliures contingudes en l’instrument. En altres paraules, es pot dir que es genera un flux de corrent elèctric quan als extrems d’un conductor existeix una diferència de potencial, és a dir, un valor diferent del potencial entre un extrem i l’altre. Aquest corrent elèctric pot passar simplement per un fil o pot circular a través d’un instrument elèctric —per exemple una bombeta— en posar-lo en funcionament. La diferència de potencial elèctric, que es mesura en volts (V), també s’anomena tensió elèctrica. Si la diferència de potencial és molt elevada es parla de corrent d’alta tensió, usat per exemple amb finalitats industrials i sobretot per al transport de l’energia elèctrica a grans distàncies, amb tensions que poden assolir els 380 000 V. Si, en canvi, és molt baixa, per exemple la produïda per les piles seques, normalment d’1,5 o 4,5 V, es parla de corrent de baixa tensió. Les instal·lacions elèctriques domèstiques generalment són de 220 V.

Potència elèctrica i energia elèctrica

Sota l’acció del camp, les càrregues lliures de moure’s transformen l’energia potencial elèctrica en altres formes d’energia. Es pot establir una analogia entre el funcionament d’un generador elèctric (és a dir, una màquina que produeix electricitat) i el d’una bomba hidràulica. De la mateixa manera que la bomba té la missió d’elevar l’aigua d’un nivell inicial a un altre de més alt, al qual correspon una major energia potencial en el camp gravitacional, el generador, en separar les càrregues elèctriques, les porta a un potencial diferent. L’analogia també serveix des del punt de vista energètic. Per a elevar l’aigua a un cert nivell, la bomba fa un treball; de la mateixa manera, també el generador realitza un treball per a separar les càrregues i portar-les a un potencial elèctric determinat. En caure de l’altura a què ha estat elevada, l’aigua restitueix l’energia potencial en forma d’energia cinètica. Anàlogament, les càrregues que flueixen en un conductor restitueixen l’energia elèctrica originada per la diferència de potencial sota altres formes d’energia. En efecte, el pas de corrent per un conductor pot donar lloc a tres fenòmens diferents, que es poden manifestar alhora.

Així, el corrent produeix un camp magnètic o bé un efecte tèrmic o un efecte mecànic. En el primer cas, part de l’energia es transforma en energia electromagnètica. En el segon cas, el pas de les càrregues elèctriques pel conductor provoca un efecte tèrmic, causat pels xocs dels electrons contra l’estructura química del conductor que ofereix una resistència al pas de les càrregues, comparable al fregament intern d’un fluid. això significa que un cos a través del qual passa el corrent elèctric s’escalfa. En uns casos menys i en d’altres més, d’acord amb la seva naturalesa; però, irremissiblement, un cos s’escalfa quan és travessat per l’electricitat. Aquest fenomen s’anomena efecte Joule, del nom del físic anglès James Joule. En molts casos, es mira de limitar al màxim l’efecte Joule amb l’ànim d’impedir que l’energia elèctrica es dissipi en calor inútil i per evitar que els aparells elèctrics s’escalfin massa, per a la qual cosa s’utilitzen diversos sistemes de refredament com, per exemple, els ventiladors. Però en altres casos és útil, per bé que pot ser molt car en termes econòmics, augmentar al màxim l’efecte Joule, perquè el que es vol obtenir és precisament escalfor, com és el cas de les estufes elèctriques, els escalfadors d’aigua elèctrics o els eixugadors (vegeu "Els fenòmens induïts pel corrent elèctric").

Finalment, en el tercer cas, les forces d’interacció entre corrents i camps magnètics són utilitzades per a produir un moviment. És el cas dels motors elèctrics.

La inducció electromagnètica

Experiment que demostra l'existència de la inducció electromagnètica: en acostar l'imant a un circuit elèctric el galvanòmetre assenyala el pas d'un corrent, que circula en sentit contrari en allunyar l'imant.

ECSA

La natura ens ofereix de vegades uns principis de simetria de les lleis físiques que, a més de dotar-les de valor estètic, en faciliten la descripció matemàtica i l’exploració de les seves conseqüències experimentals. Aquest és el cas de l’electromagnetisme. Quan es dóna la interacció entre un imant i un fil conductor de corrent, el principi de simetria comporta que l’imant actuï sobre el corrent i, viceversa, que el corrent actuï sobre l’imant. En concret, podem observar que un fil elèctric enrotllat en espiral i recorregut per un corrent elèctric, si és dins un camp magnètic, comença a rodar, i la rotació continua mentre el camp magnètic és actiu. La situació simètrica és la d’una espiral no recorreguda per corrent que es fa girar dins un camp magnètic. Què passa en aquest cas? Si encara és vàlid el principi de simetria, hem d’esperar que en l’espiral es generi (en llenguatge tècnic es diu que s’indueix) un corrent elèctric. És possible estendre el fenomen de la inducció electromagnètica als casos més generals. En efecte, la interpretació que se’n dóna és la següent. perquè en un fil, una espira o una bobina, que anomenarem genèricament circuit induït, es verifiqui la inducció electromagnètica cal que estigui situat dins un camp magnètic variable amb el temps. La variació del camp magnètic es pot produir tant fent desplaçar el circuit induït respecte al camp com fent travessar el circuit induït per un camp magnètic variable, que es pot obtenir d’un corrent elèctric també variable.

Aquest fenomen de la inducció electromagnètica és importantíssim, perquè és allò que permet transformar l’energia mecànica en energia elèctrica. això s’esdevé, per exemple, en els alternadors de les centrals hidroelèctriques, on l’energia mecànica produïda per la caiguda de l’aigua és transformada en energia elèctrica.

Els generadors elèctrics a escala industrial, en particular els alternadors, funcionen a partir d’aquest principi. Un alternador és una màquina en la qual un conjunt de conductors enrotllats en un cilindre rotatori (rotor) es posen en rotació dins un camp magnètic. L’energia mecànica necessària per a mantenir en rotació el rotor es transforma en energia elèctrica induïda en els conductes enrotllats en el rotor. Per raons relacionades amb les propietats del moviment de rotació circular, el corrent induït varia amb el temps de manera sinusoïdal i per això s’anomena corrent altern. Des del punt de vista electromagnètic, és molt més senzill provocar un corrent altern que no pas un flux de càrregues elèctriques en la mateixa direcció (corrent continu). també és més fàcil produir un moviment d’oscil·lació d’un imant (penseu en un pèndol la massa oscil·lant del qual sigui constituïda per un imant) que no pas un moviment uniforme.

Les ones electromagnètiques

Espectre electromagnètic amb les denominacions dels diferents dominis o nandes espectrals en què se sol dividir per conveni. L'espectre electromagnètic és el conjunt de totes les radiacions electromagnètiques conegudes, classificades d'acord amb la longitud d'ona i la freqüència. L'espectre visible és el domini espectral comprès entre les longituds d'ona de 4x10-7 i 8*10-7 m.

ECSA

Podem interpretar el fenomen de la inducció electromagnètica de manera encara més general aplicant el principi de simetria no solament a la interacció electromagnètica sinó també al camp elèctric i al magnètic.

Fins ara hem descrit experiments en els quals el camp elèctric i el camp magnètic actuen directament sobre les càrregues, per exemple un corrent que crea un camp magnètic i fa desviar l’agulla de la brúixola o, viceversa, un camp magnètic variable que genera un corrent. És a dir, hem aplicat el principi de simetria a la interacció electromagnètica que es manifesta en els casos en què intervenen les càrregues elèctriques. Però, què passa si mirem de pensar solament en termes de camp elèctric i magnètic, sense que hi intervinguin necessàriament les càrregues? Aquesta és la pregunta que es van plantejar els científics que van estudiar aquests problemes a la segona meitat del segle XIX.

La resposta la va oferir James Clerk Maxwell, a qui devem les anomenades equacions de Maxwell, que relacionen matemàticament càrregues i corrents elèctrics amb camps elèctrics i magnètics.

Suposem ara que creem un camp elèctric E, que varia amb el temps, mitjançant un corrent que oscil·la en un circuit. Com que el corrent és variable amb el temps, també el camp E serà variable i donarà origen a un camp magnètic variable B, precisament com s’esdevé en el cas del primer experiment que hem considerat, el de la interacció entre un corrent i l’agulla magnètica. Però aquesta vegada pensem en termes més abstractes, de camps E i B i no de força.

Com que el camp B és variable crearà al seu torn un camp elèctric E variable, de manera semblant al que passa en el fenomen de la inducció electromagnètica. En altres paraules, si prescindim de la presència de les càrregues podem suposar que els fenòmens que hem descrit continuen existint en forma de camps E i B que es generen recíprocament l’un a l’altre. En efecte, el camp elèctric E, generat pel camp magnètic variable B, donarà lloc al seu torn a un altre camp B variable, i així successivament. Les equacions matemàtiques que descriuen aquest procés preveuen que aquest fenomen de producció de camps elèctrics i magnètics s’automantingui i es propagui en l’espai com una ona, anomenada ona electromagnètica (vegeu "Ones, so i llum").

Podem recórrer a una analogia per a aclarir millor aquest fenomen. De la mateixa manera que un oscil·lador dins l’aigua crea una pertorbació que es propaga per la superfície, així una càrrega o un corrent que oscil·li crea una pertorbació del camp E i del camp B que es propaga en l’espai en forma d’ona.

La teoria preveu, a més, que l’ona es propaga, en el buit, a la velocitat de la llum. Els sistemes de telecomunicacions (ràdio, televisió o radar) en constitueixen avui la verificació més convincent.

A diferència de les ones elàstiques mecàniques, l’ona electromagnètica es propaga també en el buit. No cal establir la hipòtesi de la presència d’un medi material que es posi a vibrar. És el camp mateix, una abstracció matemàtica, allò que vibra i permet que l’ona es propagui.

S’ha dit que en l’espai buit les ones electromagnètiques es propaguen a la velocitat de la llum (indicada convencionalment amb la lletra c). Aquesta coincidència no es va considerar casual, sinó que va suggerir la hipòtesi, avui avalada pel coneixement de l’estructura elemental de la matèria, que la llum també és una ona electromagnètica. Per a aquestes ones val la mateixa relació que vincula la freqüència f, la longitud d’ona λ i la velocitat c de les ones elàstiques mecàniques: c = λ f.

Tenint en compte que la velocitat de la llum, coneguda per mesuraments directes realitzats amb tècniques diverses, és igual a 300 000 km/s aproximadament, és possible determinar la freqüència d’una ona si es coneix la longitud d’ona, i viceversa. Amb el temps s’han anat descobrint ones electromagnètiques de freqüència diferent. Com que segons els valors de f i λ canvien les modalitats d’observació dels fenòmens produïts per una ona determinada, les ones electromagnètiques en els diversos intervals de freqüència en què es verifiquen els fenòmens concrets reben noms diferents (vegeu "Ones, so i llum"). El conjunt de totes les ones conegudes forma l’espectre electromagnètic, que va de valors molt alts de f i petitíssims de λ, en el cas dels raigs X, a valors molt baixos de f i altíssims de λ, en el cas de les ones ràdio.

Com que a les ones electromagnètiques s’associa una energia, també s’empra l’expressió radiació electromagnètica per a designar els modes de propagació o radiació de l’energia electromagnètica en l’espai. L’estudi de la radiació electromagnètica es realitza mitjançant un espectròmetre, que separa la radiació en els components monocromàtics.

L'electricitat a casa

Estem acostumats a servir-nos a cada moment d’aparells amb motor, que són ràpids, potents i ens estalvien esforços físics. Si volem fer un forat a la paret, usem un trepant elèctric; per a rentar la roba, fem servir la rentadora, i fins i tot per a operacions senzilles, com triturar menjar, existeixen picadores que fan la feina per nosaltres. Abans del descobriment de l’energia elèctrica, en canvi, l’única força motriu de què es disposava a casa era la dels propis braços, perquè les altres fonts energètiques, com el vent, l’aigua, el vapor, els animals, s’havien d’utilitzar allà on es trobaven.

Un dels grans avantatges que presenta l’energia elèctrica és precisament el fet que es pot distribuir pertot arreu amb extrema facilitat, com l’aigua; bé, potser, fins i tot més que l’aigua, perquè per a conduir-la no calen tubs sinó que n’hi ha prou amb un fil molt prim. A més, l’aigua només es pot desplaçar naturalment quan baixa, ja que per a fer-la pujar cal usar una bomba; en canvi, l’electricitat circula en totes direccions sota l’acció del camp elèctric. En els capítols anteriors hem vist què és l’energia elèctrica i més endavant examinarem amb un cert detall com es produeix en les centrals hidroelèctriques, tèrmiques o nuclears (vegeu "Les fonts d’energia"). Ara, però, intentarem estudiar més de prop com es distribueix i com arriba fins a la porta de casa nostra.

El transport de l'energia elèctrica

El transport de l’energia elèctrica des de les centrals fins als llocs de consum, que poden arribar a distar-ne centenars de quilòmetres, es podria pensar que és una operació senzilla. Sembla que n’hi hagi prou a fer-la passar per un fil d’un material que sigui bon conductor de l’electricitat. però, en realitat, hi ha un problema per resoldre, que durant molts anys va impedir la transmissió a distància de l’electricitat. Aquesta contrarietat és la producció de l’anomenat efecte Joule. En efecte, el corrent elèctric escalfa el fil pel qual circula, i la dissipació gradual de l’energia elèctrica en forma de calor fa que, si el recorregut és llarg, n’arribi ben poca al destinatari final.

La pèrdua causada pel reescalfament és proporcional al quadrat de la intensitat de corrent que passa pel fil. Per tant, com més intens és el corrent, més gran és la dissipació d’energia. Per a entendre com es va poder superar aquest problema cal introduir una nova magnitud: la potència elèctrica.

La potència elèctrica és el producte de la diferència de potencial V que existeix entre dos punts d’un circuit elèctric i la intensitat de corrent I que flueix en el circuit. AixТ: P = V I; si V s’expressa en volts (V) i I en amperes (A), P resultarà expressada en vats (W). Observant aquesta relació comprenem que, a igualtat de potència, per a fer disminuir la intensitat de corrent cal augmentar-ne la tensió, és a dir, la diferència de potencial.

Imaginem-nos una instal·lació que produeix una potència elèctrica de 100 000 W. Aquesta potència es pot obtenir amb una diferència de potencial de 1 000 V i una intensitat de corrent de 100 A. Si aconseguim multiplicar per 10 la tensió, elevant-la de 1 000 a 10 000 V, podem disminuir proporcionalment la intensitat de 100 a 10 A. En disminuir la intensitat de corrent es redueix també la dissipació per l’efecte Joule. D’aquesta manera es pot transmetre l’energia fins i tot a grans distàncies.

L’elevació de la tensió s’aconsegueix mitjançant uns aparells anomenats transformadors, que funcionen en els dos sentits, és a dir poden augmentar o bé reduir la diferència de potencial (solament en el corrent altern, perquè en el continu no és possible).

Així doncs, després de ser produïda a les centrals elèctriques, l’energia passa als transformadors, on la tensió es fa augmentar fins a centenars de milers de volts. Després és conduïda a les línies d’alta tensió, que són els grans "electroductes" que veiem travessar els camps, sostinguts per torres altíssimes, fins que arriba a les ciutats o els llocs de consum. Aquí, l’energia passa novament als transformadors, on ara la tensió pateix l’operació inversa, és a dir, es fa disminuir, perquè l’alta tensió no es pot utilitzar directament per a encendre una bombeta o fer funcionar una batedora. Cal, doncs, portar la diferència de potencial a valors més baixos. La transformació de l’energia d’alta tensió a la tensió d’ús domèstic —avui generalment de 220 V— s’esdevé en "salts graduals". Primer en grans instal·lacions anomenades "subestacions", després en altres de més petites on encara es fa disminuir més, fins a les petites centrals que sovint es veuen de tant en tant pel carrer amb un cartell amenaçador que adverteix d’un "perill de mort". En aquestes cabines la tensió es redueix a 220 V, i d’aquí ja passa directament a les cases.

La instal·lació elèctrica de casa

Connexió de dues resistències R1 i R2 en sèrie (dibuix de l'esquerra), en què la resistència equivalent és la suma de les resistències individuals, i en paral·lel, (dibuix de la dreta), en què la resistència equivalent és inferior a la més petita de totes dues resistències.

ECSA

Un cop arriba a casa, el corrent elèctric passa en primer lloc al comptador. Cada pis té el seu, que serveix, com és evident, per a comptar, és a dir, per a mesurar la quantitat d’energia elèctrica que es consumeix. En el comptador hi ha inserit un dispositiu que limita la quantitat de corrent que es pot utilitzar en un mateix moment. Normalment, a les cases, la potència bàsica instal·lada és d’uns 3 300 W (3,3 kilowatts o kW), de 4,5 kW o bé d’una potència concertada encara superior. Coneguda la potència d’un aparell elèctric, es pot calcular fàcilment la quantitat d’energia necessària per a fer-lo funcionar multiplicant la potència pel temps. Per exemple, una bombeta de 100 W consumeix en una hora 100 Wh d’energia, i en 10 hores 1 000 Wh, és a dir, 1 kilowatt hora (el kilowatt hora és la unitat de mesura més comuna per a l’energia elèctrica). Si la instal·lació de casa nostra té la potència bàsica, és a dir, 3,3 kW, vol dir que en una hora la companyia ens proporciona com a màxim 3 kW de potència, i no més. Si connectem alhora un forn elèctric de 2 kW i una estufa de 2 kW, la instal·lació "salta" i tots els llums i aparells s’apaguen, perquè el forn i l’estufa sumen una potència de 4 kW, mentre que la nostra instal·lació pot suportar només una potència de 3,3 kW. Des del comptador, la xarxa elèctrica es distribueix mitjançant un cablatge encastat a la paret (només a les cases més velles es veuen encara fils exteriors) i abasteix d’electricitat totes les habitacions de la casa.

Els "punts d’arribada" del corrent elèctric a casa nostra, després del llarg viatge començat a les llunyanes centrals, són de dos tipus: els aparells endollats directament, que sempre van precedits d’un interruptor, i les preses de corrent. Alguns aparells estan connectats de manera permanent a la instal·lació elèctrica, perquè en les cases actuals el seu ús és pràcticament "obligatori" i per tant són instal·lats en el moment mateix de la construcció de la casa. Aquestes instal·lacions fixes són, en primer lloc, les bombetes i, si n’hi ha, l’escalfador elèctric. Com que les bombetes estan connectades de manera permanent a la xarxa elèctrica, es quedarien sempre enceses si en un cert punt del fil que les alimenta no hi hagués intercalat un interruptor, que, com indica el seu nom, té la funció d’interrompre el flux del corrent. El funcionament és molt senzill. Al seu interior, un dels dos fils pels quals passa el corrent està tallat. Els dos extrems arriben fins a dos borns metàl·lics situats a prop un de l’altre, però sense tocar-se, de manera que el corrent no hi pot passar. Prement el botó de l’interruptor s’insereix un "pont" metàl·lic entre els dos borns, i així el corrent pot circular de l’un a l’altre. Prement altre cop el botó, el "pont" s’eleva i el corrent ja no hi passa.

L’altre punt d’arribada, com hem dit abans, són les preses de corrent, plaquetes de plàstic o d’un altre material aïllant que presenten dos o tres forats on es connecten els endolls dels aparells que volem fer funcionar. El sistema fil/presa de corrent/endoll/aparell és, doncs, del tot anàleg al de fil/interruptor/bombeta, només que per a la nostra comoditat es pot interrompre en un punt de manera que puguem instal·lar els nostres aparells on preferim.

Però la presa de corrent, en la seva simplicitat, ens suscita algunes preguntes si l’observem millor. En primer lloc, veiem que els forats de les preses poden ser dos o tres (a les cases noves o en el cas d’instal·lacions elèctriques refetes sempre són tres), però hi ha molts aparells elèctrics que tenen l’endoll només de dos pols. Si introduïm aquests endolls de dos pols en una presa de tres forats, sense fer servir, per tant, el forat del mig, l’aparell funciona igualment. Les preguntes que ens vénen al cap són dues: 1) Per què les instal·lacions elèctriques requereixen dos fils, dos forats a les preses, dos pols a l’endoll? No n’hi hauria prou amb un sol fil?, i 2) Si n’hi ha prou amb dues connexions perquè funcioni qualsevol aparell, de què serveix, doncs, el tercer forat de les preses de corrent?

La instal·lació elèctrica és un circuit

En efecte, és fàcil constatar que el fil elèctric sempre és doble. Per ser més exactes, es tracta de dos fils aparellats i embolcallats en un material aïllant, usualment plàstic. Per què?

El motiu és que la instal·lació elèctrica és un circuit. L’energia elèctrica és una circulació contínua d’electrons pels fils, que segueixen un recorregut tancat. Si en aquest recorregut s’intercalés un element aïllant, el circuit quedaria interromput i l’energia no passaria. El moviment dels electrons és determinat per la diferència de potencial als dos extrems del circuit. Per això cal que el circuit sigui tancat, que tingui dos extrems. Si només hi hagués un sol fil, que sortís del comptador i acabés a la bombeta, tindríem un extrem electritzat, al comptador, però l’altre aïllat, a l’ampolla de buit de la bombeta. Per això no es crearia el circuit complet, i l’electricitat no podria fluir de manera contínua.

En altres termes, allò que fa funcionar els aparells elèctrics no és l’arribada de l’electricitat, sinó el seu pas. El corrent arriba, fa girar el motor elèctric dels aparells, o posa incandescent el filament de les bombetes, i després se’n va. però, per a anar-se’n, necessita un segon fil per al "retorn".

Si el circuit és tancat, el corrent passa i encén les bombetes i acciona els aparells. Si el circuit elèctric és interromput interposant-hi un aïllant —que pot ser l’aire, com en el cas dels interruptors—, el corrent, com hem dit, ja no hi passa. però pot donar-se una tercera eventualitat. Si un aparell elèctric no està perfectament aïllat, perquè és vell o perquè s’ha fet malbé, una part del corrent pot escapar-se i dissipar-se per l’interior i arribar a la superfície. >ixò, a més de malgastar molta electricitat, constitueix un perill seriós. En efecte, si toquem un aparell elèctric en mal estat o un fil elèctric "pelat", desproveït de la capa d’aïllant, una part del corrent entra al nostre cos, el travessa i es descarrega a terra. És a dir, el circuit, que normalment es tanca amb els passos fil/aparell/fil, canvia de recorregut i es tanca amb els passos fil/cos humà/terra. En aquest cas es dóna el fenomen de l’enrampada elèctrica (o electrocució), que pot arribar a ser mortal. Per limitar els riscs de l’enrampada s’instal·la a prop del comptador un interruptor diferencial, anomenat "salvavides", que interromp el subministrament d’energia elèctrica a tota la casa tan bon punt es produeix una dispersió de corrent, sia en un electrodomèstic o en el cos humà.

Un altre sistema de descarregar de manera innòcua les dispersions de corrent que sempre es poden detectar en els aparells és el de la presa a terra. És a dir, s’instal·la un tercer fil elèctric que va a parar a una petita xarxa autònoma de l’edifici, diferent i separada de la d’alimentació. Aquesta és la raó del tercer forat de les preses de corrent de què hem parlat al començament, ja que connecta el fil dels aparells amb la xarxa de terra. La xarxa de terra acaba en una barra de ferro ben enfonsada en el sòl. Com funciona aquesta xarxa de terra? Com que el corrent elèctric tendeix a seguir el camí més fàcil, és a dir, el que condueix millor l’electricitat, les dispersions es concentren en el fil de terra, el qual, com que és de coure, és un bon conductor, i a través de la barra de ferro va a parar a terra, on s’escampa. Aquesta dispersió és del tot innòcua, perquè al subsòl el corrent té com a espai de dispersió el planeta sencer, i per tant baixa a valors imperceptibles en cada punt. La instal·lació de presa a terra és obligatòria en totes les construccions noves, però manca en moltes cases velles. En qualsevol cas, la seva instal·lació és força aconsellable, ja que és una feina simple de fer que aporta grans avantatges.