Problemes empaquetats
El corrent elèctric

Introducció:

Durant 10 números de Recursos de Física s’han repassat tots els blocs temàtics del currículum de física de batxillerat buscant problemes que s'ajustessin a cada un dels ítems. Aquest darrer lliurament dels Problemes empaquetats va dedicat a l'últim tema de 1r de batxillerat: el corrent elèctric.
Situat sovint al final de curs, el tema del corrent elèctric pateix moltes vegades de manca d’atenció per falta de temps, a més l’aureola de "tema de tecnologia" que té, en comptes d'aprofitar-se per buscar una sinèrgia entre les dues àrees, pot desembocar en desinterès per part dels alumnes menys tecnològics ("no va amb nosaltres") o d'abandonament des de la nostra àrea ("ja us ho explicaran a tecno"). I és una llàstima, perquè es tracta d'un fenomen contínuament present a la nostra quotidianitat i que alhora presenta dificultats de comprensió: és freqüent que l'alumnat apliqui de manera cega la llei d'Ohm o consideracions sobre circuits en sèrie o en paral•lel sense haver assimilat suficientment els conceptes de diferència de potencial o d'intensitat del corrent.
Esperem que aquesta col•lecció de problemes que aquí es presenta, amb contextos ben diversos contribueixi a suggerir noves idees i a aportar interès a l'alumnat en aquest camp de la física i us animem a explorar noves situacions i a imaginar nous problemes.

Full de l'alumnat

Fig. 1

Els problemes

1. Al circuit de la figura 1 s'ha indicat la intensitat que passa per cada un dels resistors.
Completa-la escrivint el valor de les intensitats que falten.

Fig. 2

2. Al circuit de la figura 2 s'ha indicat la diferència de potencial entre els extrems de cada un dels resistors.
Indica el valor de les diferències de potencial marcades amb el signe "?" .

3. Al circuit A de la figura 3 hi ha una font d'alimentació de tensió regulable. En els circuits B i C hi ha una resistència variable (el valor de la resistència es pot modificar) i una font d'alimentació ideal que sempre proporciona la mateixa diferència de potencial.

Indica en cada cas com variaran qualitativament (augmenten, disminueixen o no varien) les lectures del voltímetre i de l'amperímetre quan s'augmenti el valor de la tensió (en A) o de la resistència (en B i en C)

Fig. 3

Fig. 4

4. Per evitar que s'entelin, els vidres del darrere dels cotxes solen ser vidres tèrmics, que porten uns filaments elèctrics adherits al vidre i connectats a 12V. Quan s'activa el vidre tèrmic, hi circula corrent i desprèn calor que escalfa el vidre.
Considera un vidre tèrmic format per 6 resistors paral•lels iguals, per cada un dels quals circulen 3,0 A.

a) Troba la resistència de cada un d'aquests filaments.

b) Calcula la potència dissipada en un filament i en el conjunt.

c) Si tenim el vidre tèrmic activat durant 20 minuts, quanta energia s'ha dissipat? D'on ha sortit aquesta energia? A on ha anat a parar?

d) Un problema bastant comú és que, a causa de la fricció o algun cop, un dels filaments es trenqui. Quin efecte té això sobre el funcionament del vidre tèrmic?

5. Ens han encarregat un estudi sobre el consum elèctric de les bombetes de baix consum i mesurant la potència elèctrica d'una d'aquestes bombetes hem obtingut aquest gràfic en el qual es veu una primera fase d'encesa (1,7 s) seguida del règim "normal".

Fig. 5.

a) Calcula la potència mitjana i l'energia consumida en l'encesa de la bombeta de baix consum.

b) Quanta energia gasta en règim normal la bombeta durant mitja hora?

c) Heu sentit a dir que és millor deixar enceses les bombetes d'aquest tipus si marxeu de l'habitació per poc temps ja que gasten més energia en el moment d'encendre's de la que gastarien si les deixem enceses. Argumenta quantitativament si aquesta estratègia d'estalvi té sentit o no en té.

Fig. 6

6. Hem fet proves amb un grup de dues cèl•lules fotoelèctriques muntades en sèrie. Volem saber la FEM i la resistència interna del conjunt i per això les hem il•luminat i hi hem connectat diferents resistències, per tancar el circuit. Per a cada resistència externa hem mesurat la diferència de potencial i la intensitat que la travessava.

a) Quines d'aquestes variables han de ser controlades perquè els resultats siguin vàlids ?

i) La il•luminació de les cèl•lules fotoelèctriques.

ii) L’orientació de les cèl•lules respecte al focus lluminós.

iii) La potència total del circuit.

iv) La durada de cada un dels experiments.
Explica quines precaucions has de prendre per assegurar-te que les variables seleccionades estan sota control.

b) Completa l'esquema indicant on ha de situar-se el voltímetre i on ha de situar-se l'amperímetre.

Hem representat els resultats obtinguts en aquest gràfic

Fig. 7

c) Indica quins dels punts del gràfic corresponen a les situacions (1) curtcircuit i (2) circuit obert.

d) Escriu l'equació V=f(I) que s'ajusta a la recta obtinguda.

e) Indica els valors de la FEMi la resistència interna de l'agrupació de cèl•lules fotoelèctriques.

f) Segons el gràfic, quan V=0,40V , la intensitat és 0,005 A . En aquesta situació, calcula els valors de la potència elèctrica dissipada en el resistor i en les cèl•lules fotoelèctriques, i determina’n el rendiment.

7. Les tires de leds són un recurs cada vegada més utilitzat en il•luminació

Fig. 8

Les tires poden mesurar molts metres de llarg, però estan formades per la repetició de segments idèntics. A la imatge es mostra un fragment d'una tira de leds. Es pot veure que cada 5 cm hi ha un segment que consta de 3 leds (L1, L2, L3) . La tira es pot retallar per qualsevol mida, a condició que no se'n trenqui cap segment, i s'ha de connectar a un corrent continu de 12 V. Cada segment (3 leds) té un consum elèctric de 0,72W, sense ue sigui important quants segments hi hagi a la tira.

a) Indica si els segments estan muntats en sèrie o en paral•lel i justifica la resposta.

b) Dintre de cada segment els tres leds estan muntats en sèrie. Calcula la intensitat i la diferència de potencial per a cada un dels leds, per a un segment complet i per a una tira de 40 segments (2,0 m) .

 

8. Volem construir un sensor de temperatura utilitzant una resistència que depèn de la temperatura. Situem la resistència en l'extrem del sensor (on voldrem mesurar la temperatura) i preparem aquest muntatge :

Fig. 9

Sabem que el valor de la resistència segons la temperatura segueix l'equació (= temperatura en ºC).

a) Construeix una gràfica aproximada que mostri el valor de la resistència a l'eix de les ordenades i la temperatura a l'eix de les abscisses per a temperatures entre 0ºC i 100 ºC.

b) Calcula la intensitat que circularà pel circuit quan la temperatura sigui 0ºC , 50ºCi 100ºC (la resistència interna de la pila és negligible)

c) Troba el valor que indicarà el voltímetre a 0ºC, a 50ºC i a 100ºC

c+) Fes un full de càlcul que indiqui, per a les temperatures entre 0ºC i 100ºC, cada 5ºC , els valors de la resistència segons la temperatura i de la intensitat pel circuit, i la lectura del voltímetre.

d) A quina temperatura correspon una lectura de 2,60 V ? (Pista: pots calcular primer la resistència)

 Autor d'aquesta pàgina: Octavi Plana, professor de Física i Química a l’IES Icària de Barcelona

Aquesta obra està subjecta a una
Llicència de Creative Commons