Ćwiczenie nr 6

Wytwarzanie i prostowanie prądu elektrycznego. Prawo Ohma.

Wstęp:

Celem tego ćwiczenia jest obserwacja procesów wytwarzania prądu, poznanie problemów prostowania prądu zmiennego a także działania półprzewodnikowej diody prostującej oraz sprawdzenie prawa Ohma.

Opis teoretyczny:

Prąd elektryczny to uporządkowany ruch nośników ładunku pod wpływem pola elektrycznego. Nośnikami takiego ładunku są przede wszystkim swobodne elektrony (w metalach), jony (w cieczach) oraz elektrony i dziury (w półprzewodnikach). Prąd może być stały lub zmienny. Decyduje o tym m.in. natężenie, bowiem prąd, którego natężenie nie ulega zmianie z upływem czasu to prąd stały.

Natężenie informuje, jak wielki ładunek przepływa przez poprzeczny przekrój przewodnika w jednostce czasu. Wyraża to wzór:

I = Δq/Δt

Dla przewodników metalicznych (w stałej temperaturze) natężenie prądu jest wprost proporcjonalne do napięcia między końcami przewodnika.

I~U

Jest to prawo Ohma.

Oprócz natężenia także moc charakteryzuje prąd. Moc prądu elektrycznego informuje o tym, jaką pracę wykonał prąd (ściślej mówiąc, pracę wykonują siły pola elektrycznego, powodujące przemieszczenie nośników ładunku) w jednostce czasu. Wyraża to wzór:

P = W/t

W = qU /:t => W/t = q/t * U => P = IU

Poruszające się w metalu elektrony napotykają na przeszkody w postaci drgających jonów sieci krystalicznej metalu. Oznacza to, że przewodnik ma opór. Opór elektryczny przewodnika to stały dla tego przewodnika w danej temperaturze stosunek napięcia pomiędzy jego końcami do natężenia prądu. Przedstawia to wzór:

U/I = R U/I = const. 1Ω = 1V/1A

gdzie:

U- napięcie prądu wyrażane w V [wolt]

I- natężenie prądu wyrażane w A [amper]

R- opór wyrażany w Ω [om]

Opór elektryczny jest cechą każdego przewodnika. Zależy od jego długości, pola przekroju poprzecznego i rodzaju metalu. Wzór:

R = ρ * l/S

gdzie:

l– długość przewodnika [m]

S- pole przekroju poprzecznego przewodnika [m²]

ρ- opór właściwy zależny od rodzaju metalu [Ω * m]

Każde urządzenie do rejestrowania sygnałów biologicznych zawiera m.in. zasilacz i wzmacniacz. Rolę źródeł zasilających spełnia najczęściej układ zwany zasilaczem sieciowym. Służy on do przekształcania energii elektrycznej z sieci prądu przemiennego na energię elektryczną prądu przemiennego lub stałego o odpowiednich wartościach napięcia i mocy. W skład takiego zasilacza wchodzą najczęściej: transformator, prostownik, często kondensatory filtrujące. Kondensator zmniejsza tętnienia prądu wyprostowanego. Zwiększenie mocy sygnału we wzmacniaczu następuje dzięki mocy dostarczonej przez źródło zasilania.

Do wyprostowania prądu przemiennego, tzn. przekształcenia go w jednokierunkowy, stosowany jest prostownik. Jego zasadniczym elementem jest dioda lampowa albo półprzewodnikowa. Napięcie sieci zasilającej zmienia swoją wartość oraz kierunek w czasie według funkcji sinus. Prąd w obwodzie prostownika może płynąć tylko w jednym kierunku. W obwodzie prostownika prąd płynie tylko w dodatnich półokresach przemiennego napięcia wejściowego, więc w tych samych półokresach również napięcie wyjściowe ma wartość różną od zera. Zatem w tym przypadku moc w półokresach ujemnych jest równa zeru, co decyduje o niepełnym wykorzystaniu źródła zasilania. Wynika z tego, że prąd w obwodzie anodowym nie popłynie, jeśli anoda względem katody nie będzie miała potencjału dodatniego.

Można tego uniknąć przez zastosowanie prostownika dwupołówkowego, np. w mostku Graetza. Spowoduje on popłynięcie jednokierunkowego prądu w obydwu półokresach.

Takim urządzeniem pozwalającym na rejestrowanie sygnałów biologicznych i jednocześnie obserwację procesów wytwarzania prądu i prostowania go jest oscyloskop katodowy. Na jego ekranie otrzymuje się obraz zmian wielkości badanej w czasie.