Pr膮d elektryczny i jego cechy
Pr膮d elektryczny to uporz膮dkowany ruch 艂adunk贸w elektrycznych wzd艂u偶 linii pola elektrycznego powsta艂ego przez przy艂o偶enie napi臋cia do przewodnika. |
---|
Co to znaczy, 偶e strumie艅 艂adunk贸w jest uporz膮dkowany? Gdy pr膮d nie p艂ynie dok艂adnie tyle samo elektron贸w w przewodniku porusza si臋 w lewo, ile w prawo. Jest to ruch chaotyczny mimo tej r贸wnowagi mi臋dzy ilo艣ci膮 poruszaj膮cych si臋 elektron贸w. Kiedy pr膮d p艂ynie, wi臋cej elektron贸w (jak wiemy elektrony to cz膮steczki ujemne) porusza si臋 w stron臋 dodatniego potencja艂u 藕r贸d艂a pr膮du, ni偶 w stron臋 ujemnego (zgodnie z zasad膮 m贸wi膮c膮, 偶e przeciwne 艂adunki si臋 przyci膮gaj膮). Na schematach jednak umownie, ze wzgl臋d贸w historycznych (wykonano kiedy艣 takie za艂o偶enia, kt贸re jednak okaza艂y si臋 b艂臋dne), dalej przedstawia si臋 przep艂yw pr膮du w kierunku + -> -. W przewodniku nie poruszaj膮 si臋 jednak wszystkie elektrony - poruszaj膮 si臋 tylko te, kt贸re nie s膮 trwale zwi膮zane z atomami przewodnika.
Klasyfikacja przewodnik贸w |
---|
Rodzaj przewodnika |
przewodniki |
p贸艂przewodniki |
ciecze |
gazy |
W zadaniach fizycznych rozwa偶ane s膮 jednak zwykle przypadki, w kt贸rych bior膮 udzia艂 normalne przewodniki.
Aby pr膮d m贸g艂 p艂yn膮膰 musi pojawi膰 si臋 pole elektryczne wytworzone przez 藕r贸d艂o pr膮du (np. bateri臋), obw贸d musi by膰 zamkni臋ty i musz膮 istnie膰 swobodne elektrony lub jony, dzi臋ki kt贸rym przep艂yw pr膮du b臋dzie mo偶liwy.
Obw贸d to nic innego jak uk艂ad sk艂adaj膮cy si臋 ze 藕r贸d艂a energii, przewodnik贸w i jej odbiornik贸w (czyli urz膮dze艅, do kt贸rych pr膮d docieraj膮c powoduje wykonanie przez te urz膮dzenia pewnej pracy, np. 艣wiecenie 偶ar贸wki, ale o tym p贸藕niej).
Nat臋偶enie pr膮du
... informuje nas o tym jak wielki 艂adunek elektryczny przep艂ywa przez przewodnik (a 艣ci艣lej jego przekr贸j poprzeczny) w danym czasie.
- 艂adunek [C]
- czas (ang. time) [s]
Jednostk膮 nat臋偶enia jest amper [A]. Jest to jednostka podstawowa uk艂adu SI.
Pr膮d sta艂y to pr膮d elektryczny, kt贸rego nat臋偶enie si臋 nie zmienia wraz z up艂ywem czasu. |
---|
Nat臋偶enie pr膮du mierzy si臋 amperomierzem. Amperomierz musi mie膰 znikomy op贸r (偶eby nie zak艂贸ci膰 pracy uk艂adu - mocno zmniejszy膰 jego napi臋cia i nat臋偶enia). Amperomierz nale偶y przy艂膮czy膰 do uk艂adu szeregowo (tak, 偶e pr膮d przez niego przep艂ywa):
----(A)----
| |
| [ ] <- odbiornik
| |
--[+] [-]--
藕r贸d艂o
pr膮du
Efekty przep艂ywu pr膮du
Przep艂yw pr膮du elektrycznego zawsze powoduje powstawanie pola magnetycznego wok贸艂 przewodnika. Ponadto, efekty przep艂ywu pr膮du mog膮 by膰 r贸偶ne, w zale偶no艣ci od u偶ytych odbiornik贸w. Odbiornik to urz膮dzenie, kt贸re wykonuje jak膮艣 prac臋 dzi臋ki dostarczeniu do niego pr膮du.
Efekty przep艂ywu pr膮du |
---|
Efekt |
艣wietlny |
cieplny |
magnetyczny |
chemiczny |
Napi臋cie w obwodzie elektrycznym
Przep艂yw pr膮du jest spowodowany r贸偶nic膮 potencja艂贸w mi臋dzy ko艅cami przewodu (m贸wimy wtedy, 偶e do przewodnika przy艂o偶one jest napi臋cie).
Napi臋cie jest cech膮 藕r贸d艂a (napi臋cia) i r贸wne jest pracy, kt贸r膮 musi wykona膰 藕r贸d艂o napi臋cia aby przesun膮膰 przez obw贸d jednostkowy 艂adunek.
- napi臋cie
- praca [J]
- 艂adunek [C]
Napi臋cie w obwodzie mierzy si臋 woltomierzem przy艂膮czonym do obwodu r贸wnolegle, w przeciwie艅stwie do amperomierza. Op贸r woltomierza jest bardzo du偶y, aby pr膮d przez niego p艂yn膮cy by艂 pomijalnie ma艂y (tzn. aby pr膮d p艂yn膮cy przez odbiornik si臋 nie zmieni艂 po pod艂膮czeniu woltomierza).
-(V)-
| |
---o---o---
| |
| |
| |
--[+] [-]--
Op贸r elektryczny
Op贸r elektryczny to zaburzenie przep艂ywu pr膮du w przewodniku (r贸wnie偶 celowe). Zaburzenia te wywo艂ywane s膮 przez zderzanie si臋 elektron贸w z drgaj膮cymi jonami sieci krystalicznej przewodnika.
Pami臋tajmy, 偶e im d艂u偶szy przewodnik, tym wi臋kszy jest jego op贸r, odwrotnie natomiast z wielko艣ci膮 pola poprzecznego przekroju przewodnika. Najwa偶niejszy jest jednak op贸r w艂a艣ciwy przewodnika, czyli op贸r, kt贸ry stawia pr膮dowi materia艂, z kt贸rego wykonany jest przewodnik:
- Ohm - op贸r (ang. resistance)
- op贸r w艂a艣ciwy (Rho) []
- d艂ugo艣膰 przewodnika [m]
- pole poprzecznego przekroju przewodnika ( dla przewodnika o ko艂owym przekroju poprzecznym)
Op贸r przewodnika zale偶y tak偶e od jego temperatury. Czym wi臋ksza temperatura tym wi臋ksze drgania jon贸w dodatnich w przewodniku, a co za tym idzie - wi臋ksze zaburzenia swobodnego przep艂ywu elektron贸w.
Poni偶ej znajduj膮 si臋 informacje wymagane na poziomie rozszerzonym nauczania.
Zale偶no艣膰 oporu od temperatury okre艣la zwi膮zek:
- op贸r w danej temperaturze
- op贸r w temperaturze np.
- wsp贸艂czynnik termiczny oporu
- odchylenie temperatury od podstawowej (np. od -- j/w)
Tutaj ko艅czy si臋 blok informacji wymaganych na poziomie rozszerzonym nauczania.
Prawo Ohma
Prawo Ohma: Nat臋偶enie pr膮du w przewodniku jest wprost proporcjonalne do napi臋cia mi臋dzy jego ko艅cami. |
---|
W rzeczywisto艣ci jednak przewodnik ca艂y czas musia艂 by by膰 w identycznej temperaturze (sic!), aby to prawo by艂o ca艂kowicie dla niego prawdziwe.
To prawo odnosi si臋 do przewodnik贸w metalicznych!
Prawo Ohma dla odcinka obwodu
Powy偶sze prawo przedstawia wz贸r:
- op贸r odcinka obwodu
- spadek napi臋cia na odcinku obwodu
- spadek nat臋偶enia na odcinku obwodu
Prawo Ohma dla ca艂ego obwodu
- nat臋偶enie pr膮du
- si艂a elektromotoryczna 藕r贸d艂a pr膮du (napi臋cie, jakie dostarcza bateria)
- op贸r zewn臋trzny (op贸r element贸w obwodu)
- op贸r wewn臋trzny (op贸r w艂asny 藕r贸d艂a pr膮du)
Charakterystyka pr膮dowo-napi臋ciowa
Przewodnik drugi ma wi臋kszy op贸r, poniewa偶 dla takiego samego napi臋cia p艂ynie przez niego pr膮d o mniejszym nat臋偶eniu.
Wersja PNG: I(U)
Plik:Charakterystyka pr膮dowo-napi臋ciowa.png
Prawa Kirchhoffa
Pierwsze prawo Kirchhoffa
Suma nat臋偶e艅 pr膮d贸w wp艂ywaj膮cych do w臋z艂a jest r贸wna sumie nat臋偶e艅 pr膮d贸w z niego wyp艂ywaj膮cych. |
---|
\ I1
\
\______
/ I3
/
/ I2
Pierwsze prawo Kirchhoffa wynika z zasady zachowania 艂adunku. Mamy:
Drugie prawo Kirchhoffa
Suma napi臋膰 藕r贸d艂owych w dowolnym obwodzie zamkni臋tym pr膮du sta艂ego r贸wna jest sumie napi臋膰 na odbiornikach (tzw. oczkach). |
---|
Praca i moc pr膮du elektrycznego
Praca
Przep艂yw pr膮du elektrycznego jest zwi膮zany z pewn膮 prac膮. Praca ta wykonywana jest przez powstaj膮ce pole elektryczne - pole to wywo艂uje przep艂yw elektron贸w. Wiemy ju偶, jakie efekty daje praca pr膮du z pierwszej cz臋艣ci tego rozdzia艂u. Prac臋 wykonan膮 przez pr膮d obliczamy korzystaj膮c z nast臋puj膮cego wzoru:
- praca (ang. work)
- napi臋cie [V]
- nat臋偶enie [A]
- czas, dla kt贸rego praca jest mierzona [s]
Bardzo cz臋sto prac臋 przedstawia si臋 jednak w kilowatogodzinach.
1 kWh to 1 kW * 1h, czyli 3 600 000 J. |
---|
Moc
Moc pr膮du elektrycznego to praca, jak膮 wykonuje pr膮d w okre艣lonym czasie:
- moc (ang. power) [W]
- praca [J]
- czas [s]
Prawdziwy jest tak偶e wz贸r:
Sprawno艣膰 to stosunek pracy uzyskanej do w艂o偶onej (czyli jak efektywna jest praca):
艁膮czenie odbiornik贸w pr膮du elektrycznego
Obw贸d szeregowy
Obw贸d r贸wnoleg艂y
Powy偶sze wzory 艂atwo jest uzasadni膰 - w przypadku pod艂膮czenia szeregowego przez wszystkie odbiorniki p艂ynie taki sam pr膮d, a napi臋cie na ka偶dym odbiorniku zale偶y od jego oporu. W przypadku po艂膮czenia r贸wnoleg艂ego napi臋cie jest identyczne, za艣 pr膮dy - zale偶ne od opor贸w.