ELEKTRYCZNOŚĆ

Prawo zachowania ładunku mówi, że w układzie odosobnionym, niezależnie od procesów jakie w nim zachodzą, całkowity ładunek elektryczny, tzn. suma algebraiczna ładunków dodatnich i ujemnych jest wielkością stałą. Nośnikami ładunku elementarnego w przyrodzie są elektrony i protony. Bezwzględna wartość ładunku elementarnego wynosi
.

Ładunki elektryczne wytwarzają w przestrzeni, która je otacza pole elektryczne. Wielkością charakteryzującą to pole pod względem dynamicznym jest natężenie pola
zdefiniowane jako stosunek siły
, z jaką pole działa na znajdujący się w nim ładunek do wartości tego ładunku:

Natężenie
jest wielkością wektorową o kierunku zgodnym z kierunkiem działania siły
, to znaczy wzdłuż linii pola i zwrocie skierowanym do ładunku ujemnego.

Wykorzystując prawo Coulomba można wartość bezwzględną natężenia w próżni w odległości r od danego źródła określić wzorem:
gdzie q- ładunek wytwarzający pole elektryczne (ładunek źródłowy);
- przenikalność elektryczna w próżni

Gdy ładunek q umieszczony jest w ośrodku o względnej przenikalności elektrycznej
, natężenie pola w dowolnej odległości r od tego źródła jest określone wyrażeniem

gdzie
- bezwzględna przenikalność elektryczna ośrodka .

Pole elektryczne odwzorowuje się w przestrzeni graficznie za pomocą linii sił lub powierzchni ekwipotencjalnych.

POTENCJAŁ ELEKTRYCZNY

Pod względem energetycznym pole jest scharakteryzowane przez potencjał elektryczny. Potencjał V w danym punkcie pola jest równy stosunkowi energii potencjalnej
jaką uzyskuje od pola ładunek q, do jego wartości:

Równoważna definicja potencjału wynikająca ze skutków oddziaływania ładunków na siebie jest następująca: potencjał w danym punkcie pola równa się stosunkowi pracy jaką wykonują siły pola elektrycznego podczas przesuwania ładunku q z danego punktu pola do Ziemi, której potencjał przyjmuje się za równy zeru lub do nieskończoności do wartości przesuwanego ładunku.

Jeżeli praca wykonana jest przeciwko siłom pola, to potencjał w danym punkcie pola przyjmuje się umownie za ujemny.

Ważną cechą potencjału jest jego addytywność, to znaczy, że potencjał pól pochodzących od różnych źródeł sumuje się algebraicznie w danym punkcie. Właściwość ta jest bezpośrednią konsekwencją tego, że praca siły wypadkowej jest sumą prac sił składowych.

Napięcie elektryczne jest to różnica potencjałów między dwoma punktami przestrzeni, w której istnieje pole lub między dowolnymi punktami obwodu elektrycznego, do którego podłączone jest źródło siły elektromotorycznej. Jednostką napięcia jest wolt.

Prąd elektryczny w obwodzie może płynąć, jeżeli między dowolnymi punktami tego obwodu występuje różnica potencjałów. Przez prąd elektryczny rozumiemy uporządkowany ruch nośników pod wpływem różnicy potencjału, czyli napięcia. W przewodnikach metalicznych nośnikami prądu są elektrony, w półprzewodnikach - elektrony i dziury, w gazach- elektrony i jony, zaś w elektrolitach jony.

Natężenie prądu stałego definiuje się jako stosunek ilości ładunków q przepływających przez poprzeczny przekrój przewodnika do czasu przepływu

Natężenie prądu zmiennego definiuje się jako stosunek zmiany ilości ładunku dq, jaki przepływa przez przekrój przewodnika do przyrostu czasu dt w ciągu którego ten przepływ nastąpił.

Jednostką natężenia prądu jest amper. Definicja w układzie SI: jeżeli w dwóch nieskończenie długich przewodnikach o znikomym przekroju kołowym, umieszczonych, w próżni i oddalonych od siebie o jeden metr, przepływający w każdym z nich ładunek wytwarza siłę wzajemnego oddziaływania równą
na każdy metr bieżący, to natężenie prądu w każdym z tych przewodników wynosi jeden amper.

Opór elektryczny (rezystancja) przewodnika. Ohm na drodze doświadczalnej wykazał, że dla jednorodnego przewodnika metalicznego, natężenie prądu jaki przepływa przez przewodnik jest wprost proporcjonalne do przyłożonego napięcia. Wynika z tego, że stosunek napięcia przyłożonego do przewodnika do natężenia prądu, jaki przepłynie przez ten przewodnik jest dla danego przewodnika wielkością stałą- zwaną oporem elektrycznym przewodnika

Jednostka oporu elektrycznego jest om. Przewodnik stawia opór jednego oma, jeżeli pod napięciem jednego wolta przepływa przez niego prąd o natężeniu jednego ampera.

Opór elektryczny (rezystancja) jest wynikiem oddziaływania struktury przewodnika (atomów, elektronów związanych, jonów) na przemieszczające się nośniki prądu. Oddziaływanie to ma charakter elektryczny i w skutkach prowadzi do utraty energii przez nośniki. Tracona energia wydziela się w postaci ciepła Jouel'a- Lenza i jest przyczyną nagrzewania się przewodnika, przez który płynie prąd elektryczny. Oporność elektryczna zależy od takich parametrów fizycznych jak: długość przewodnika, jego przekrój poprzeczny, rodzaj materiału oraz temperatura.

Źródłem prądu nazywamy takie urządzenie, w którym kosztem energii nieelektrycznej, np. mechanicznej (w prądnicach), chemicznej (w ogniwach), świetlnej (w fotoogniwach), termicznej (w termoogniwach) lub innej, powstaje energia elektryczna. Każde źródło prądu charakteryzuje się określoną siłą elektromotoryczną. Siłę elektromotoryczną definiuje się jako wielkość pracy, którą wykonują siły nieelektryczne (zewnętrzne) nad nośnikiem prądu przenoszącym jednostkowy ładunek elektryczny między biegunami źródła, przeciwko siłom pola elektrycznego wewnątrz ogniwa.

Źródłami prądu stosowanymi w pracowni są:

1. ogniwa

2. akumulatory

3. prostowniki

4. sieć prądu zmiennego

ad 1) Ogniwa są źródłami siły elektromotorycznej, w których energia elektryczna jest wytwarzana kosztem przemian chemicznych zachodzących pomiędzy elektrolitem a elektrodami. Z termodynamicznego punktu widzenia energia, która ulega przetworzeniu w energię elektryczną nie jest energią wewnętrzną U, lecz energią swobodna G układu złożonego z elektrod i elektrolitu. W praktyce wykorzystuje się ogniwo Daniella, Wetsona, Leclanchego, Greneta lub też ogniwo dyfuzyjne Medingera.

Ad 2) Akumulator również jest ogniwem, z tym że do wytwarzania siły elektromotorycznej jest wykorzystywane zjawisko polaryzacji elektrod. Sam proces polaryzacji jest przeprowadzany przez zewnętrzne (inne) źródło prądu stałego. Zabieg ten nosi nazwę ładowania akumulatora.

Ad 3) Prostowniki są urządzeniami, w których zachodzi zmiana prądu zmiennego (przemiennego) na prąd stały. Wyróżnia się prostowniki jednopołówkowe i dwupołówkowe o stabilizowanym napięciu lub stabilizowanym prądzie.

Ad 4) Bezpośrednie zasilenie sieciowe wykorzystuje się rzadko. Stosuje się różnego rodzaju transformatory na ogół zmniejszające napięcie. Zasilanie tego rodzaju stosuje się wszędzie tam, gdzie nie jest wymagane do zasilania układu źródło prądu stałego.

Obwód elektryczny stanowi układ zamknięty dla prądu elektrycznego. elektrycznego skład każdego obwodu elektrycznego wchodzą dwojakiego rodzaju elementy:

1. czynne- wszelkiego rodzaju źródła sił elektromotorycznych (SEM)

2. bierne- oporniki, elementy indukcyjne, pojemnościowe oraz nieliniowe, takie jak np. tranzystory, układy scaleniowe, lampy elektronowe

Przebiegi elektryczne zachodzące w obwodach elektrycznych podlegają prawom wynikającym z ogólnej teorii pola. Z praktycznego punktu widzenia do obliczeń parametrów obwodów liniowych wystarczają trzy podstawowe prawa: prawo Ohma oraz dwa prawa Kirchoffa.

Spadek potencjału wzdłuż przewodnika

Jeżeli do końców jednorodnego przewodnika przyłożyć różnicę potencjałów to potencjał ten rozłoży się równomiernie wzdłuż całej jego długości.

Spadek potencjału na jednostkę długości przewodnika jest tym większy, im większą różnicę potencjału przyłoży się do jego końców.

Napięcie mierzone przez woltomierz na odcinku przewodnika AB (U_AB ) jest równe napięciu źródła prądu, mierzone zaś na odcinkach CB,DB,EB będzie odpowiednio równe U_CB, U_DB, U_EB. Między długościami rozpatrywanych odc. zachodzą nierówności AB>CB>DB>EB. Taka sama nierówność będzie zachodziła między opornościami odcinków, co stanie się powodem tego, że między napięciami na poszczególnych odcinkach będzie taka sama nierówność tzn. U_AB >U_CB >U_DB >U_EB . Jeżeli ruchomy styk dołączony do woltomierza przesunąć do punktu B, to woltomierz wskaże napięcie równe zeru, ponieważ oba końce przyrządu będą podłączone do tego samego punktu. Napięcie przypadające na jednostkę długości przewodnika AB jest na całej jego długości jednakowe, ponieważ założyliśmy, że przewodnik jest jednorodny, co wyraźnie widać w górnej części rysunku. Powyższa prawidłowość znalazła szerokie zastosowanie w potencjometrach, dzięki którym możemy otrzymywać dowolne napięcia, poczynając od napięcia źródła prądu, a kończąc na zerze.

Napięcie przyłożone do opornika R równa się napięciu źródła U, natomiast U_p pobierane z zacisków AB możemy traktować jako bierne źródło siły elektromotorycznej, ponieważ nie możemy z niego czerpać prądu o dowolnym natężeniu.

Przyrządy pomiarowe

Pomiarów wielkości fizycznych takich jak: napięcie, natężenie, moc i praca prądu, można dokonywać korzystając ze zjawisk, jakie towarzyszą przepływającemu prądowi. Przepływ prądu przez dowolny przewodnik, generuje zjawiska cieplne, chemiczne i magnetyczne. Na dowolnym z tych zjawisk może być oparte działanie elektrycznych przyrządów pomiarowych. W praktyce większość przyrządów elektrycznych analogowych działa na zasadzie magnetycznej. Zasada działania analogowych mierników pomiaru natężenia prądu w obwodzie i pomiaru napięcia na dowolnym elemencie obwodu są takie same. Różnica występuje jedynie w wartości tych ich oporności wewnętrznej. Amperomierz jest zawsze włączony szeregowo i nie powinien powodować zmniejszenia energii nośników prądu, które przez niego przepływają, a zatem powinien mieć bardzo mały opór wewnętrzny. Woltomierz zaś jest zawsze włączony równolegle do elementu obwodu, na którym ma zmierzyć różnicę potencjałów. Powstaje w ten sposób dodatkowe rozgałęzienie dla prądu i aby ograniczyć natężenie prądu, który tą drogą będzie przepływać, jego oporność wewnętrzna winna być jak największa.

Miernik- przyrząd pomiarowy wskazujący z określoną dokładnością wartość wielkości mierzonej. Ze względu na charakter wskazania wielkości mierzonej rozróżnia się dwa rodzaje mierników:

1. analogowe

2. cyfrowe

Mierniki analogowe wykonywane są jako wskazówkowe lub odchyłowi i wskazują wielkość mierzoną za pomocą wskazówki lub plamki świetlnej przesuwającej się na tle podziałki danego miernika. Podziała miernika jest wyskalowana w jednostkach wielkości mierzonej. W miernikach wielofunkcyjnych występują oddzielne podziałki dla wielkości stałoprądowych i zmiennoprądowych oraz oporności i pojemności. Są to mierniki wielozakresowe.

Mierniki cyfrowe wskazują wartość wielkości mierzonej w postaci liczby na wskaźniku cyfrowym. Działanie ich oparte jest na technice cyfrowej w układzie dziesiętnym. Dla mierników cyfrowych określa się tzw. rozdzielczość, czyli stosunek najmniejszej zmiany wskazania liczbowego do wskazania liczbowego nominalnego.

---