ELEKTRYCZNOŚĆ

Prąd elektryczny to uporządkowany ruch ładunków elektrycznych wzdłuż linii pola elektrycznego powstałego przez przyłożenie napięcia do przewodnika.

Nośnikami energii elektrycznej w przewodnikach są elektrony. W cieczach mogą to być jony dodatnie lub ujemne.
Warunkiem płynięcia prądu jest różnica potencjałów w przewodnikach. Przyjęto, że prąd w przewodnikach płynie od wyższego do niższego potencjału. W metalach przepływ prądu jest to uporządkowany ruch elektronów (ładunek ujemny). Za kierunek płynięcia prądu przyjmujemy kierunek odwrotny czyli od + do -.

Prąd stały to prąd elektryczny, którego natężenie się nie zmienia wraz z upływem czasu.

Prąd przemienny (ang. alternating current, AC) - charakterystyczny przypadek prądu elektrycznego okresowo zmiennego, w którym wartości chwilowe podlegają zmianom w powtarzalny, okresowy sposób, z określoną częstotliwością. Wartości chwilowe natężenia prądu przemiennego przyjmują naprzemiennie wartości dodatnie i ujemne (stąd nazwa przemienny). Najczęściej pożądanym jest, aby wartość średnia całookresowa (tzn. składowa stała) wynosiła zero.

Natężenie prądu informuje nas o tym jak wielki ładunek elektryczny przepływa przez przewodnik w danym czasie. Natężenie prądu jest wielkością podstawową, definiowaną jako stosunek ładunku przepływającego przez przekrój poprzeczny przewodnika do czasu w jakim on przepłynął.

I  - natężenie prądu (w układzie SI w amperach - A)
q  - przenoszony ładunek (w układzie SI w kulombach - C)
t  - czas (w układzie SI w sekundach - s)

Jednostką natężenia jest amper [A]. Jest to jednostka podstawowa układu SI.

Jeden amper odpowiada prądowi przenoszącemu w ciągu jednej sekundy ładunek jednego kulomba.

Jeden amper, to 1 kulomb na sekundę:

 

Natężenie prądu mierzy się amperomierzem. Amperomierz musi mieć znikomy opór (żeby nie zakłócić pracy układu - mocno zmniejszyć jego napięcia i natężenia). Amperomierz należy przyłączyć do układu szeregowo (tak, że prąd przez niego przepływa).

Napięcie jest różnicą potencjałów między dwoma punktami obwodu (układu).

Napięcie jest cechą źródła (napięcia) i równe jest pracy, którą musi wykonać źródło napięcia aby przesunąć przez obwód jednostkowy ładunek.

U - napięcie
W - praca [J]
q - ładunek [C]

 

Napięcie (podobnie jak sam potencjał) w układzie SI mierzymy w woltach (V).

 

Napięcie różne od zera może występować tylko między dwoma istotnie różnymi (przedzielonymi jakimś źródłem, lub odbiornikiem prądu) punktami obwodu.

Napięcie w obwodzie mierzy się woltomierzem przyłączonym do obwodu równolegle, w przeciwieństwie do amperomierza. Opór woltomierza jest bardzo duży, aby prąd przez niego płynący był pomijalnie mały (tzn. aby prąd płynący przez odbiornik się nie zmienił po podłączeniu woltomierza).

Przykładowo, jeżeli potencjał jednego punktu wynosi V₁ = 5 V, a potencjał drugiego V₂ = 12 V, to między tymi punktami panuje napięcie między tymi punktami ma wartość

 U = 12 V - 5 V = 7 V

Przepływ prądu elektrycznego zawsze powoduje powstawanie pola magnetycznego wokół przewodnika. Ponadto, efekty przepływu prądu mogą być różne, w zależności od użytych odbiorników. Odbiornik to urządzenie, które wykonuje jakąś pracę dzięki dostarczeniu do niego prądu.

Bardzo prosty obwód elektryczny złożony jest z: źródła napięcia elektrycznego, przewodników elektrycznych, odbiornika energii elektrycznej

Warunki przepływu prądu: występowanie napięcia, obwód powinien być zamknięty

Amperomierz włączamy do odwodu szeregowo (jeden po drugim)

Woltomierz wykorzystywany jest do pomiaru napięcia, włączamy równolegle

Najprostszy obwód z prądem

Weźmy pod uwagę najprostszy możliwy obwód zawierający źródło prądu i jeden odbiornik (opornik) w którym wydziela się energia elektryczna czerpana ze źródła. Założymy tu dodatkowo, że nasze źródło prądu jest źródłem doskonałym stałonapięciowym - tzn. dostarcza nam prąd o stałym napięciu bez względu na wartość oporu do niego podłączonego.

Na rysunku przewody doprowadzające mają postać kresek, opornik (odbiornik prądu) oznaczony jest przez mały prostokąt, źródło zaś symbolizowane jest przez dwie kreski prostopadłe do przewodów (krótsza dłuższa kreska oznacza biegun dodatni, a krótsza cieńsza - ujemny).

W przypadku, gdy źródło prądu nie jest określone jak typowe ogniwo (może to być np. zasilacz, czy jakiś inny układ elektroniczny) stosuje się też jego oznaczenie w postaci samych zacisków.

 

W takiej sytuacji schemat nie sugeruje (co zwykle w domyśle przyjmuje się w przypadku ogniw), że źródło prądu charakteryzuje się oporem wewnętrzny.

Warunek przepływu prądu:
Przyłożenie napięcia do końca przewodnika o długości l powoduje powstanie w nim pola elektrycznego o natężeniu E=U/l .Pole to działa na elektrony swobodne siłą: F= - Ee nadając przyśpieszenie powodując ich ruch wzdłuż przewodnika w stronę potencjału wyższego. Elektrony swobodne podczas zderzeń z jonami sieci krystalicznej przekazują część uzyskanej energii kinetycznej. Skutkiem czego energia jonów rośnie (rośnie amplituda ich drgań) czyli wzrasta temperatura przewodnika, przez który przepływa prąd, a więc wzrasta jego energia wewnętrzna. W wyniku kolejnych zderzeń elektrony swobodne uzyskują stałą średnią prędkość Vu, którą nazywamy prędkością unoszenia.

Kierunek przepływu prądu elektrycznego:
• rzeczywisty- od potencjału niższego do potencjału wyższego, czyli przeciwnie do zwrotu linii pola elektrycznego w przewodniku
• umowny - od potencjału wyższego do potencjału niższego, czyli zgodnie ze zwrotem linii pola elektrycznego w przewodniku
Uwaga!!! Na schematach obwodów elektrycznych zaznaczamy kierunek umowny.

Amperomierz - przyrząd pomiarowy służący do pomiaru natężenia prądu elektrycznego.

Woltomierz jest to przyrząd pomiarowy za pomocą którego mierzy się napięcie elektryczne (jednostka napięcia wolt)

Amperomierz wpina się szeregowo i z obciążeniem (opornikiem) inaczej się spali gdyż jego rezystancja(opór) wewnętrzny jest zbyt mały i może amperomierz się spalić.

Woltomierz równolegle, dlatego że ma większą rezystancję wewnętrzną i mierzy spadki napięć jeżeli podepnie się go szeregowo to ulegnie zniszczeniu.

Aby podłączyć amperomierz trzeba rozłączyć obwód. Woltomierz można podłączyć przy zamkniętym obwodzie powodując jakieś nieznaczne zakłócenie przy podłączaniu.

ELEKTROLIZA

Dysocjacja elektrolityczna - inaczej zwana jonową. Jest to rozpad cząsteczek wody na jony pod wpływem wody. Dysocjacji elektrolitycznej ulegają cząsteczki związku o wiązaniu jonowym lub atomowym spolaryzowanym.
Dysocjacja elektrolityczna nadaje roztworom specyficzne właściwości. Roztwory związków chemicznych, które ulegają dysocjacji, przewodzą prąd elektryczny. Zdysocjowany roztwór związku chemicznego nazywa się elektrolitem.

Stopień dysocjacji to stosunek liczby moli cząsteczek danego związku chemicznego, które uległy rozpadowi na jony do łącznej liczby cząsteczek tego związku, znajdującego się w roztworze, fazie gazowej lub stopie, w którym zaszło zjawisko dysocjacji elektrolitycznej.

Stopień dysocjacji zależy od:

• struktury związku, dla którego ten stopień jest ustalany

• rodzaju rozpuszczalnika

• obecności w roztworze innych związków zdolnych do dysocjacji

• stężenia roztworu (na ogół wzrasta w miarę rozcieńczania roztworu)

• temperatury (na ogół nieco wzrasta wraz ze wzrostem temperatury)

Proces elektrolizy

Elektroliza zachodzi w układach, w których występują substancje zdolne do jonizacji, czyli rozpadu na jony. Samo zjawisko jonizacji może być wywołane zarówno przyłożonym napięciem elektrycznym, jak i zjawiskami nie generowanymi bezpośrednio przez prąd - dysocjacją elektrolityczną autodysocjacją, wysoką temperaturą, czy działaniem silnym promieniowaniem.

Proces elektrolizy jest napędzany wymuszoną wędrówką jonów do elektrod, zanurzonych w substancji, po przyłożeniu do nich odpowiedniego napięcia prądu elektrycznego. W elektrolizie elektroda naładowana ujemnie jest nazywana katodą, a elektroda naładowana dodatnio anodą. Każda z elektrod przyciąga do siebie przeciwnie naładowane jony. Do katody dążą więc dodatnio naładowane kationy, a do anody ujemnie naładowane aniony. Po dotarciu do elektrod jony przekazują im swój ładunek, a czasami wchodzą też z nimi w reakcję chemiczną, na skutek czego zamieniają się w obojętne elektrycznie związki chemiczne lub pierwiastki. Ponadto, wędrujące przez substancję jony mogą po drodze ulegać rozmaitym reakcjom chemicznym z innymi jonami lub substancjami, które nie uległy rozpadowi na jony. Powstające w ten sposób substancje zwykle albo osadzają się na elektrodach albo wydzielają się z układu w postaci gazu. Proces elektrolizy wymaga stałego dostarczania energii elektrycznej.

Zjawisko elektrolizy zostało opisane ilościowo w dwóch prawach elektrolizy Faradaya.

Pierwsze Prawo Elektrolizy Faradaya

Masa substancji wydzielonej podczas elektrolizy jest zawsze proporcjonalna do ładunku, jaki przepłynął przez elektrolit, niezależnie od rodzaju elektrolitu i elektrod. Prawo to można zapisać równaniem:

m = klt = kq

m jest masą która podczas procesu wydziela się na danej elektrodzie, I jest natężeniem prądu przepływającego przez roztwór, t to czas, w jakim trwa elektroliza, q jest ładunkiem unoszonym przez jony, natomiast k stanowi pewien współczynnik proporcjonalności we wzorze [k] = kg/As. Ten współczynnik nazywany jest także elektrochemicznym równoważnikiem substancji wydzielonej i ilościowo równa się całkowitej masie wydzielonych na elektrodzie jonów, jeżeli przez roztwór w jednostce czasu przepływa pojedyncza jednostka ładunku elektrycznego.

Drugie Prawo Elektrolizy Faradaya

Ładunek wymagany do wydzielenia się lub wchłonięcia jednostkowej masy m określony jest wzorem:

Q = FmZ/M

Q -jest tym ładunkiem, M - tzw. masą molową danego jonu, F - stałą Faradaya. Stała ta wyraża się jako:

F = N_ae

e - ładunek elektronu, N_a - tzw. stała Avogadra.

Inne sformułowanie Drugiego Prawa Faradaya brzmi następująco: stosunek mas substancji wydzielonych na obu elektrodach przy przepływie przez układ jednakowych ładunków elektrycznych jest równy wzajemnemu stosunkowi ich równoważników elektrochemicznych:

k₁/k₂ = R₁/R₂

R_1,2 - równoważniki elektrochemiczne, k_1,2 - współczynniki proporcjonalności.

Obowiązuje ponadto zależność:

R = M/w

(Zależność masy molowej danego pierwiastka i jego wartościowości.)

Łącząc ze sobą za pomocą kilku przekształceń Pierwsze i Drugie Prawo Elektrolizy Faradaya otrzymać można prostszy wzór:

M = (1/Fn/w) It = 1/Fn/wg

w - wartościowość pierwiastka, F - stała proporcjonalności, n - masa cząsteczkowa substancji.

Równoważnik elektrochemiczny (oznaczany symbolem: k) to wartość stosowana w elektrochemii równa masie substancji wydzielonej przy przepływie przez elektrolit ładunku elektrycznego 1 C. W układzie SI jednostką równoważnika elektrochemicznego jest [kg/C].

Równoważnik chemiczny (R, eq) - jest to taka masa substancji, która łączy się z 1,008 jednostki wagowej wodoru lub z 8 jednostkami wagowymi tlenu, bądź też wypiera te ilości wodoru/tlenu ze związku

Stała Faradaya - stała fizyczna, która oznacza ładunek elektryczny przypadający na jeden mol elektronów (bez znaku):

N_A - stała Avogadra,

e   - ładunek elektronu.

Ponieważ ładunek elementarny e = 1,6021917(70)×10^-19 C, więc wielkość stałej Faradaya wyrażona w kulombach

Stała Faradaya jest wykorzystywana m.in. w wielu równaniach i prawach.

Faradaj to pozaukładowa jednostka ładunku elektrycznego, zdefiniowana jako ładunek elektryczny jednego mola elektronów (bez znaku), obecnie zastąpiona przez jednostkę układu SI, kulomb. Jest liczbowo równy stałej Faradaya.

Przepływ prądu w cieczach Nośnikami prądu w cieczach są jony dodatnie (kationy) i ujemne (aniony), w wyniku przepływu jonów powstała w nich energia chemiczna zamienia się na elektryczną, co znalazło zastosowanie w ogniwach i akumulatorach.
Przewodnictwo elektrolitów wynika z tego, że cząsteczki rozpuszczone w wodzie ulegają rozbiciu na jony swobodne (atomy) lub cząsteczki naładowane (np. Na+, H+, Cl-), czyli na takie które mają nadmiar lub niedobór elektronów.

Jaki jest mechanizm przepływu prądu elektrycznego w przewodnikach ciekłych?

Ładunek elektryczny jest własnością materii. Mówiąc o przepływie prądu elektrycznego w przewodnikach ciekłych musimy pamiętać, że ładunek elektryczny przemieszczany jest razem z materią. W przewodnikach ciekłych prąd elektryczny tworzą jony dodatnie i jony ujemne. Jony mają masę znacznie większą niż elektrony. Z przepływem jonów w przewodnikach ciekłych związany może być przepływ znacznej ilości materii.
W sytuacji, gdy nie ma zewnętrznego pola elektrycznego jony są równomiernie rozmieszczone w całej objętości przewodnika ciekłego. We wstępnej analizie pomijamy stały, chaotyczny ruch jonów.
Po przyłożeniu zewnętrznego pola elektrycznego następuje przesunięcie jonów ujemnych w stronę przeciwną do zwrotu wektora natężenia pola elektrycznego czyli w stronę potencjału dodatniego, a jonów dodatnich w stronę zgodną wektorem natężenia pola elektrycznego czyli w stronę potencjału ujemnego.
W przewodniku ciekłym znajdującym się w zewnętrznym polu elektrycznym nastąpi rozdzielenie ładunku - na powierzchniach bliższych potencjałowi dodatniemu wystąpi zwiększenie ładunku ujemnego (zwiększenie ilości jonów ujemnych), na powierzchniach bliższych potencjałowi ujemnemu - zwiększenie ładunku dodatniego (zwiększenie ilości jonów dodatnich). Całkowity ładunek znajdujący się w umieszczonym w zewnętrznym polu elektrycznym przewodniku ciekłym nie zmieni się.
Sytuacja się zmienia, gdy z jednej strony przewodnika ,umieszczonego w zewnętrznym polu elektrycznym, znajdzie się "magazyn dostawcy" dostarczający nowych ładunków elektrycznych, a drugiej strony "magazyn odbiorcy" zbierający ładunek. Funkcję takiego podwójnego magazynu pełnią ogniwa elektryczne, baterie, prądnice, akumulatory. Nazywane są one źródłami prądu (lub źródłami napięcia elektrycznego).
Każde źródło prądu elektrycznego pełni równocześnie funkcję polegającą na przynoszeniu elektronów między oboma "magazynami" już wewnątrz źródła. Mówimy, że każde źródło prądu ma dwa bieguny - dodatni i ujemny.
Biegun ujemny źródła prądu dostarcza ładunków ujemnych niezbędnych do przepływu prądu elektrycznego (inaczej mówimy do obwodu elektrycznego). Biegun dodatni dostarcza ładunku dodatniego czyli zbiera elektrony, a wewnątrz baterii, kosztem innej energii, elektrony przenoszone są z bieguna dodatniego do ujemnego.
Przepływ prądu elektrycznego uzyskujemy przez zbudowanie obwodu elektrycznego składającego się z przewodników; źródła prądu (źródła napięcia) i odbiorników prądu elektrycznego. Źródło prądu (źródło napięcia) zapewnia wytworzenie pola elektrycznego i swobodne nośniki ładunku elektrycznego. Gdy znamy natężenie prądu płynącego przez elektrolit możemy obliczyć całkowity ładunek, który przepłynął przez ten elektrolit (i przez każdy inny punkt omawianego obwodu).

MOC PRĄDU

Przepływ prądu w obwodzie elektrycznym związany jest z wykonywaniem pracy przez pole elektryczne.

Praca prądu zamieniana jest w obwodzie elektrycznym na odpowiedni rodzaj energii (ciepło, promieniowanie itp.).

• Praca




Jednostką pracy prądu jest dżul [J]. Korzystając z podanego wzoru, możemy wyrazić jednostkę pracy za pomocą jednostek wielkości elektrycznych:

[J = VּAּs].

W praktyce używa się także jednostki pracy zwanej kilowatogodziną [kWh].

1 kWh = 3 600 000 J

• Moc urządzeń elektrycznych jest równa stosunkowi pracy wykonanej przez dane urządzenie do czasu, w którym ta praca została wykonana.

P =


Moc prądu możemy obliczać z następujących wzorów:

P = U ּ I

P = I²ּ R

P =


Jednostką mocy urządzeń elektrycznych jest wat [W= VּA].

Praca prądu elektrycznego jest sumą prac sił opisujących oddziaływanie poruszających się ładunków elektrycznych z siecią krystaliczną przewodnika (grzałki, żarówki, itp.) lub z innymi poruszającymi się ładunkami wytwarzającymi pole magnetyczne (silniki prądu stałego).

Praca prądu elektrycznego w obwodzie prądu stałego jest równa iloczynowi napięcia źródła energii elektrycznej, natężenia prądu przepływającego przez odbiornik oraz czasu przepływu prądu. W przypadku zmian natężenia prądu lub napięcia praca jest sumą prac elementarnych podobnie jak w przypadku zmian siły.

Jednostką pracy w tym przypadku jest wolt·amper·sekunda równy dżulowi (J)

W skali makroskopowej, przy przepływie prądu elektrycznego przez rezystor, praca prądu zamieniana jest na ciepło. Przy przepływie prądu przez silnik elektryczny praca prądu zamieniana jest na pracę mechaniczną.

Moc prądu przemiennego
Jest równa iloczynowi napięcia skutecznego, natężenia skutecznego i cosinusa kąta alfa przesunięcia fazowego

Skuteczne natężenie lub napięcie prądu elektrycznego, wartość natężenia lub napięcia prądu elektrycznego, równa pierwiastkowi ze średniej z kwadratu danej wielkości (tj. natężenia lub napięcia). W ogólnym przypadku dowolnie zmiennego (ale periodycznego) prądu elektrycznego

Przesunięcie fazowe jest to różnica pomiędzy dwiema wartościami fazy fali (lub przebiegu czasowego). Z uwagi na fakt, że faza fali zazwyczaj podawana jest w radianach lub w stopniach kątowych również i przesunięcie fazowe wyrażone jest w tych samych jednostkach. Przesunięcie fazowe jest istotną wartością w wielu dziedzinach fizyki i techniki. Przykładowo wpływ przesunięcia fazowego pozwala na obliczenie wartości mocy czynnej pobieranej przez dany odbiornik energii elektrycznej.

Przesunięcie fazowe między dwoma przebiegami sinusoidalnymi

Wat (W) jest to moc, przy której praca 1 J wykonana jest w czasie 1 s.

Dżul (J) jest to energia równa pracy wykonanej przez siłę 1 N w kierunku jej działania, na drodze długości 1 m.

Wolt (V) jest to napięcie elektryczne występujące między dwiema powierzchniami ekwipotencjalnymi jednorodnego przewodu prostoliniowego, w którym płynie nie zmieniający się prąd 1 A, a moc wydzielana przez przewód między tymi powierzchniami jest równa 1 W.

Amper (A) jest to prąd elektryczny nie zmieniający się, który płynąc w dwóch przewodach równoległych, prostoliniowych, nieskończenie długich, o przekroju znikomo małym, umieszczonych w próżni w odległości 1 m od siebie, wywołałby między tymi przewodami siłę 2 · 10^-7 N na każdy metr długości.

---