Ten dział poświęciliśmy prądowi elektrycznemu. Opisaliśmy dokładnie to zjawisko, zdefiniowaliśmy natężenie prądu i jego jednostkę – amper. Zwróciliśmy uwagę na napięcie elektryczne, które jest niezbędne do powstania prądu. Sformułowaliśmy podstawowe prawo przepływu prądu – prawo Ohma – i zdefiniowaliśmy pojęcie oporu elektrycznego. Pokazaliśmy, jak budować proste obwody elektryczne, a także jak tworzyć i interpretować ich schematy. Wiesz już, jak posługiwać się miernikiem uniwersalnym, który może pełnić funkcję amperomierza lub woltomierza. Przybliżyliśmy ci pojęcie energii elektrycznej, czyli pracy prądu elektrycznego, oraz jego mocy. Umiesz obliczać te wielkości zarówno w jednostkach układu SI, jak i tych spoza tego układu, ale stosowanych powszechnie w Polsce.

1. Natężenie prądu elektrycznego

Na rysunku nie pokazano ruchu chaotycznego elektronów a jedynie ruch ukierunkowany
  1. Prąd elektryczny – uporządkowany (ukierunkowany) ruch cząstek obdarzonych ładunkiem elektrycznym, nazywanych nośnikami prądu. W metalach nośnikami prądu są elektrony.

  2. Natężenie prądu – ilość ładunku przeniesiona przez poprzeczny przekrój przewodnika w ciągu jednej sekundy. Natężenie prądu obliczamy za pomocą wzoru:
    I=qt
    gdzie:
    I – natężenie prądu elektrycznego;
    q – wartość ładunku, który przepłynął przez poprzeczny przekrój przewodnika;
    t – czas, w którym ten ładunek przepłynął przez poprzeczny przekrój przewodnika.

  3. Jednostką natężenia prądu w układzie SI jest amper (symbol A).
    W przewodniku płynie prąd o wartości 1 ampera (1 A), jeśli w ciągu jednej sekundy (1 s) przez przekrój tego przewodnika przepływa ładunek o wartości 1 kulomba (1 C):
    1 A= 1 C1 s

  4. Natężenie prądu mierzy się amperomierzem lub miernikiem uniwersalnym ustawionym na tryb pracy amperomierza.

  5. Amperomierz łączymy szeregowo z tym elementem obwodu, w którym chcemy zmierzyć natężenie prądu.

  6. Prąd stały to prąd, który ma stałą wartość natężenia i niezmienny kierunek przepływu.

2. Napięcie elektryczne

  1. Napięcie elektryczne między dwoma punktami – czynnik wywołujący przepływ prądu. Wartość napięcia równa jest pracy wykonanej podczas przenoszenia ładunku jednostkowego między tymi punktami przewodnika.

  2. Źródłami napięcia stałego są baterie (akumulatory), które zamieniają energię reakcji chemicznych w energię elektryczną (ładunki ujemne rozdzielane są od dodatnich w wyniku reakcji chemicznych).

  3. Jednostką napięcia elektrycznego w układzie SI jest wolt (symbol V).

  4. Napięcie między dwoma punktami obwodu wynosi 1 wolt (1 V), jeśli aby przemieścić między nimi ładunek 1 kulomba (1 C) trzeba wykonać pracę 1 dżula (1 J):
    1 V= 1 J1 C

  5. Napięcie elektryczne mierzymy woltomierzem lub miernikiem uniwersalnym ustawionym na tryb pracy woltomierza.

  6. Woltomierz łączymy równolegle z tym elementem obwodu, na końcach którego chcemy zmierzyć napięcie.

3. Prawo Ohma

  1. Prawo Ohma:
    Natężenie prądu jest wprost proporcjonalne do napięcia przyłożonego do końców przewodnika, co możemy zapisać wzorem:
    I= UR
    lub
    I=1 R·U,
    gdzie: R – opór przewodnika.

  2. Opór elektryczny jest wielkością charakterystyczną przewodnika; zależy od jego długości, grubości oraz rodzaju materiału, z którego został wykonany przewodnik.

  3. Jednostką oporu elektrycznego w układzie SI jest om (symbol – Ω).

  4. Przewodnik ma opór 1 oma (1 Ω), jeśli napięcie 1 wolta (1 V) wywoła w nim przepływ prądu o natężeniu 1 ampera (1 A):
    1 Ω=1 V1 A

  5. Wykresem zależności natężenia prądu (I) płynącego przez opornik (R) od napięcia (U) jest linia prosta. Kąt nachylenia prostej zależy od oporu R: im większy kąt nachylenia, tym mniejszy opór.

4. Obwody prądu elektrycznego

  1. Obwodem elektrycznym nazywamy zestaw przewodników, źródeł napięcia, włączników, wyłączników, oporników i innych odbiorników energii elektrycznej (takich jak żarówka, silnik elektryczny, grzałka) połączonych w sposób umożliwiający przepływ prądu.

  2. Z obwodów elektrycznych zbudowane jest każde urządzenie elektryczne lub elektroniczne (telewizor, komputer, lodówka, pralka), a także fragmenty układu nerwowego człowieka i innych organizmów żywych.

5. Schemat obwodu elektrycznego

Schemat obwodu elektrycznego – rysunek elementów obwodu przedstawionych za pomocą ustalonych symboli graficznych.
Oto wykaz symboli graficznych niektórych elementów obwodów elektrycznych:

6. Szeregowe łączenie oporników

  1. Przez wszystkie oporniki połączone szeregowo płynie prąd o takim samym natężeniu:
    I1=I2=I3=...=I

  2. Napięcie przyłożone do układu oporników połączonych szeregowo rozdziela się na poszczególne oporniki, a suma napięć na poszczególnych opornikach równa jest napięciu całkowitemu:
    U1+U2+U3+...+Un=U

  3. Opór całkowity (zastępczy) oporników połączonych szeregowo jest sumą oporów poszczególnych oporników:
    Rszer.=R1+R2+R3+...+Rn

  4. Uszkodzenie jednego z odbiorników połączonych szeregowo sprawia, że przepływ prądu jest niemożliwy także w pozostałych odbiornikach.

7. Równoległe łączenie oporników

  1. Natężenie prądu płynącego przez układ oporników połączonych równolegle jest sumą natężeń prądów płynących przez poszczególne oporniki:
    I=I1+I2+I3+...+In

  2. Napięcie przyłożone do układu oporników połączonych równolegle i napięcie na każdym z nich mają taką samą wartość:
    U1=U2=U3=...=U

  3. Aby obliczyć odwrotność oporu całkowitego (zastępczego) w połączeniu równoległym, trzeba dodać do siebie odwrotności oporów poszczególnych odbiorników:
    1Rrówn.=1R1+1R2+1R3+

  4. Uszkodzenie jednego z odbiorników połączonych równolegle nie zakłóca przepływu prądu w pozostałych odbiornikach. Właśnie dlatego odbiorniki energii elektrycznej w instalacji domowej połączone są równolegle.

8. Moc prądu elektrycznego

  1. Moc prądu elektrycznego (P) – ilość energii elektrycznej (W) przekazanej elementowi obwodu elektrycznego w jednostce czasu (t):
    P=Wt

  2. Moc prądu elektrycznego równa jest iloczynowi napięcia elektrycznego (U) i natężenia prądu elektrycznego (I) wywołanego tym napięciem:
    P=U·I.
    Jeśli uwzględnimy prawo Ohma (UI=R), P=U2R lub P=I2·R.

  3. Napis „2000 W, 230 V” na urządzeniu elektrycznym oznacza, że jeśli podłączymy je do napięcia 230 woltów, to prąd płynący w tym urządzeniu spowoduje wydzielenie mocy 2000 watów.

9. Praca prądu elektrycznego

  1. Prąd płynący przez urządzenie elektryczne czerpie energię ze źródła napięcia (baterii, akumulatora, elektrowni). Kosztem tej energii wykonuje pracę mechaniczną lub zamienia ją na inne formy energii (energia cieplna, światło, dźwięk itp.).

  2. Ilość pobranej energii jest równa pracy wykonanej przez prąd, co możemy zapisać symbolicznie:
    Wprądu= Eelektryczna

  3. Aby obliczyć wartość pracy prądu płynącego w urządzeniu o mocy (P), mnożymy tę moc przez czas (t) pracy tego urządzenia:
    Wprądu=P·t

  4. Jeśli moc urządzenia wyrazimy w kilowatach (kW), a czas – w godzinach (h), to otrzymamy jednostkę pracy (energii) zwaną kilowatogodziną (kWh).
    1 kWh = 1 kW·1 
    Jednostka ta nie należy do układu SI.

  5. Kilowatogodziny przeliczamy na jednostki układu SI, czyli dżule, w następujący sposób:
    1 kWh=1 kW·1h=1000 W·3 600 s=3600 000 W·s=3 600 000 J=3,6 MJ

  6. Ponieważ moc prądu (P) jest iloczynem napięcia i natężenia prądu (P=U·I), pracę prądu możemy obliczyć ze wzoru:
    Wprądu=U·I·t

10. Wyznaczanie oporu opornika

Aby wyznaczyć opór elektryczny opornika (lub innego elementu), należy:

  • zbudować obwód elektryczny składający się z: przewodów elektrycznych, źródła napięcia, opornika (lub innego badanego elementu), amperomierza, woltomierza i wyłącznika;

  • włączyć zasilanie obwodu i zmierzyć napięcie na końcach opornika oraz natężenie prądu płynącego przez opornik;

  • obliczyć opór elektryczny (R) – podzielić napięcie (U) przez natężenie (I):

R=UI

11. Wyznaczanie mocy żarówki

Aby wyznaczyć moc prądu płynącego w żarówce (lub innym elemencie obwodu), należy:

  1. Zbudować obwód elektryczny składający się z: przewodów elektrycznych, źródła napięcia, żarówki (lub innego badanego elementu), amperomierza, woltomierza i wyłącznika.

  2. Włączyć zasilanie obwodu i zmierzyć napięcie przyłożone do żarówki oraz natężenie prądu płynącego przez żarówkę.

  3. Obliczyć moc prądu (P), mnożąc napięcie (U) przez natężenie (I), czyli ze wzoru:
    P=U·I

12. Test

Ćwiczenie 1
Ćwiczenie 2
Ćwiczenie 3
Ćwiczenie 4
Ćwiczenie 5
Ćwiczenie 6
Ćwiczenie 7
Ćwiczenie 8
Ćwiczenie 9
Ćwiczenie 10
Ćwiczenie 11
Ćwiczenie 12
Ćwiczenie 13

13. Zadania

Polecenie 1

Żelazko jest zasilane napięciem 230 V. W grzałce żelazka płynie prąd o natężeniu I=5 A.

  1. Oblicz ładunek przepływający przez przekrój tej grzałki w ciągu 5 minut. Wskazówka: pamiętaj o zamianie jednostek.

  2. Oblicz opór tego żelazka.

Polecenie 2

Podczas burzy w ziemię uderzył piorun. Czas wyładowania wynosił t=0,3 ms (milisekundy), a ładunek q przeniesiony między chmurą a ziemią miał zaś wartość 6 C.

  1. Oblicz natężenie prądu w tym piorunie (błyskawicy).

  2. Oblicz pracę potrzebną do przeniesienia ładunku elektrycznego, jeśli napięcie U między ziemią a chmurą wynosiło 10 000 000 V.

  3. Chmura była naelektryzowana dodatnio. Napisz, w którą stronę poruszały się dodatnie jony powietrza podczas tego wyładowania.

Polecenie 3

Narysuj schemat obwodu, jaki należy zbudować, aby wyznaczyć moc suszarki elektrycznej.

Polecenie 4

Na żarówce znajduje się napis: „3,5 V; 6 W”.

  1. Podaj nazwy wielkości fizycznych, których wartości podane są w tym opisie.

  2. Czy można tę żarówkę podłączyć do baterii wytwarzającej napięcie 9 V? Odpowiedź uzasadnij.

Polecenie 5

Podczas zabiegów leczniczych stosuje się prąd o małym natężeniu, który przepływa przez chore części ciała. W czasie takich zabiegów natężenie prądu stałego nie może przekraczać 14 mA. Jaką maksymalną wartość może mieć napięcie przyłożone do ręki pacjenta, jeśli wiadomo, że jej opór R (dokładnie: opór suchej skóry) wynosi 1 kΩ?

Polecenie 6

Wiele urządzeń elektrycznych wyposażonych jest w lampkę kontrolą, która sygnalizuje, że przez urządzenie płynie prąd. Czy taka lampka połączona jest z obwodem szeregowo czy równolegle? Uzasadnij swój wybór.

Polecenie 7

* Przez spiralę grzejnika elektrycznego płynie prąd o natężeniu 10 A. Grzejnik zasilany jest napięciem 230 V.

  1. Oblicz liczbę kilowatogodzin energii, jaką „zużyje” ten grzejnik podczas sześciu godzin pracy. Wskazówka: najpierw oblicz moc grzejnika i wyraź ją w kilowatach.

  2. Otrzymaną liczbę kilowatogodzin wyraź w dżulach.