Urządzenia pracujące dzięki prądowi elektrycznemu są nieodłącznym elementem naszego życia. Trudno wyobrazić sobie dzień bez czajnika elektrycznego, odkurzacza, oświetlenia, tramwaju. Bez prądu nie działają rozrusznik samochodowy ani pociągi (nawet jeśli główny napęd pociągu jest spalinowy, to i tak bez prądu nie da się go uruchomić). Radio, telewizja, telefony… Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o zjawisku przepływu prądu elektrycznego, czytaj dalej.

Prąd elektryczny jest w naszej rzeczywistości tak wszechobecny, że nie wyobrażamy sobie życia bez niego. Z trudem dociera też do nas świadomość, jak niewiele tak naprawdę upłynęło czasu od momentu, gdy pierwsze gniazdka elektryczne pojawiły się w domach mieszkalnych i budynkach użyteczności publicznej
Już wiesz
  • opisać atom jako obiekt zbudowany z jądra atomowego, wokół którego poruszają się elektrony;

  • wymienić nośniki ładunku elektrycznego – elektrony swobodne i jony;

  • rozróżnić przewodniki i izolatory prądu elektrycznego;

  • wyjaśnić, że jednostką ładunku elektrycznego jest kulomb (C).

Nauczysz się
  • objaśniać pojęcie natężenia prądu elektrycznego;

  • wykorzystywać zależność natężenia prądu elektrycznego od czasu jego przepływu i ładunku elektrycznego;

  • mierzyć wartość natężenia prądu elektrycznego;

  • korzystać z zależności między jednostką natężenia prądu elektrycznego (amperem) a jej krotnościami.

1. Natężenie prądu elektrycznego

Już na lekcjach przyrody w szkole podstawowej, a niedawno podczas lekcji poświęconych elektrostatyce, dowiedzieliście się, że istnieją dwie podstawowe grupy substancji: przewodniki i izolatory. W przewodnikach znajdują się swobodne nośniki ładunku, czyli cząstki lub cząsteczki mające ładunek elektryczny różny od zera i mogące się poruszać w obrębie danego przewodnika. Te nośniki to elektrony i jony. W izolatorach zaś istnieją zarówno elektrony, jak i jony, ale nie mogą się one przemieszczać.

Swobodne nośniki ładunku – skupmy się na ciałach stałych i elektronach – nieustannie się poruszają. Zachowują się jak cząsteczki gazu (dlatego używamy pojęcia „gaz elektronowy”). Elektrony poruszają się chaotycznie – mogą się zderzać ze sobą lub z atomami tworzącymi sieć krystaliczną. Przypomina to trochę ruch żaglówek i kajaków na jeziorze. A jak taki ruch wyglądałby na rzece? Wyobraźmy sobie na tyle szeroką rzekę, że z jej środka nie widać brzegów (Amazonka ma u ujścia szerokość około 80 km). Po tej rzece w dowolny sposób pływają łódki. Nie widzisz brzegów; jedyne, co możesz zaobserwować to chaotyczny ruch łódek. Gdybyśmy spojrzeli z góry, dostrzeglibyśmy, że oprócz tego chaotycznego ruchu mamy do czynienia z przemieszczeniem się tych wszystkich łódek w stronę oceanu. Powiemy, że wszystkie one dryfują w jedną stronę. Jedne z nich poruszają się prostopadle do brzegów, inne – w stronę ujścia, a jeszcze inne – w górę rzeki. Prąd elektryczny to właśnie taki dryf elektronów – poruszają się one we wszystkich możliwych kierunkach. Powodem zmian kierunku są zderzenia z atomami lub innymi elektronami. Podczas zderzeń elektrony mogą tracić energię. Dlaczego jednak poruszają się dalej?

Łódki płyną rzeką z miejsca położonego wyżej do miejsca położonego niżej. Im większa różnica wysokości, z tym z większą prędkością płynie woda. A co zmusza elektrony do dryfowania w którąś stronę? W tym przypadku rolę różnicy wysokości odgrywa napięcie elektryczne. Definicję tej wielkości poznasz w szkole ponadgimnazjalnej (liceum lub technikum). Na razie będziemy jej tylko używać do opisu zjawisk związanych z przepływem prądu elektrycznego. Nieco więcej na ten temat dowiesz się z następnego rozdziału.

prąd elektryczny

– ukierunkowany ruch nośników ładunków elektrycznych.

Ruch ładunków w przewodnikach o różnych kształtach przekroju poprzecznego

Na powyższym rysunku przedstawiono dryf elektronów, który jest ruchem ukierunkowanym, pominięto zaś ruch chaotyczny. Na poprzecznym przekroju przewodnika widać, że przepływają tamtędy ładunki. Jeżeli w danym czasie przepłynie ich więcej, to powiemy, że natężenie prądu elektrycznego jest większe. Taki sam efekt zaobserwujemy, gdy ten sam ładunek przepłynie w krótszym czasie.

Ćwiczenie 1

Na podstawie tego, co napisaliśmy wyżej,możemy sformułować definicję natężenia prądu elektrycznego.

natężenie prądu elektrycznego

– stosunek ładunku, jaki w pewnym czasie przepłynie przez poprzeczny przekrój przewodnika, do czasu tego przepływu.

I=qt

gdzie:
I – natężenie prądu elektrycznego;
q[C] – ładunek;
t[s] – czas.

Jednostką natężenia jest amper, oznaczany literą „A”. Jeśli przez przewodnik płynie prąd o natężeniu 3 A, to znaczy, że w czasie 1 sekundy przez poprzeczny przekrój tego przewodnika przepływa ładunek równy 3 C. Nazwa jednostki natężenia pochodzi od nazwiska francuskiego fizyka André Ampère'a.

Amper jest dużą jednostką, dlatego najczęściej posługujemy się jej podwielokrotnościami:

1mA=0,001 A
1 mA=10-3A

Dokładną definicję ampera poznasz w liceum. Jeżeli już teraz chcesz dowiedzieć się więcej o jednostce natężenia prądu, informacji na ten temat poszukaj w internecie.

Ciekawostka

André‑Marie Ampère żył w latach 1775–1836. Uczył fizyki i chemii, interesował się matematyką. W 1826 r. opublikował ważną pracę dotyczącą elektryczności i magnetyzmu, w której to pracy znalazło się równanie opisujące siłę elektrodynamiczną. Równanie to nazywamy dziś prawem Ampère'a.

Nazwa jednostki natężenia prądu elektrycznego jeden amper (1 A) pochodzi od nazwiska André-Marie Ampère’a

2. Pomiar natężenia prądu elektrycznego

Do pomiaru natężenia prądu służy amperomierz. Często stosuje się mierniki uniwersalne, którymi można zmierzyć różne wielkości fizyczne, w tym natężenie prądu.

A – amperomierz, B – miernik uniwersalny
Doświadczenie 1

Kształtowanie umiejętności posługiwania się miernikiem uniwersalnym – amperomierzem.

Co będzie potrzebne
  • przewody;

  • amperomierz;

  • źródło prądu (np. baterie 1,5 V lub 4,5 V);

  • żarówka.

Instrukcja
  1. Połącz elementy obwodu.

  2. Na mierniku ustaw opcję pomiaru natężenia prądu.

  3. Wybierz odpowiedni zakres miernika.

  4. Połącz miernik z obwodem.

  5. Odczytaj wskazania miernika.

  6. Powtórz pomiar natężenia dla drugiej baterii.

Wartości natężenia prądu można odczytać z tabliczek informacyjnych znajdujących się na odbiornikach energii elektrycznej lub w instrukcjach obsługi tych urządzeń. Poniżej znajduje się tabelka z przykładowymi wartościami natężenia.

Wartości natężenia prądu dla wybranych urządzeń
Urządzenie Natężenie prądu
Pralka
10 A
Lodówka
0,65 A
Ekran telewizora z wyświetlaczem LCD
0,42 A
Ładowarka do baterii Li‑ion
0,03-0,04 A
Polecenie 1

Z pomocą osoby dorosłej odczytaj natężenie prądu, który może przepływać przez urządzenia codziennego użytku (możesz też skorzystać z internetu). Wpisz odpowiednie wartości w poniższą tabelę.

Wartości natężenia prądu w wybranych urządzeniach
Urządzenie Natężenie prądu
Ładowarka do telefonu komórkowego  
Suszarka do włosów  
Odkurzacz  
Tu wpisz wybrane urządzenie: ….....................................................................  
Tu wpisz wybrane urządzenie: ….....................................................................  
Tu wpisz wybrane urządzenie: ….....................................................................  

W odbiornikach prądu elektrycznego używanych w domu natężenie prądu osiąga najczęściej nie więcej niż 10 A. Na miernikach uniwersalnych znajduje się dodatkowe gniazdo (port), do którego podłącza się przewód, gdy natężenie prądu jest większe niż 10 A.

Ćwiczenie 2
Ćwiczenie 3

3. Natężenie prądu elektrycznego – rozwiązywanie zadań

Przykład 1

Przez żarówkę latarki kieszonkowej w czasie 5 s  przepłynął ładunek o wartości 500 mC. Oblicz natężenie prądu, który płynął przez żarówkę.
Rozwiązanie:
Aby obliczyć natężenie prądu, stosujemy wzór:
I=qt.
Podstawiamy dane liczbowe, przy czym pamiętamy o zamianie na jednostki podstawowe:

q=500 mC=0,5 C 
I=0,5 C5 s= 0,1 A

Ćwiczenie 4
Przykład 2

Przez grzałkę czajnika elektrycznego przepływa prąd o natężeniu 750 mA. Oblicz ładunek, który przepłynął przez grzałkę w czasie 5 minut.
Rozwiązanie:
Przekształcamy wzór na natężenie prądu, tak aby wyznaczyć ładunek:

I=qt/·t
I·t=q
q=I·t

Zapisujemy dane:

= 750 mA = 0,75 A
 
t = 5 min = 300 s

Podstawiamy wartości do wzoru:

q=0,75 A·300 s=225 C
Ćwiczenie 5
Przykład 3

Na podstawie powyższego wykresu oblicz ładunek, jaki przepłynął przez obwód w czasie:

  1. 30 sekund;

  2. 1 minuty.

Wskazówka:
Ilość ładunku przepływającego przez poprzeczny przekrój przewodnika można obliczyć jako pole figury znajdującej się pod wykresem zależności natężenia prądu od czasu. Wynika to z zależności: q=I·t, gdzie:

I – natężenie prądu;

t – czas przepływu ładunku.

Rozwiązanie (dla = 30 s):
Z wykresu odczytujemy, że = 350 mA = 0,35 A. Dla czasu t1=30 s  otrzymujemy:

q=0,35 A·30 s=10,5 C

Odpowiedź:
W czasie 30 sekund przez obwód przepłynął ładunek 1050 kulombów.

Rozwiązanie (dla = 1 minuta):
Rozwiązanie jest analogiczne jak powyżej.

Odpowiedź :
q=21 C

Przykład 4

Natężenie prądu czasami się zmienia. Na powyższym wykresie widzimy, że natężenie rośnie. W jaki sposób możemy obliczyć wartość ładunku, jaki przepłynął w danym czasie? Przypominacie sobie zapewne sposób, w jaki obliczaliście drogę przebytą przez ciało poruszające się z rosnącą prędkością. Droga była równa polu znajdującemu się pod wykresem zależności prędkości od czasu. Teraz sytuacja jest bardzo podobna. Całkowity ładunek, jaki przepłynie przez przewodnik, będzie równy polu pod wykresem, ale tym razem będzie to pole nie prostokąta, lecz trójkąta.

Oblicz ładunek, jaki przepłynie w ciągu 8 s (rozważ sytuację przedstawioną na wykresie).

Rozwiązanie:
W momencie t=8 s natężenie prądu odczytane z wykresu wynosi 400 mA. Ładunek będzie równy polu trójkąta o wysokości 400 mA i podstawie 8 s.

Dane:
h = 400 mA = 0,4 A
a = 8 s

Obliczenia:
q=S=12a·h=12·8 s·0,4 A=1,6 C

Odpowiedź:
Całkowity ładunek, jaki przepłynął w czasie 8 s, wynosi 1,6 C.

Przykład 5

Przez silnik elektryczny elektrowozu płynie prąd o natężeniu 300 A. W jakim czasie przez ten silnik przepłynie ładunek 12 kC?
Rozwiązanie:
Przekształcamy wzór na natężenie prądu, tak aby wyznaczyć czas:

I=qt/·t

I·t=q/:I

t=qI

Wypisujemy dane:
I=300 A 
q=12 kC=12 000 C

Podstawiamy wartości do wzoru:
t=12000 C300 A=40 s

Odpowiedź:
Ładunek 12 kC przepłynie przez silnik elektryczny w czasie 40 s.

Ćwiczenie 6

Podsumowanie

  • Natężenie prądu elektrycznego mierzymy przy użyciu amperomierza.

  • Natężenie prądu elektrycznego obliczamy jako iloraz ładunku (q) i czasu (t), czyli za pomocą wzoru: I=qt.

Praca domowa
Doświadczenie 2.1

Kształtowanie umiejętności posługiwania się miernikiem uniwersalnym – amperomierzem.

Co będzie potrzebne
  • przewody, amperomierz – miernik uniwersalny;

  • żarówka (z oświetlenia choinkowego);

  • dwie cienkie blaszki metalu – aluminiowa i miedziana;

  • cytryna (może być też jabłko lub kiszony ogórek).

Instrukcja
  1. Przekrój cytrynę na pół.

  2. Wbij w nią blaszki.

  3. Do blaszek przyłóż żarówkę.

  4. Sprawdź, czy żarówka się świeci.

  5. Na mierniku wybierz pomiar natężenia prądu i ustaw odpowiedni zakres.

  6. Podłącz amperomierz do blaszek.

  7. Odczytaj wskazania miernika.

    Wynik pomiarów i wnioski
    Wynik pomiarów: …………………………………………………………………………
    Wniosek: …………………………………………………………………………
Polecenie 2.1

Poszukaj w różnych źródłach, czym jest bezpiecznik i jaką funkcję pełni on w instalacjach elektrycznych.

Słowniczek

amper (A)

– jednostka natężenia prądu elektrycznego.

amperomierz

– przyrząd służący do pomiaru natężenia prądu elektrycznego.

Zadania podsumowujące lekcję

Ćwiczenie 7
Ćwiczenie 8
Ćwiczenie 9
Ćwiczenie 10