Badanie zależności między natężeniem prądu a napięciem elektrycznym w obwodzie
W praktyce wykorzystujemy różne elementy, przez które płynie prąd elektryczny. Wiele z tych urządzeń produkujemy w bardzo dużych ilościach. Niektóre elementy takich urządzeń są bardzo duże, dlatego bardzo często używamy oznaczeń schematycznych. Dzięki temu nawet skomplikowany układ będzie można przedstawić na niewielkiej kartce. Umiejętność rysowania schematów jest istotna przy badaniu zależności pomiędzy wielkościami opisującymi obwód elektryczny. Jak wyglądają schematyczne oznaczenia różnych elementów i jak zbadać zależność natężenia prądu od napięcia elektrycznego? Dowiesz się tego na dzisiejszej lekcji.
podawać znaczenie pojęć „napięcie elektryczne” i „natężenie prądu elektrycznego”;
podać jednostkę natężenia prądu elektrycznego – amper (A);
podać jednostkę napięcia elektrycznego – wolt (V);
opisać amperomierz jako przyrząd służący do pomiaru natężenia prądu elektrycznego, a woltomierz – jako przyrząd służący do pomiaru napięcia elektrycznego;
opisać ogniwa, baterie oraz akumulatory jako źródła napięcia elektrycznego.
przedstawiać wybrane elementy obwodów elektrycznych (ogniwo, opornik, żarówkę, wyłącznik, amperomierz i woltomierz) przy użyciu symboli graficznych;
poprawnie odczytywać i rysować schematy prostych obwodów elektrycznych;
budować obwody elektryczne zgodnie z danymi schematami;
zbudować obwód do badania zależności natężenia prądu płynącego przez odcinek obwodu (opornik) od napięcia między końcami tego odcinka i wykonać doświadczalnie badanie tej zależności.
1. Symbole wybranych elementów obwodu elektrycznego
Każde urządzenie elektryczne to połączony układ zespołów, podzespołów lub elementów elektrycznych (elektronicznych), które wyznaczają zamkniętą drogę przepływu prądu elektrycznego, nazywaną obwodemobwodem.
– układ elementów (przewodów, źródeł napięć, odbiorników, wyłączników) połączonych w taki sposób, aby umożliwić przepływ prądu elektrycznego.
Aby układ elektryczny spełniał swoje zadania, musi zostać wcześniej odpowiednio zaprojektowany. Najpierw rysuje się schemat takiego obwodu, a następnie oblicza jego parametry. Gdy nastąpi awaria i układ przestanie działać prawidłowo, dzięki schematycznym rysunkom przedstawiającym elementy obwodu będzie można usunąć uszkodzenie. Układ zobrazowany za pomocą symboli graficznych nazywamy schematem obwodu elektrycznegoschematem obwodu elektrycznego.
– odwzorowanie obwodu elektrycznego za pomocą symboli graficznych.
Za pomocą symboli graficznych możemy opisać budowę i przeznaczenie elementów obwodu elektrycznegoobwodu elektrycznego. Schematy są niezwykle przydatne, gdyż słowny opis budowy i zasady działania byłby zdecydowanie dłuższy niż jednostronicowy schemat. Dla osób, które nie potrafią poprawnie odczytać schematów, są one trudne do zrozumienia. Elektromonterzy czy elektrycy bez trudu dają sobie radę z interpretacją schematów – bez nich budowanie układów elektronicznych, naprawa urządzeń lub ich konserwacja byłyby bardzo trudne.
Nie wszystkie schematy obwodów elektrycznych są tak skomplikowane jak schemat zasilacza. Tak naprawdę wszystko zależy od złożoności urządzenia. W poniższej tabeli przedstawiono symbole graficzne elementów niezbędnych do sporządzenia schematów prostych obwodów elektrycznych.
Woltomierz włączamy równolegle do elementu obwodu, ponieważ tym urządzeniem mierzymy napięcie między końcami elementu. Amperomierz włączamy szeregowo, ponieważ natężenie prądu jest jednakowe w każdym punkcie układu szeregowego. Jeżeli w obwodzie znajdą się trzy oporniki połączone szeregowo, to niezależnie od tego, gdzie włączymy amperomierz (przed pierwszym z nich, między pierwszym a drugim, między drugim a trzecim czy za trzecim) natężenie prądu będzie takie samo.
Dlaczego natężenie prądu w układzie szeregowym będzie wszędzie takie samo? Co by się stało, gdyby natężenia były różne?
Rozejrzyj się po klasie, w której odbywa się lekcja. Zidentyfikuj jak najwięcej elementów obwodów elektrycznych.
Narysuj schemat obwodu elektrycznego, który jest zgodny z rysunkiem poniżej.
Wśród symboli graficznych przedstawiających elementy obwodów elektrycznych nie znajdziemy symbolu żadnego urządzenia. Czasami jednak trzeba je uwzględnić w schemacie – tak jak np. w powyższym ćwiczeniu. Wówczas możemy narysować dane urządzenie według własnego uznania. Pamiętajmy jednak, że nasz rysunek powinien być czytelny i jednoznaczny.
2. Badanie zależności natężenia prądu płynącego przez opornik od napięcia elektrycznego miedzy jego końcami
Na schemacie woltomierz jest podłączony do opornika równolegle, a amperomierz – szeregowo (wraz z innymi elementami obwodu).
Czy istnieje związek między wartością napięcia elektrycznego między końcami opornika a wartością natężenia prądu ktory w nim płynie?
Natężenie prądu przepływającego przez przewodnik jest wprost proporcjonalne do napięcia elektrycznego mierzonego na jego końcach.
przewody;
zaciski (lub taśma samoprzylepna);
cztery ogniwa o takim samym napięciu elektrycznym, np. baterie; w klasie możesz skorzystać z zasilacza laboratoryjnego o regulowanym napięciu wyjściowym. Możesz wtedy wykonać więcej niż 4 pomiary;
miernik uniwersalny (amperomierz i woltomierz analogowy);
odbiornik prądu elektrycznego – kilkusetomowy opornik lub opornica suwakowa.
Zbuduj obwód elektryczny zgodnie z poniższym schematem.
RDPw4xYkDyjtG1 
Źródło: Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY 3.0.Zanotuj zmierzone wartości napięcia i natężenia prądu elektrycznego.
Dołączaj do obwodu kolejne baterie, powtarzaj pomiary i zapisuj wyniki.
Przerysuj poniższą tabelę do zeszytu i ją uzupełnij.
Zależność napięcia od natężenia prądu 1. pomiar
2. pomiar
3. pomiar
4. pomiar
W zeszycie napisz podsumowanie doświadczenia. Porównaj ze sobą wyniki zapisane w ostatnim wierszu tabelki. Jaki nasuwa się wniosek? Sporządź w zeszycie wykres: na osi poziomej odłóż wartość napięcia elektrycznego (U), a na osi pionowej – wartość natężenia (I). Jakich jednostek użyjesz do oznaczenia osi poziomej, a jakich – do oznaczenia osi pionowej? Pamiętaj o tym, że każdy pomiar jest obarczony niepewnością, zatem nie można rysować linii łamanej od punktu do punktu.
Uzupełnij puste miejsca wybierając brakujące elementy z listy.
odwrotnie proporcjonalne, wprost proporcjonalne, większe, proporcjonalnie mniejsze, proporcjonalnie większe, stałe, mniejsze
Zwiększanie liczby ogniw spowodowało, że woltomierz wskazywał proporcjonalnie coraz ................................................ wartości napięcia. Wskazania amperomierza były ................................................. Można, zatem stwierdzić, że natężenie prądu jest ................................................ do napięcia.
Zależność, w której wzrost jednej wielkości pociąga za sobą proporcjonalny wzrost drugiej, nazywamy zależnością wprost proporcjonalną.
Dane zapisane w tabelce i sporządzony wykres zależności natężenia od napięcia wskazują na to, że natężenie prądu elektrycznego przepływającego przez odbiornik jest wprost proporcjonalne do napięcia mierzonego na jego końcach. Za pomocą pomiarów fizycy udowodnili prawdziwość tej tezy. Jednym z nich był Georg Ohm – od jego nazwiska stwierdzenie to nazywamy prawem Ohma. Więcej na ten temat dowiesz się z kolejnej lekcji.
Podsumowanie
Obwody elektryczne to układy elementów (przewodów, źródeł napięć, odbiorników, wyłączników) połączone w taki sposób, aby umożliwić przepływ prądu elektrycznego.
Amperomierz to przyrząd służący do pomiaru natężenia prądu elektrycznego; do obwodów włączany jest szeregowo.
Woltomierz to przyrząd służący do pomiaru napięcia elektrycznego; do obwodów włączany jest równolegle.
Prąd może płynąć tylko w zamkniętych obwodach elektrycznych.
Schemat obwodu elektrycznego to szkic wykonany za pomocą symboli graficznychsymboli graficznych, pozwalający przedstawić wszystkie elementy obwodu elektrycznego i ich połączenia.
Natężenie prądu elektrycznego przepływającego przez odbiornik jest wprost proporcjonalne do napięcia elektrycznego mierzonego między jego końcami.
Sporządź schemat obwodu elektrycznego latarki kieszonkowej.
Narysuj schemat układu, w którym dwa oporniki są połączone szeregowo z żarówką i ogniwem. Do końców żarówki jest podłączony woltomierz. Amperomierz znajduje się między dwoma opornikami. Jak zmieni się wskazanie amperomierza, jeżeli włączymy go między dwoma opornikami a żarówką? Dlaczego?
Słowniczek
– układ ogniw połączonych najczęściej szeregowo.
– układ złożony z dwóch elektrod umieszczonych w elektrolicie, który zamienia energię chemiczną w elektryczną.
– przyrząd służący do pomiaru napięcia elektrycznego; do obwodu włączany jest równolegle.