Napięcie elektryczne
Z poprzedniej lekcji wiesz, że czynnikiem powodującym przepływ prądu jest napięcie elektryczne. Odgrywa ono rolę analogiczną do różnicy poziomów wody powodujących jej przepływ. Dzisiejsza lekcja przybliży ci to pojęcie. Część rozdziału poświęcimy także opisowi działania niektórych źródeł napięcia elektrycznego.
opisać chaotyczny ruch elektronów w przewodnikach, który staje się uporządkowany pod wpływem przyłożonego napięcia;
obliczać natężenie prądu elektrycznego jako stosunek przenoszonego ładunku elektrycznego do czasu, w którym ten ładunek przepłynął przez badany przekrój poprzeczny przewodnika;
opisać amperomierz jako przyrząd do pomiaru natężenia prądu.
używać pojęcia napięcia elektrycznego;
wymieniać źródła napięcia elektrycznego;
opisać budowę i działanie ogniwa Volty;
mierzyć napięcie elektryczne.
1. O przepływie prądu elektrycznego
Z poprzedniego rozdziału wiesz, że przepływ prądu to ukierunkowane przemieszczanie się ładunków (elektronów lub jonów). To dryf elektronów poruszających się ruchem chaotycznym. Ruch ten jest skutkiem przyłożonego napięcia. Ale czym jest napięcie elektryczne? Wyobraźmy sobie, że mamy dwie metalowe płytki oddalone od siebie: – jedna naładowana jest ładunkiem dodatnim, a druga – ujemnym. Ładunek dodatni oznacza, że płytka ma niedobór ładunków ujemnych (elektronów), a ładunek ujemny oznacza ich nadmiar.
Co się stanie, gdy obie płytki połączymy przewodnikiem, czyli ciałem, w którym znajdują się elektrony będące w ruchu? Płytka naładowana ujemnie będzie odpychała elektrony w przewodniku, a płytka naładowana dodatnio będzie je przyciągała. Na elektrony w przewodniku będzie działała siła powodująca ich dryf. W przewodniku zatem zaczyna płynąć prąd elektryczny.
Trzeba jednak zwrócić uwagę na dwie sprawy. Z lekcji o dynamice wiesz, że jeżeli ciało uzyska jakąś prędkość, to powinno się ono poruszać tak długo, jak długo jakaś inna siła nie zmieni tego stanu. Czy zatem nie wystarczyłoby wprawić elektrony w dryf i potem odłączyć obie naładowane płytki?
Otóż nie – dryfujące elektrony będą zderzały się z atomami i elektronami swobodnymi w przewodniku, a więc będą traciły energię. W końcu prąd przestanie płynąć. Aby utrzymać przepływ prądu, musimy cały czas dostarczać energię elektronom w przewodniku.
Ponadto jeżeli ujemna płytka odepchnie elektrony w przewodniku, to ujemne ładunki z płytki wejdą na miejsce tych elektronów. Z kolei na drugim końcu przewodnika ujemne ładunki przejdą na dodatnio naładowaną płytkę. Po chwili obie płytki staną się obojętne elektrycznie. Napięcie elektryczne między nimi będzie równe zero, a prąd w przewodniku przestanie płynąć.
Napięcie elektryczne jest więc potrzebne cały czas: aby prąd mógł płynąć w obwodzie, źródło napięcia musi dostarczać energię dryfującym elektronom.
2. W którą stronę płynie prąd elektryczny?
Powyższe rozumowanie przedstawione pokazuje, że ruch ładunków ujemnych odbywa się od płytki naładowanej ujemnie do płytki naładowanej dodatnio. Kiedy jednak odkryto istnienie prądu elektrycznego, nie było wiadomo, co sie porusza i jaki ładunek mają nośniki. W końcu przyjęto, że poruszają się ładunki dodatnie i że prąd płynie od płytki dodatniej do ujemnej. Niektórzy z was na pewno uważają, że te założenia są błędne.
Otóż nie do końca; w przewodnikach prąd to ruch ładunków ujemnych, ale np. w cieczach i gazach mamy do czynienia z ruchem jonów zarówno ujemnych, jak i dodatnich. Jak się domyślacie, w cieczach i w gazach ładunki dodatnie będą płynęły w jedną stronę, a ładunki ujemne – w drugą. Dlatego w dalszym ciągu przyjmujemy, że prąd płynie od bieguna dodatniego do bieguna ujemnego.
3. Działanie ogniwa chemicznego
Skoro już wiesz, w jakich warunkach płynie prąd elektryczny, pozostaje zastanowić się, jak pozbyć się kłopotu opisanego wyżej, a polegającego na tym, że przepływ prądu spowoduje rozładowanie naszych dwóch płytek, napięcie spadnie do zera i prąd przestanie płynąć. Musimy w jakiś sposób podtrzymywać stan naładowania biegunów źródła napięcia. Z pomocą przyszły nam zjawiska chemiczne, w których dana substancja (stanowiąca tzw. elektrodę) reaguje z cieczą znajdującą się w naczyniu.
Jednym z pierwszych źródeł napięcia było ogniwo Volty (skonstruowane w 1800 r.).
Budowa ogniwa Volty.
zlewka;
rozcieńczony kwas siarkowy;
blaszka miedziana i cynkowa;
żarówka;
woltomierz.
Do zlewki wypełnionej rozcieńczonym kwasem siarkowym włóż blaszki.
Umieścić je blisko siebie.
Za pomocą woltomierza sprawdź, która blaszka jest biegunem dodatnim ogniwa, a która – ujemnym.
Odłącz woltomierz i podłącz żarówkę. Sprawdź, czy napięcie jest wystarczające do tego, aby żarówka świeciła.
Podobne doświadczenie przeprowadził Alessandro Volta w 1800 r. Konstrukcja ogniwa nie jest taka skomplikowana, jak mogłoby się to wydawać na pierwszy rzut oka.
Szczegóły dotyczące reakcji miedzi i cynku z kwasem siarkowym poznaliscie na lekcjach chemii. Na razie wystarczy informacja, że cynk silnie reaguje z kwasem, w wyniku czego dodatnie jony cynku przechodzą do roztworu (elektrolitu), a płytka cynkowa ładuje się ujemnie. W tym samym czasie jony dodatnie znajdujące się w roztworze odbierają ładunki ujemne z elektrody miedzianej. W efekcie ładuje się ona dodatnio. Między elektrodami wytwarza się napięcie elektryczne i po połączeniu obu elektrod przewodnikiem płynie w nim prąd elektryczny. Istotne jest to, że w ogniwach z elektrodą cynkową następuje stopniowy ubytek materiału elektrody ujemnej. W wielu rodzajach ogniw (działających na podobnej zasadzie) elektroda ta stanowi obudowę całego ogniwa. Jeśli takie ogniwo jest długo trzymane w urządzeniu, elektrolit zaczyna wyciekać, co prowadzi często do uszkodzenia mechanizmu.
Ogniwa oraz baterie ogniw są urządzeniami jednorazowego użytku. Z kolei akumulatory to urządzenia, które odwracają proces przechodzenia jonów z elektrody do roztworu.
Napisaliśmy już, że aby utrzymać przepływ prądu, ogniwo musi dostarczać energię elektronom, które tracą ją w wyniku zderzeń z jonami metalu. Tracona energia powoduje szybszy ruch drgający jonów i większą amplitudę drgań. W efekcie przewodnik wydziela ciepło, a nawet może zacząć świecić.
Skonstruuj obwód elektryczny składający się ze źródła napięcia (ogniwa lub baterii ogniw) i odbiornika (żarówki elektrycznej). Po zamknięciu obwodu zauważysz, że odbiornik wydziela energię cieplną i światło. Żarówka nagrzewa się i świeci.
Film dostępny na portalu epodreczniki.pl
Mężczyzna wnosi wodę w wiadrze. Mężczyzna wylewa wodę z wiadra do pierwszego zbiornika. Woda spływa w rurze i napełnia drugi zbiornik. Gdy drugi zbiornik jest pełny, woda wylewa się z niego wprawiając w ruch koło. Z kolei koło wprawi w ruch kamień szlifierski.
Przeanalizujmy przemiany energii. Człowiek wnosząc wodę wykonuje pracę, a jej skutkiem jest wzrost energii potencjalnej wody. Woda tracąc zgromadzoną energię, spływa do koła zamachowego, które obraca kamień szlifierski. Kamień ostrzy nóż, który nagrzewa się w wyniku tarcia. Energia potencjalna wody została zamieniona na pracę użyteczną. Przy założeniu, że nie ma dodatkowych strat energii, praca wykonywana przez mężczyznę podczas wnoszenia wody i ta spożytkowana na naostrzenie noża wraz z emitowanym ciepłem są sobie równe.
W ogniwie elektrycznym energia chemiczna jest przetwarzana w energię elektryczną.
To zagadnienie omówimy dokładniej podczas następnych lekcji.
Na co dzień używamy różnych rodzajów źródeł napięcia; wiele z nich to źródła przenośne.
Ogniwo 1,5 V (tzw. paluszek).
Bateria składająca się z trzech ogniw o napięciu 1,5 V każde i dająca napięcie 4,5 V (tzw. bateria płaska).
Akumulator do telefonu komórkowego o napięciu 3,7 V (widok dwustronny).
Ogniwo galwaniczne.
Pod koniec XVIII wieku Włoch Luigi Galvani odkrył zjawisko, które nazwał „elektrycznością zwierzęcą”. Zaobserwował, że odpowiednio spreparowane żabie udko się kurczy na skutek dotknięcia go dwoma różnymi metalami, połączonymi ze sobą jednym końcem. W 1800 roku włoski fizyk Alessandro Volta zainspirowany tymi badaniami, skonstruował pierwsze użyteczne ogniwo elektryczne. Od nazwiska tego uczonego pochodzi nazwa jednostki napięcia elektrycznego w układzie SI, oznaczana literą „V”. Ogniwa zbudowane w układzie dwóch elektrod zanurzonych w elektrolicie określa się mianem ogniw galwanicznych. Baterie składają się z ogniw połączonych szeregowo lub równolegle.
Przeczytaj poniższe zdania i oceń ich prawdziwość.
| Prawda | Fałsz | |
| W ogniwie jest wytwarzana energia elektryczna. | □ | □ |
| W ogniwie energia chemiczna jest zamieniana na energię elektryczną ładunków. | □ | □ |
| Rzeczywisty i umowny kierunek przepływu prądu są zgodne. | □ | □ |
Uzupełnij puste miejsca wybierając brakujące elementy z listy.
przemiana energii chemicznej na elektryczną, elektrolit, elektron, nie zachodzą żadne reakcje, przemiana energii elektrycznej na chemiczną, wytworzenie energii chemicznej, nie zachodzą reakcje chemiczne, ebonit, wytworzenie energii elektrycznej, zachodzą reakcje chemiczne
Wewnątrz ogniwa znajduje się ......................................................................................... Po zamknięciu obwodu elektrycznego ......................................................................................... Następuje wtedy .........................................................................................
4. Napięcie elektryczne i jego pomiar
Ogniwa, baterie lub akumulatory, czyli powszechnie stosowane źródła energii prądu stałego, zamieniają energię chemiczną na pracę związaną z przeniesieniem ładunku elektrycznego przez przewodnik. Wytworzone napięcie elektryczne powoduje, że ładunek jest przenoszony wzdłuż przewodnika.
– napięcie (różnica potencjałów) między dwoma punktami przewodnika; jest równe stosunkowi pracy wykonanej podczas przenoszenia ładunku () między tymi punktami przewodnika do tego ładunku.
Jednostką napięcia elektrycznego w układzie SI jest woltwolt ():
Do pomiaru napięcia służy woltomierzwoltomierz, który do obwodu elektrycznego zawsze podłączamy równolegle. Wynika to z tego, że woltomierz najczęściej mierzy napięcie między końcami przewodnika.
Nauka obsługi miernika uniwersalnego i doskonalenie umiejętności pomiaru napięcia.
miernik uniwersalny;
przewody;
ogniwo 1,5 V (tzw. paluszek),
zużyte ogniwo 1,5 V (lub używane przez dłuższy czas);
płytka miedziana;
płytka aluminiowa;
zaciski (tzw. krokodylki);
żarówka (ze starego oświetlenia choinkowego, latarki lub roweru);
jabłko (lub cytryna).
Zapoznaj się z filmem przedstawiającym instrukcję obsługi woltomierza. Podłącz przewody do miernika i ustaw pokrętło na odpowiednim zakresie.
Zmierz napięcie wytwarzane przez ogniwa i jabłko.
Porównaj odczytane wartości.
Wbij metalowe płytki w jabłko.
Zmierz napięcie między płytkami.
Zanotuj wartość zmierzonego napięcia.
Połącz końce żarówki z działającym ogniwem, a następnie z płytkami wbitymi w jabłko.
Odnotuj swoje obserwacje.
Dzięki porównaniu wyników pomiarów napięcia wytwarzanego przez ogniwa i między płytkami wbitymi w jabłko udało ci się zaobserwować różnicę w odnotowanych wartościach. Napięcie wytworzone przez jabłko jest małe i nie wystarcza do tego, aby żarówka się zaświeciła.
Rozwiąż krzyżówkę.
- Jednostka napięcia elektrycznego.
- Służy do pomiaru czasu.
- Jest równe liczbowo pracy przy przenoszeniu ładunku 1 kulomba.
- Roztwór kwasu lub zasady przewodzący prąd.
- Przyrząd do pomiaru napięcia elektrycznego.
- Jeden z biegunów baterii jest...
| 1 | ||||||||||||||||||
| 2 | ||||||||||||||||||
| 3 | ||||||||||||||||||
| 4 | ||||||||||||||||||
| 5 | ||||||||||||||||||
| 6 |
Uzupełnij luki.
Aby zmierzyć .................. , woltomierz trzeba włączyć do układu .......................
Podsumowanie
Źródłami napięcia stałego są ogniwa, baterie lub akumulatory, które zamieniają energię reakcji chemicznych na energię elektryczną.
Jednym z pierwszych źródeł energii chemicznej było ogniwo Volty, skonstruowane w 1800 r.
Napięcie elektryczne jest równe pracy, jaką należy wykonać, aby przenieść ładunek jednostkowy (1 C) z jednego punktu przewodnika do drugiego: .
Jednostką napięcia elektrycznego w układzie SI jest wolt (V); .
Wolt (1 V) odpowiada liczbowo pracy jednego dżula (1 J), która potrzebna jest do przeniesienia ładunku jednego kulomba (1 C) między dwoma punktami przewodnika.Woltomierz jest przyrządem służącym do pomiaru napięcia elektrycznego między dwoma punktami. Do obwodu elektrycznego woltomierz włączamy równolegle.
Wykonaj poniższe doświadczenie i opisz jego wynik.
Konstrukcja własnego źródła napięcia.
sól kuchenna;
cola;
szklanka (lub inne naczynie);
kilka monet 5‑groszowych;
pasek folii aluminiowej;
pasek papieru (ręcznik papierowy);
nożyczki;
ołówek;
woltomierz (miernik uniwersalny).
Do naczynia wsyp sól i nalej coli.
Poczekaj, aż cola przestanie się pienić.
Folię aluminiową i ręcznik papierowy złóż w wąskie paski.
Na przygotowanych paskach obrysuj monety, a następnie wytnij powstałe kółka.
Papierowe kółka nasącz colą z solą.
Na monecie połóż nasączony papier, a na nim umieść folię aluminiową.
Zmierz napięcie między monetą a folią aluminiową.
Ułóż kolejną warstwę (tj. moneta, papier, folia) i ponownie dokonaj pomiaru napięcia.
Powtórz czynność, tak aby uzyskać co najmniej pięć warstw.
Zapisz wyniki swoich pomiarów i odpowiedz na poniższe pytania.
Co wpływa na napięcie elektryczne, którego źródłem jest twoja bateria?
Co można zrobić, by twoja bateria była źródłem o wyższym napięciu elektrycznym?
Porównaj uzyskane napięcie z napięciem ogniw i baterii dostępnych w sklepie.
Oblicz napięcie źródła podłączonego do obwodu, jeżeli przeniesienie ładunku 5 C wymagało wykonania pracy o wartości 6 J.
Słowniczek
– układ, najczęściej polączonych szeregowo, kilku lub kilkunastu ogniw.
– ciekły przewodnik, w którym przepływ prądu elektrycznego polega na ruchu jonów.
– źródło napięcia stałego, które zamienia energię pochodzącą z reakcji chemicznych w energię elektryczną.
– jednostka napięcia elektrycznego w układzie SI. Jeden wolt (1 V) odpowiada pracy jednego dżula (1 J), która potrzebna jest do przeniesienia ładunku jednego kulomba (1 C) między dwoma punktami przewodnika.
– przyrząd służący do pomiaru napięcia elektrycznego.
Biogram
Alessandro Volta
Włoski fizyk i wynalazca, odkrywca metanu, konstruktor elektroskopu i pierwszego kondensatora, profesor uniwersytetu w Pawii. W 1800 r. zaprezentował ogniwo, które nazwano ogniwem Volty.
Zadania podsumowujące lekcję
Oceń prawdziwość poniższych zdań oraz wzoru.
| Prawda | Fałsz | |
| Napięcie równe 4 V oznacza, że przy przenoszeniu ładunku 1 C została wykonana praca 4 J. | □ | □ |
| □ | □ | |
| Jednostką napięcia elektrycznego jest amper (A). | □ | □ |
| W ogniwie następuje przemiana energii elektrycznej w energię chemiczną. | □ | □ |