R1S0Kja8sXoyt1

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.

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 elektrycznenapięcie elektryczne Unapięcie 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.

ReUnK2lZT88FW1

Przekrój poprzeczny

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 elektrycznegonatężenie prądu elektrycznegonatężenie prądu elektrycznego jest większe. Taki sam efekt zaobserwujemy, gdy ten sam ładunek przepłynie w krótszym czasie.

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

Jednostką natężenia jest amperamperamper, 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:

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.

Rzk2KY16h7GKx1

Portret André-Marie Ampera

2. Pomiar natężenia prądu elektrycznego

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

R1QTfi4Fsy0V81

Mierniki pomiarowe

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.

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.

3. Natężenie prądu elektrycznego – rozwiązywanie zadań

Przykład 3

R1WC72KcraaxX1

Wykres zależności I(t)

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 $\mathrm{t }= 30 \text{s}$):
Z wykresu odczytujemy, że $\mathrm{I }= 350 \text{mA} = \mathrm{0,35} \text{A}$. Dla czasu $t_1=30 \text{s}$ otrzymujemy:

$q=\mathrm{0,35\; A}·\mathrm{30\; s}=\mathrm{10,5\; C}$

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

Rozwiązanie (dla $\mathrm{t }= 1 \text{minuta}$):
Rozwiązanie jest analogiczne jak powyżej.

Odpowiedź $:$
$q=\mathrm{21\; C}$

Przykład 4

R1GEGF9EeuGFl1

Wykres zależności I(t)

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 $t=\mathrm{8\; s}$ 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:
$q=S=\frac{1}{2}a·h=\frac{1}{2}·8 \text{s}·0,4 \text{A}=1,6 \text{C}$

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

Podsumowanie

• Natężenie prądu elektrycznego mierzymy przy użyciu amperomierza.

• Natężenie prądu elektrycznego obliczamy jako iloraz ładunku ($q$) i czasu ($t$), czyli za pomocą wzoru: $I=\frac{q}{t}$.

Słowniczek

Zadania podsumowujące lekcję