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, pociągi (nawet jeśli główny napęd pociągu jest spalinowy, to i tak bez prądu nie da się go uruchomić), radio, telewizja czy telefony. Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o zjawisku przepływu prądu elektrycznego, czytaj dalej.
R2D4P1UgwZeCT
Przed przystąpieniem do zapoznania się z tematem, należy znać poniższe zagadnienia
Przed przystąpieniem do zapoznania się z tematem, należy znać poniższe zagadnienia
czym jest atom;
co jest nośnikiem ładunku elektrycznego;
jak rozróżnić przewodniki i izolatory prądu elektrycznego;
wykorzystywać zależność natężenia prądu elektrycznego od czasu jego przepływu i ładunku elektrycznego;
mierzyć wartość natężenia prądu elektrycznego.
Natężenie prądu elektrycznego
Substancje nas otaczające możemy podzielić na dwie grupy w zależności od tego, czy przewodzą prąd. Będą to 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 – mimo, że istnieją zarówno elektrony, jak i jony – 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. 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 elektrycznyprąd elektrycznyPrąd 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 większą prędkością płynie woda. A co zmusza elektrony do dryfowania w którąś stronę? W tym przypadku rolę różnicy wysokości odgrywa napięcie elektryczne.
R8zF5gOOtQbEN
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.
R12W44zT3cx8e
Ćwiczenie 1
Łączenie par. Oceń prawdziwość poniższych zdań. Przy każdym zdaniu w tabeli zaznacz „Prawda” albo „Fałsz”. . Zmniejszenie pola przekroju poprzecznego przewodnika powoduje zmniejszenie natężenia prądu.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Natężenie prądu zależy od pola powierzchni przekroju poprzecznego przewodnika.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Zmniejszenie pola przekroju poprzecznego przewodnika powoduje wzrost natężenia prądu.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz
Łączenie par. Oceń prawdziwość poniższych zdań. Przy każdym zdaniu w tabeli zaznacz „Prawda” albo „Fałsz”. . Zmniejszenie pola przekroju poprzecznego przewodnika powoduje zmniejszenie natężenia prądu.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Natężenie prądu zależy od pola powierzchni przekroju poprzecznego przewodnika.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Zmniejszenie pola przekroju poprzecznego przewodnika powoduje wzrost natężenia prądu.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz
Na podstawie powyższego rysunku oceń prawdziwość zdań.
Prawda
Fałsz
Zmniejszenie pola przekroju poprzecznego przewodnika powoduje zmniejszenie natężenia prądu.
□
□
Natężenie prądu zależy od pola powierzchni przekroju poprzecznego przewodnika.
□
□
Zmniejszenie pola przekroju poprzecznego przewodnika powoduje wzrost natężenia prądu.
□
□
Źródło: Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, licencja: CC BY 3.0.
Na podstawie tego, co napisaliśmy wyżej, możemy sformułować definicję natężenia prądu elektrycznegonatężenie prądu elektrycznegonatężenia prądu elektrycznego. Jest to stosunek ładunku, jaki przepłynie w pewnym czasie przez poprzeczny przekrój przewodnika, do czasu tego przepływu.
Jednostką natężenia jest amperamperamper oznaczany literą . Jeśli przez przewodnik płynie prąd o natężeniu , to znaczy, że w czasie sekundy przez poprzeczny przekrój tego przewodnika przepływa ładunek równy . Nazwa jednostki natężenia pochodzi od nazwiska francuskiego fizyka André Ampère'aAndré Marie AmpèreAndré Ampère'a.
Amper jest dużą jednostką, dlatego najczęściej posługujemy się jej podwielokrotnościami:
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.
RB9ey45zg0PHY
Doświadczenie 1
Kształtowanie umiejętności posługiwania się miernikiem uniwersalnym – amperomierzem.
Co będzie potrzebne
przewody;
amperomierz;
źródło prądu (np. baterie lub );
żarówka.
RAjZSwpIyO8a3
Instrukcja
Połącz elementy obwodu.
Na mierniku ustaw opcję pomiaru natężenia prądu.
Wybierz odpowiedni zakres miernika.
Odczytaj wskazania miernika.
Powtórz pomiar natężenia dla drugiej baterii.
Przeprowadzono doświadczenie, w którym dokonano pomiaru prądu przepływającego przez żarówkę przy podłączeniu do źródeł prądu o różnej wartości napięcia.
Doświadczenie 1
Kształtowanie umiejętności posługiwania się miernikiem uniwersalnym – amperomierzem.
Co będzie potrzebne
przewody;
amperomierz;
źródło prądu (np. baterie i );
żarówka.
RAjZSwpIyO8a3
Instrukcja
Połączono elementy obwodu.
Na mierniku ustawiono opcję pomiaru natężenia prądu.
Wybrano odpowiedni zakres miernika.
Odczytano wskazania miernika.
Powtórzono 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
Lodówka
Ekran telewizora z wyświetlaczem LCD
Ładowarka do baterii Li‑ion
–
1
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 tabelkę, którą możesz pobrać w formacie XLSX lub LIBRE z linku poniżej.
RIi93i6QfYpGG
RQIxuoQEtPwo9
RFqj78G0sI1A1
RT2MSx4vFJmhz
W odbiornikach prądu elektrycznego używanych w domu natężenie prądu osiąga najczęściej nie więcej niż . Na miernikach uniwersalnych znajduje się dodatkowe gniazdo (port), do którego podłącza się przewód, gdy natężenie prądu jest większe niż .
RcymH1V02EdqV1
Ćwiczenie 2
Natężenie prądu elektrycznego – rozwiązywanie zadań
Przykład 1
Przez żarówkę latarki kieszonkowej w czasie przepłynął ładunek o wartości . Oblicz natężenie prądu, który płynął przez żarówkę.
Rozwiązanie: Aby obliczyć natężenie prądu, stosujemy wzór: . Podstawiamy dane liczbowe, przy czym pamiętamy o zamianie na : , .
1
Ćwiczenie 3
RS9RBFdeshqJK
Przykład 2
Przez grzałkę czajnika elektrycznego przepływa prąd o natężeniu . Oblicz ładunek, który przepłynął przez grzałkę w czasie minut.
Rozwiązanie: Przekształcamy wzór na natężenie prądu, tak aby wyznaczyć ładunek:
Zapisujemy dane:
Podstawiamy wartości do wzoru:
RlqdlkRYtOzlI
Ćwiczenie 4
Ćwiczenie 5
RlqMIrkTOVH37
Przykład 3
R1DAlWDiyPKOm
Na podstawie powyższego wykresu oblicz ładunek, jaki przepłynął przez obwód w czasie:
sekund
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: , gdzie – natężenie prądu, – czas przepływu ładunku.
Rozwiązanie (dla): Z wykresu odczytujemy, że . Dla czasu otrzymujemy:
Odpowiedź: W czasie sekund przez obwód przepłynął ładunek kulomba.
Rozwiązanie (dla ): Rozwiązanie jest analogiczne jak powyżej.
Odpowiedź:
Przykład 4
RJSXiwvKL7oYP
Natężenie prądu czasami się zmienia. Na powyższym wykresie widzimy, że natężenie rośnie. W jaki sposób możemy obliczyć wartość ładunku, jaki przepłynął w danym czasie? Całkowity ładunek, jaki przepłynie przez przewodnik, będzie równy polu pod wykresem, w tym przypadku trójkąta.
Oblicz ładunek, jaki przepłynie w ciągu (rozważ sytuację przedstawioną na wykresie).
Rozwiązanie: W momencie natężenie prądu odczytane z wykresu wynosi . Ładunek będzie równy polu trójkąta o wysokości i podstawie .
Dane:
Obliczenia:
Odpowiedź: Całkowity ładunek, jaki przepłynął w czasie , wynosi .
Przykład 5
Przez silnik elektryczny elektrowozu płynie prąd o natężeniu . W jakim czasie przez ten silnik przepłynie ładunek ?
Rozwiązanie: Przekształcamy wzór na natężenie prądu, tak aby wyznaczyć czas:
Wypisujemy dane:
Podstawiamy wartości do wzoru:
Odpowiedź: Ładunek przepłynie przez silnik elektryczny w czasie .
1
Ćwiczenie 6
R1NrxU3PDCmT8
Dla ciekawych: Jak zrobić baterię z ziemniaka lub cytryny?
RQE43shPWe2Uf
R1LB7tbWXmYxw
RoXSJ477DiB0B
RQWgqAz3R4th2
RDd98sdBRaACn
Rjf4o67LRjJhb
Podsumowanie
Natężenie prądu elektrycznego mierzymy przy użyciu amperomierza.
Natężenie prądu elektrycznego obliczamy jako stosunek ładunku do czasu , czyli za pomocą wzoru: .
Doświadczenie 2
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
Przekrój cytrynę na pół.
Wbij w nią blaszki.
Do blaszek przyłóż żarówkę.
Sprawdź, czy żarówka się świeci.
Na mierniku wybierz pomiar natężenia prądu i ustaw odpowiedni zakres.
Podłącz amperomierz do blaszek.
Odczytaj wskazania miernika.
R181wFAh9FoOs
Podsumowanie
Żaróweczka świeci, co dowodzi, że w obwodzie płynie prąd elektryczny. Amperomierz pozwala odczytać natężenie tego prądu. Dzięki reakcji chemicznej zachodzącej w cytrynie otrzymałeś prąd elektryczny. Na podobnej zasadzie działają baterie i akumulatory, które możesz znaleźć w swoim telefonie, laptopie czy w pilocie do telewizora.
Przeprowadzono doświadczenie, w którym dokonano pomiaru prądu przepływającego przez żarówkę przy podłączeniu do cytryny.
Doświadczenie 2
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
Przekrojono cytrynę na pół.
Wbito w nią blaszki.
Do blaszek podłączono żarówkę.
Sprawdzono, czy żarówka się świeci.
Na mierniku wybrano pomiar natężenia prądu i ustawiono odpowiedni zakres.
Podłączono amperomierz do blaszek.
Odczytano wskazania miernika.
R181wFAh9FoOs
Podsumowanie
Żaróweczka świeci, co dowodzi, że w obwodzie płynie prąd elektryczny. Amperomierz pozwala odczytać natężenie tego prądu. Dzięki reakcji chemicznej zachodzącej w cytrynie otrzymano prąd elektryczny. Na podobnej zasadzie działają baterie i akumulatory, które możesz znaleźć w swoim telefonie, laptopie czy w pilocie do telewizora.
Ćwiczenie 7
R7db1FFCuOdCJ
Słownik
prąd elektryczny
prąd elektryczny
ukierunkowany ruch nośników ładunków elektrycznych
natężenie prądu elektrycznego
natężenie prądu elektrycznego
stosunek ładunku, jaki w pewnym czasie przepłynie przez poprzeczny przekrój przewodnika, do czasu tego przepływu
przyrząd służący do pomiaru natężenia prądu elektrycznego
Zadania podsumowujące lekcję
RFiBTCT9pVuyI1
Ćwiczenie 8
R5UbH0wbelAgH2
Ćwiczenie 9
Łączenie par. Oceń prawdziwość poniższych zdań. Przy każdym zdaniu w tabeli zaznacz „Prawda” albo „Fałsz”. . Przez odtwarzacz MP3 przepływa prąd o natężeniu . W czasie minut przepływa przez niego ładunek .. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Przez żarówkę latarki w czasie sekund przepłynął ładunek równy . Natężenie prądu płynącego przez żarówkę było równe .. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz
Łączenie par. Oceń prawdziwość poniższych zdań. Przy każdym zdaniu w tabeli zaznacz „Prawda” albo „Fałsz”. . Przez odtwarzacz MP3 przepływa prąd o natężeniu . W czasie minut przepływa przez niego ładunek .. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Przez żarówkę latarki w czasie sekund przepłynął ładunek równy . Natężenie prądu płynącego przez żarówkę było równe .. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz
Oceń prawdziwość każdego zdania.
Prawda
Fałsz
Przez odtwarzacz MP3 przepływa prąd o natężeniu 0,1 A. W czasie 2 minut przepływa przez niego ładunek 12 C.
□
□
Przez żarówkę latarki w czasie 100 sekund przepłynął ładunek równy 20 C. Natężenie prądu płynącego przez żarówkę było równe 20 mA.
□
□
Źródło: Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, licencja: CC BY-SA 3.0.
RqT6CeY4DP3wk1
Ćwiczenie 10
Ćwiczenie 11
Korzystając z wykresu zależności natężenia prądu od czasu, oblicz ładunek, który przepłynął przez przewodnik w czasie minut, a następnie zaznacz poprawną odpowiedź.
RuDeW9rmIzro4
RJ8wE7Ga141Ze
Biogramy
André Marie Ampère10.06.1836Marsylia20.01.1775Lyon
R2ZriPEKzr4QC
André Marie Ampère
Uczył fizyki i chemii, interesował się matematyką. Pomimo braku formalnego wykształcenia został wykładowcą matematyki. W roku opublikował ważną pracę dotyczącą elektryczności i magnetyzmu, w której to pracy znalazło się równanie opisujące siłę elektrodynamiczną. Równanie to nazywamy dziś prawem Ampère'a.
André Marie Ampère10.06.1836Marsylia20.01.1775Lyon
R2ZriPEKzr4QC
André Marie Ampère
Uczył fizyki i chemii, interesował się matematyką. Pomimo braku formalnego wykształcenia został wykładowcą matematyki. W roku opublikował ważną pracę dotyczącą elektryczności i magnetyzmu, w której to pracy znalazło się równanie opisujące siłę elektrodynamiczną. Równanie to nazywamy dziś prawem Ampère'a.