Ten dział poświęciliśmy prądowi elektrycznemu. Opisaliśmy dokładnie to zjawisko, zdefiniowaliśmy natężenie prądu i jego jednostkę – amper. Zwróciliśmy uwagę na napięcie elektryczne, które jest niezbędne do powstania prądu. Sformułowaliśmy podstawowe prawo przepływu prądu – prawo Ohma – i zdefiniowaliśmy pojęcie oporu elektrycznego. Pokazaliśmy jak budować proste obwody elektryczne, tworzyć i interpretować ich schematy, a także jak posługiwać się miernikiem uniwersalnym, który może pełnić funkcję amperomierza lub woltomierza. Przybliżyliśmy ci pojęcie energii elektrycznej, czyli pracy prądu elektrycznego, oraz jego mocy oraz jak obliczać te wielkości zarówno w jednostkach układu SI, jak i tych spoza tego układu, ale stosowanych powszechnie w Polsce.
R1Cqx0v7oDcM3
Natężenie prądu elektrycznego
Rf190hMvHEMrt
Prąd elektryczny – uporządkowany (ukierunkowany) ruch cząstek obdarzonych ładunkiem elektrycznym, nazywanych nośnikami prądu. W metalach nośnikami prądu są elektrony.
Natężenie prądu – ilość ładunku przeniesiona przez poprzeczny przekrój przewodnika w ciągu jednej sekundy. Natężenie prądu obliczamy za pomocą wzoru:
gdzie: – natężenie prądu elektrycznego; – wartość ładunku, który przepłynął przez poprzeczny przekrój przewodnika; – czas, w którym ten ładunek przepłynął przez poprzeczny przekrój przewodnika.
Jednostką natężenia prądu w układzie SI jest amper (symbol ). W przewodniku płynie prąd o wartości jednego ampera (), jeśli w ciągu jednej sekundy () przez przekrój tego przewodnika przepływa ładunek o wartości jednego kulomba ():
Natężenie prądu mierzy się amperomierzem lub miernikiem uniwersalnym ustawionym na tryb pracy amperomierza.
Amperomierz łączymy szeregowo z tym elementem obwodu, w którym chcemy zmierzyć natężenie prądu.
Prąd stały to prąd, który ma stałą wartość natężenia i niezmienny kierunek przepływu.
Napięcie elektryczne
R1bKQvz5udub3
Napięcie elektryczne między dwoma punktami – czynnik wywołujący przepływ prądu. Wartość napięcia równa jest pracy wykonanej podczas przenoszenia ładunku jednostkowego między tymi punktami przewodnika.
Źródłami napięcia stałego są baterie (akumulatory), które zamieniają energię reakcji chemicznych w energię elektryczną (ładunki ujemne rozdzielane są od dodatnich w wyniku reakcji chemicznych).
Jednostką napięcia elektrycznego w układzie SI jest wolt (symbol ).
Napięcie między dwoma punktami obwodu wynosi jeden wolt (), jeśli aby przemieścić między nimi ładunek jednego kulomba () trzeba wykonać pracę o wartości jednego dżula ():
Napięcie elektryczne mierzymy woltomierzem lub miernikiem uniwersalnym ustawionym na tryb pracy woltomierza.
Woltomierz łączymy równolegle z tym elementem obwodu, na końcach którego chcemy zmierzyć napięcie.
Prawo Ohma
RHCoWHqhspULt
Prawo Ohma: Natężenie prądu jest wprost proporcjonalne do napięcia przyłożonego do końców przewodnika, co możemy zapisać wzorem:
lub
gdzie to opór przewodnika.
Opór elektryczny jest wielkością charakterystyczną przewodnika; zależy od jego długości, grubości (pola przekroju poprzecznego przewodnika) oraz rodzaju materiału, z którego został wykonany przewodnik.
Jednostką oporu elektrycznego w układzie SI jest om (symbol ).
Przewodnik ma opór jednego oma (), jeśli napięcie o wartości jednego wolta () wywoła w nim przepływ prądu o natężeniu jednego ampera ():
Wykresem zależności natężenia prądu płynącego przez opornik od napięcia jest linia prosta. Kąt nachylenia prostej zależy od oporu : im większy kąt nachylenia, tym mniejszy opór.
RYv806JrnL8bM
Obwody prądu elektrycznego
RXOaMNX2oGflu
Obwodem elektrycznym nazywamy zestaw przewodników, źródeł napięcia, włączników, wyłączników, oporników i innych odbiorników energii elektrycznej (takich jak żarówka, silnik elektryczny, grzałka) połączonych w sposób umożliwiający przepływ prądu.
Z obwodów elektrycznych zbudowane jest każde urządzenie elektryczne lub elektroniczne (telewizor, komputer, lodówka, pralka), a także fragmenty układu nerwowego człowieka i innych organizmów żywych.
Schemat obwodu elektrycznego
RvNyWg1M8ZIaJ
Schemat obwodu elektrycznego – rysunek elementów obwodu przedstawionych za pomocą ustalonych symboli graficznych. Oto wykaz symboli graficznych niektórych elementów obwodów elektrycznych:
R15oZC3Zqd1Cz
Szeregowe łączenie oporników
R1UCTkiiQ6q22
Przez wszystkie oporniki połączone szeregowo płynie prąd o takim samym natężeniu:
Napięcie przyłożone do układu oporników połączonych szeregowo rozdziela się na poszczególne oporniki, a suma napięć na poszczególnych opornikach równa jest napięciu całkowitemu:
Opór całkowity (zastępczy) oporników połączonych szeregowo jest sumą oporów poszczególnych oporników:
Uszkodzenie jednego z odbiorników połączonych szeregowo sprawia, że przepływ prądu jest niemożliwy także w pozostałych odbiornikach.
Równoległe łączenie oporników
RG1NfT3OkghLy
Natężenie prądu płynącego przez układ oporników połączonych równolegle jest sumą natężeń prądów płynących przez poszczególne oporniki:
Napięcie przyłożone do układu oporników połączonych równolegle i napięcie na każdym z nich mają taką samą wartość:
Aby obliczyć odwrotność oporu całkowitego (zastępczego) w połączeniu równoległym, trzeba dodać do siebie odwrotności oporów poszczególnych odbiorników:
Uszkodzenie jednego z odbiorników połączonych równolegle nie zakłóca przepływu prądu w pozostałych odbiornikach. Właśnie dlatego odbiorniki energii elektrycznej w instalacji domowej połączone są równolegle.
Moc prądu elektrycznego
RC4Cy7zoZxvGI
Moc prądu elektrycznego – ilość energii elektrycznej przekazanej elementowi obwodu elektrycznego w jednostce czasu :
Moc prądu elektrycznego równa jest iloczynowi napięcia elektrycznego i natężenia prądu elektrycznego wywołanego tym napięciem:
Jeśli uwzględnimy prawo Ohma:
to:
lub:
Napis „, ” na urządzeniu elektrycznym oznacza, że jeśli podłączymy je do napięcia woltów, to prąd płynący w tym urządzeniu spowoduje wydzielenie mocy watów.
Praca prądu elektrycznego
RBfZHFBkzorgA
Prąd płynący przez urządzenie elektryczne czerpie energię ze źródła napięcia (baterii, akumulatora, elektrowni). Kosztem tej energii wykonuje pracę mechaniczną lub zamienia ją na inne formy energii (energia cieplna, światło, dźwięk itp.).
Ilość pobranej energii jest równa pracy wykonanej przez prąd, co możemy zapisać symbolicznie:
Aby obliczyć wartość pracy prądu płynącego w urządzeniu o mocy , mnożymy tę moc przez czas pracy tego urządzenia:
Jeśli moc urządzenia wyrazimy w kilowatach (), a czas – w godzinach (), to otrzymamy jednostkę pracy (energii) zwaną kilowatogodziną (). Jedna kilowatogodzina odpowiada ilości energii, jaką zużywa przez godzinę urządzenie o mocy watów, czyli jednego kilowata:
Jednostka ta nie należy do układu SI.
Kilowatogodziny przeliczamy na jednostki układu SI, czyli dżule, w następujący sposób:
Ponieważ moc prądu jest iloczynem napięcia i natężenia prądu (), pracę prądu możemy obliczyć ze wzoru:
Wyznaczanie oporu opornika
R1KNV3W8JJwcv
Aby wyznaczyć opór elektryczny opornika (lub innego elementu), należy:
Zbudować obwód elektryczny składający się z: przewodów elektrycznych, źródła napięcia, opornika (lub innego badanego elementu), amperomierza, woltomierza i wyłącznika.
RNlB2EnrhXOSu
Włączyć zasilanie obwodu i zmierzyć napięcie na końcach opornika oraz natężenie prądu płynącego przez opornik.
Obliczyć opór elektryczny – podzielić napięcie przez natężenie :
Wyznaczanie mocy żarówki
RxNqCmU5z97YT
Aby wyznaczyć moc prądu płynącego w żarówce (lub innym elemencie obwodu), należy:
Zbudować obwód elektryczny składający się z: przewodów elektrycznych, źródła napięcia, żarówki (lub innego badanego elementu), amperomierza, woltomierza i wyłącznika.
ROjjxeU91kdVe
Włączyć zasilanie obwodu i zmierzyć napięcie przyłożone do żarówki oraz natężenie prądu płynącego przez żarówkę.
Obliczyć moc prądu , mnożąc napięcie przez natężenie , czyli ze wzoru:
Test
RK7wsoNYxUrlk11
Ćwiczenie 1
1
Ćwiczenie 2
Kacper ma zbudować obwód przedstawiony na poniższym schemacie. Jakie przyrządy i elementy powinien przygotować w tym celu? Wybierz poprawną odpowiedź.
R1TzuQ7w2rFeE
RmgstvIww6CN5
R1EhLvbatdcl721
Ćwiczenie 3
R15YnMPXQi1ps21
Ćwiczenie 4
R90QnfUkf7sHQ11
Ćwiczenie 5
Oceń, czy w podanych przypadkach połączenie oporników jest szeregowe, czy równoległe. Przeciągnij przypadek do odpowiedniej grupy lub wejdź w pole i wybierz odpowiednie elementy grupy z listy rozwijalnej. połączenie szeregowe oporników Możliwe odpowiedzi: 1. napięcie na końcach każdego z połączonych oporników jest takie samo, 2. opór zastępczy jest mniejszy od najmniejszego z oporników, 3. natężenie prądu jest takie samo dla każdego z połączonych oporników, 4. opór zastępczy jest sumą oporów łączonych elementów, 5. stosuje się w instalacji domowej i samochodowej, 6. opór zastępczy jest większy od największego z oporników, 7. natężenie całkowite dzieli się na poszczególne oporniki, 8. napięcie całkowite dzieli się na poszczególne oporniki połączenie równoległe oporników Możliwe odpowiedzi: 1. napięcie na końcach każdego z połączonych oporników jest takie samo, 2. opór zastępczy jest mniejszy od najmniejszego z oporników, 3. natężenie prądu jest takie samo dla każdego z połączonych oporników, 4. opór zastępczy jest sumą oporów łączonych elementów, 5. stosuje się w instalacji domowej i samochodowej, 6. opór zastępczy jest większy od największego z oporników, 7. natężenie całkowite dzieli się na poszczególne oporniki, 8. napięcie całkowite dzieli się na poszczególne oporniki
Oceń, czy w podanych przypadkach połączenie oporników jest szeregowe, czy równoległe. Przeciągnij przypadek do odpowiedniej grupy lub wejdź w pole i wybierz odpowiednie elementy grupy z listy rozwijalnej. połączenie szeregowe oporników Możliwe odpowiedzi: 1. napięcie na końcach każdego z połączonych oporników jest takie samo, 2. opór zastępczy jest mniejszy od najmniejszego z oporników, 3. natężenie prądu jest takie samo dla każdego z połączonych oporników, 4. opór zastępczy jest sumą oporów łączonych elementów, 5. stosuje się w instalacji domowej i samochodowej, 6. opór zastępczy jest większy od największego z oporników, 7. natężenie całkowite dzieli się na poszczególne oporniki, 8. napięcie całkowite dzieli się na poszczególne oporniki połączenie równoległe oporników Możliwe odpowiedzi: 1. napięcie na końcach każdego z połączonych oporników jest takie samo, 2. opór zastępczy jest mniejszy od najmniejszego z oporników, 3. natężenie prądu jest takie samo dla każdego z połączonych oporników, 4. opór zastępczy jest sumą oporów łączonych elementów, 5. stosuje się w instalacji domowej i samochodowej, 6. opór zastępczy jest większy od największego z oporników, 7. natężenie całkowite dzieli się na poszczególne oporniki, 8. napięcie całkowite dzieli się na poszczególne oporniki
Uporządkuj w kategorie.
opór zastępczy jest sumą oporów łączonych elementów, napięcie na końcach każdego z połączonych oporników jest takie samo, natężenie całkowite dzieli się na poszczególne oporniki, opór zastępczy jest mniejszy od najmniejszego z oporników, opór zastępczy jest większy od największego z oporników, napięcie całkowite dzieli się na poszczególne oporniki, stosuje się w instalacji domowej i samochodowej, natężenie prądu jest takie samo dla każdego z połączonych oporników
połączenie szeregowe oporników
połączenie równoległe oporników
Źródło: ZPE, licencja: CC BY 3.0.
RTRE5LOPYPPHE21
Ćwiczenie 6
R1zWVaXkYs3aK21
Ćwiczenie 7
RtvJs5NRsoI6h21
Ćwiczenie 8
Rqr6QKKmNQrMr21
Ćwiczenie 9
R1qdugIYkqOqG21
Ćwiczenie 10
R1SbJz8HMbPsc21
Ćwiczenie 11
R1MfuVHY1PzCC11
Ćwiczenie 12
Poniżej przedstawiono pewne jednostki oraz wielkości fizyczne związane z prądem elektrycznym. Połącz w pary jednostkę z odpowiednią wielkością fizyczną. amper Możliwe odpowiedzi: 1. opór elektryczny, 2. moc prądu, 3. natężenie prądu, 4. napięcie elektryczne, 5. praca prądu wolt Możliwe odpowiedzi: 1. opór elektryczny, 2. moc prądu, 3. natężenie prądu, 4. napięcie elektryczne, 5. praca prądu wat Możliwe odpowiedzi: 1. opór elektryczny, 2. moc prądu, 3. natężenie prądu, 4. napięcie elektryczne, 5. praca prądu om Możliwe odpowiedzi: 1. opór elektryczny, 2. moc prądu, 3. natężenie prądu, 4. napięcie elektryczne, 5. praca prądu kilowatogodzina Możliwe odpowiedzi: 1. opór elektryczny, 2. moc prądu, 3. natężenie prądu, 4. napięcie elektryczne, 5. praca prądu
Poniżej przedstawiono pewne jednostki oraz wielkości fizyczne związane z prądem elektrycznym. Połącz w pary jednostkę z odpowiednią wielkością fizyczną. amper Możliwe odpowiedzi: 1. opór elektryczny, 2. moc prądu, 3. natężenie prądu, 4. napięcie elektryczne, 5. praca prądu wolt Możliwe odpowiedzi: 1. opór elektryczny, 2. moc prądu, 3. natężenie prądu, 4. napięcie elektryczne, 5. praca prądu wat Możliwe odpowiedzi: 1. opór elektryczny, 2. moc prądu, 3. natężenie prądu, 4. napięcie elektryczne, 5. praca prądu om Możliwe odpowiedzi: 1. opór elektryczny, 2. moc prądu, 3. natężenie prądu, 4. napięcie elektryczne, 5. praca prądu kilowatogodzina Możliwe odpowiedzi: 1. opór elektryczny, 2. moc prądu, 3. natężenie prądu, 4. napięcie elektryczne, 5. praca prądu
Dobierz jednostkę do wielkości fizycznej.
moc prądu, natężenie prądu, napięcie elektryczne, opór elektryczny, praca prądu
amper
wolt
wat
om
kilowatogodzina
Źródło: ZPE, licencja: CC BY 3.0.
1
Ćwiczenie 13
Rysunek przedstawia schemat obwodu służący do wyznaczania oporu fotoopornika.
R1uDwdl5zt8Rs
RrqKRPXEHXMDP
Narysowano schemat obwodu służącego do wyznaczania oporu fotoopornika. Element „1” przypięty jest szeregowo do fotoopornika, a element „2” przypięty jest równolegle do fotoopornika.
RrqKRPXEHXMDP
Zadania
Ćwiczenie 14
R1GX2E0mSqjD3
Ćwiczenie 15
RFaLHFVogbjIE
Polecenie 1
Narysuj schemat obwodu, jaki należy zbudować, aby wyznaczyć moc suszarki elektrycznej.
R17uh6CmEIDMP
Opisz schemat obwodu, jaki należy zbudować, aby wyznaczyć moc suszarki elektrycznej.
R187aT1q77EKX
RO7FlWQ3Fj9dY
RXz8SNG0LAzZQ
Ćwiczenie 16
Polecenie 2
Na żarówce znajduje się napis: „; ”. Czy można tę żarówkę podłączyć do baterii wytwarzającej napięcie ? Odpowiedź uzasadnij.
R14e0Kd3Bgqfj
Nie. Urządzenie ulegnie uszkodzeniu przez zbyt wysokie napięcie. Moc żarówki zostanie przekroczona, co doprowadzi do przepalenia się żarówki.
Ćwiczenie 17
R15vSEmiDprTB
Polecenie 3
Wiele urządzeń elektrycznych wyposażonych jest w lampkę kontrolą, która sygnalizuje, że przez urządzenie płynie prąd. Czy taka lampka połączona jest z obwodem szeregowo czy równolegle? Uzasadnij swój wybór.
REfvgKYG8vYng
Równolegle, ponieważ w przypadku zepsucia się urządzenia prąd dalej będzie przepływał przez czujnik sygnalizując, iż urządzenie jest podpięte pod prąd.
Ćwiczenie 18
RoLIWb5K3WHFI
Najpierw oblicz moc grzejnika i wyraź ją w kilowatach.