Badanie zależności między natężeniem prądu a napięciem elektrycznym w obwodzie

R1XnIy5hynees

Zdjęcie przedstawia urządzenie elektroniczne domowej roboty składające się z kilku modułów połączonych ze sobą różnokolorowymi przewodami zamontowanych na metalowo drewnianej ramie. Uwagę zwraca obecność dwóch anten świadczących o tym, że jest to jakiś rodzaj nadajnika. Urządzenie leży na pliku kartek, z których pierwsza, najlepiej widoczna jest narysowanym odręcznie schematem. Tło zdjęcia jest czarne.

Symbole wybranych elementów obwodu elektrycznego

Każde urządzenie elektryczne to połączony układ zespołów, podzespołów lub elementów elektrycznych (elektronicznych), które wyznaczają zamkniętą drogę przepływu prądu elektrycznego. Taki układ nazywamy obwodem elektrycznymobwód elektrycznyobwodem elektrycznym.

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 naprawić uszkodzenie. Układ zobrazowany za pomocą symboli graficznych nazywamy schematem obwodu elektrycznegoschemat obwodu elektrycznegoschematem obwodu elektrycznego.

R18QiOOyLwjOr

Przykład schematu zasilacza. Na schemacie zaznaczono liczne elementy tworzące zasilacz: oporniki, kondensatory, diody. Elementy połączone są ze sobą węzłami - miejscami przecięcia linii na schemacie. Schemat jest czarno‑biały, czytelny i zapewnia ujednolicone oznaczenia dla konkretnych komponentów.

Za pomocą symboli graficznych możemy opisać budowę i przeznaczenie elementów obwodu elektrycznegoobwód elektrycznyobwodu elektrycznego. Schematy są niezwykle przydatne, gdyż słowny opis budowy i zasady działania byłby nie tylko zdecydowanie dłuższy niż jednostronicowy schemat, ale również mniej czytelny. 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 przedstawiony powyżej schemat zasilacza. Tak naprawdę wszystko zależy od złożoności urządzenia. W poniższej tabeli przedstawiono symbole graficzne elementów niezbędnych do sporządzenia schematów prostych obwodów elektrycznych.

R15oZC3Zqd1Cz

Na obrazku widać tabelę o dwóch kolumnach i czterech rzędach. W każdej komórce tabeli narysowano symbol elementu obwodu elektrycznego i jego nazwę. Pierwszy z góry od lewej jest włącznik otwarty. Oznaczony jest on jako dwa poziome, położone na tej samej linii odcinki, między którymi jest przerwa. Na prawym końcu lewego odcinka i na lewym końcu prawego odcinka narysowano puste kółka. Od kółka lewego przewodu poprowadzono pod kątem około dwudziestu stopni do góry kolejny odcinek, który kończy się nad kółkiem prawego odcinka. W drugiej kolumnie pierwszego rzędu narysowano włącznik zamknięty. Wygląda on jak włącznik otwarty, z tym że teraz trzeci odcinek nie jest pooprowadzony pod kątem, a łączy kółka pierwszego i drugiego odcinka. W drugim rzędzie pierwszej kolumny narysowano ogniwo - są to dwa odcinki położone na tej samej prostej; lewy odcinek zakończony jest z prawej strony wąską pionową kreską, natomiast prawy odcinek zakończony jest z lewej strony grubą pionową kreską. W drugiej kolumnie pierwszego rzędu jest przewód, narysowany jako odcinek. W trzecim wierszu pierwszej kolumny jest żarówka: dwa poziome odcinki narysowane na tej samej prostej, a między nimi okrąg. Środek okręgu znajduje się na wysokości odcinków, i styka się z ich końcami. W środku okręgu narysowano dwa przecinające się pod kątem prostym odcinki. Odcinki są pod kątem czterdziestu pięciu stopni od poziomu i stykają się z okręgiem wszystkimi końcami. W trzecim wierszu drugiej kolumny jest opornik. Dwa poziome odcinki narysowane na tej samej prostej, między nimi prostokąt o poziomym boku około trzy razy dłuższym niż pionowy. Środek prostokąta znajduje się na wysokości odcinków. W czwartym wierszu pierwszej kolumny jest amperomierz: dwa poziome odcinki leżące na jednej prostej, między nimi okrąg, ze środkiem na wysokości odcinków i stykający się z nimi. W środku okręgu litera duże a. W czwartym wierszu drugiej kolumny narysowano woltomierz. Wygląda tak samo jak amperomierz, ale zamiast litery duże a, w środku okręgu jest litera duże fał.

Ćwiczenie 3

Spośród schematów przedstawionych poniżej wybierz ten, który odpowiada obwodowi przedstawionemu na rysunku. Na schematach samochodzik jest przedstawiony z użyciem symbolu żaróweczki.

RM166AHxTQ5pu

Na ilustracji samochodzik na baterie połączony przewodami z baterią, która go zasila. W obwód włączony jest szeregowo amperomierz oraz równolegle do samochodziku woltomierz.

R1bHB3ZBWFWyv

R1Was4cobzoaQ

Możliwe odpowiedzi: 1. Rysunek przedstawia schemat elektryczny. W szeregu połączone są: bateryjka, amperomierz oraz równolegle połączony woltomierz i samochodzik., 2. Rysunek przedstawia schemat elektryczny. W szeregu połączone są: bateryjka, woltomierz oraz równolegle połączony amperomierz i samochodzik., 3. Rysunek przedstawia schemat elektryczny. W szeregu połączone są: bateryjka, samochodzik oraz równolegle połączony amperomierz i woltomierz., 4. Rysunek przedstawia schemat elektryczny. W szeregu połączone są: bateryjka, amperomierz oraz równolegle połączony woltomierz i kondensator.

Wśród symboli graficznych przedstawiających elementy obwodów elektrycznych nie znajdziemy symbolu urządzenia pokroju samochodzika na baterię. Czasami jednak trzeba je uwzględnić w schemacie – tak jak np. w powyższym ćwiczeniu. Wówczas możemy narysować dane urządzenie według własnego uznania, albo sprowadzić je do symbolu najważniejszej jego funkcji. Pamiętajmy jednak, że jeżeli zdecydujemy się na pierwszą opcję, nasz rysunek powinien być czytelny i jednoznaczny. Drugą opcją jest wymienienie urządzenia na schemacie na inne, działające w analogiczny sposób. W naszym przypadku, zamiast samochodzika, można do układu podpiąć żarówkę.

Badanie zależności natężenia prądu płynącego przez opornik od napięcia elektrycznego miedzy jego końcami

Polecenie 1

Na podstawie tabeli pomiarowej sporządź wykres $I\left(U\right)$; 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.

RdM7UlVz4msCm

Pokaż przykładowe rozwiązanie

RLabxq5Rzz0Bn

Polecenie 1

W poniższej tabeli zestawiono wyniki pomiarów. Jak myślisz, czy można powiedzieć, że zależność ta jest liniowa? Pamiętaj o tym, że każdy pomiar jest obarczony niepewnością. Notatki możesz zapisać w polu poniżej.

lp.	$I\,\left[\mathrm{mA}\right]$	$U\,\left[\mathrm{V}\right]$
$1$	$60$	$4,5$
$2$	$80$	$9$
$3$	$140$	$13,5$
$4$	$180$	$18$

RNJvP5BRgIFL9

(Uzupełnij).

Pokaż odpowiedź

Punkty nie układają się na linii prostej, chociaż tylko jeden punkt odbiega od takiego trendu. Pamiętając o tym, że pomiary są obarczone niepewnością, można domniemywać, że zależność jest liniowa. Przydałoby się jednak trochę więcej punktów pomiarowych.

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.

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.

Ćwiczenie 5

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.

Rch1YVwlcj7xo

Opisz 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. Ewentualne notatki możesz zapisać w polu poniżej.

RTV9uvCYt7bzn

(Uzupełnij).

RkY9VF0IKa4Rq

Uzupełnij luki w zdaniach wybierając prawidłowe odpowiedzi spośród podanych. Jeżeli w tym obwodzie amperomierz wpięlibyśmy między dwoma opornikami, a żaróweczką to jego wskazanie 1. w obwodzie połączonym równolegle natężenie prądu jest stałe, 2. w obwodzie połączonym równolegle natężenie prądu się zmienia, 3. w obwodzie połączonym szeregowo natężenie prądu się zmienia, 4. zmieni się, 5. nie zmieni się, 6. w obwodzie połączonym szeregowo natężenie prądu jest stałe, ponieważ 1. w obwodzie połączonym równolegle natężenie prądu jest stałe, 2. w obwodzie połączonym równolegle natężenie prądu się zmienia, 3. w obwodzie połączonym szeregowo natężenie prądu się zmienia, 4. zmieni się, 5. nie zmieni się, 6. w obwodzie połączonym szeregowo natężenie prądu jest stałe.

Uzupełnij luki w zdaniach wybierając prawidłowe odpowiedzi spośród podanych. Jeżeli w tym obwodzie amperomierz wpięlibyśmy między dwoma opornikami, a żaróweczką to jego wskazanie 1. w obwodzie połączonym równolegle natężenie prądu jest stałe, 2. w obwodzie połączonym równolegle natężenie prądu się zmienia, 3. w obwodzie połączonym szeregowo natężenie prądu się zmienia, 4. zmieni się, 5. nie zmieni się, 6. w obwodzie połączonym szeregowo natężenie prądu jest stałe, ponieważ 1. w obwodzie połączonym równolegle natężenie prądu jest stałe, 2. w obwodzie połączonym równolegle natężenie prądu się zmienia, 3. w obwodzie połączonym szeregowo natężenie prądu się zmienia, 4. zmieni się, 5. nie zmieni się, 6. w obwodzie połączonym szeregowo natężenie prądu jest stałe.

Pokaż przykładowe rozwiązanie

Przykładowy schemat:

R1DSCUiLxUNWC

Ogniwo oznaczone jako dwie pionowe kreski o różnych długościach. Od dłuższej kreski biegnie przewód do opornika, którego symbolem jest prostokąt. Dalej jest podłączony amperomierz (kółko z literą duże A w środku), kolejny opornik oraz żarówka, której symbol to kółko z iksem w środku. Od żarówki przewód poprowadzony jest do krótszej kreski symbolu ogniwa. Do żarówki podłączony jest równolegle woltomierz o symbolu kółko z dużym V w środku.

Zadania podsumowujące lekcję

Ćwiczenie 6

Korzystając ze schematu obwodu elektrycznego, określ z jakich elementów jest on zbudowany.

R58ByFYNGf7o5

Schemat układu złożonego z pięciu elementów oraz łączących je przewodów. Symbol jednego z elementów to dwie pionowe kreski, jedna dłuższa od drugiej. Od dłuższej przewód prowadzi do elementu, którego symbolem jest kółko przekreślone na kształt litery iks. Dalej do prostokąta, do kolejnego prostokąta, kółka z literą duże A w środku i do krótszej kreski pierwszego symbolu.

RtuJofiYhVpmq

Zaznacz poprawną odpowiedź. Możliwe odpowiedzi: 1. $1$ żarówka, $2$ oporniki, amperomierz, $1$ ogniwo, przewody, 2. $1$ żarówka, $2$ oporniki, woltomierz, $1$ ogniwo, przewody, 3. $2$ żarówki, $2$ oporniki, woltomierz, $1$ ogniwo, przewody, 4. $2$ żarówki, $1$ opornik, amperomierz, $2$ ogniwa, przewody

Słownik