5. Prąd elektryczny i jego natężenie

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.

R1Qo24Qj3t5bv

Zdjęcie przedstawia standardową, europejską wtyczkę elektryczną. Wtyczka jest czarna, posiada dwa bolce, miejsce na jeden bolec z gniazdka. Jest podtrzymywana dłonią.

Natężenie prądu elektrycznego

Otaczające nas substancje możemy podzielić na dwie grupy w zależności od tego, czy przewodzą prąd. Są to przewodniki i izolatory. W przewodnikach znajdują się swobodne nośniki ładunku, czyli cząstki czy 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.

R1NImxVr8iJ0j

Ilustracja przedstawia schemat przekroju poprzecznego przewodnika. U samej góry mamy przewód o przekroju poprzecznym kołowym, niżej przewód o przekroju kwadratowym i na dole przewód o przekroju płaskim, prostokątnym. Zliczając schematycznie narysowane elektrony w przekrojach zauważamy, że ich liczba jest różna.

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.

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 $\mathrm{A}$. Jeśli przez przewodnik płynie prąd o natężeniu $3\mathrm{A}$, to znaczy, że w czasie $1$ sekundy przez poprzeczny przekrój tego przewodnika przepływa ładunek równy $3\mathrm{C}$. 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.

RXyhFhIpzgXBH

Ilustracja przedstawia mierniki pomiarowe. Po lewej stronie przedstawiony klasyczny amperomierz z analogową skalą, po prawej nowoczesny, poręczny miernik uniwersalny z możliwością wyboru, jaką wielkość i w jakim zakresie powinien mierzyć oraz z cyfrowym zielono‑czarnym wyświetlaczem. Tło białe.

RAjZSwpIyO8a3

Na rysunku przedstawiono schemat elektryczny obwodu składającego się z baterii, żaróweczki i amperomierza wpiętych szeregowo. Obok przedstawiono rysunkowe odwzorowanie złożonego układu według tego schematu.

Doświadczenie 1

Kształtowanie umiejętności posługiwania się miernikiem uniwersalnym – amperomierzem.

Co będzie potrzebne

• przewody;

• amperomierz;

• źródło prądu (np. baterie $1,5\mathrm{V}$ lub $4,5\mathrm{V}$);

• żarówka.

RDzt9BeyMAGv8

Ilustracja przedstawia schemat elektryczny obwodu składającego się z baterii, żaróweczki i amperomierza wpiętych szeregowo. Obok przedstawiono rysunkowe odwzorowanie złożonego układu według tego schematu. Tło białe.

Instrukcja

1. Połącz elementy obwodu.

2. Na mierniku ustaw opcję pomiaru natężenia prądu.

3. Wybierz odpowiedni zakres miernika.

4. Odczytaj wskazania miernika.

5. 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 $1,5 \mathrm{V}$ i $4,5 \mathrm{V}$);

• żarówka.

RVTsR8eHXJL54

Ilustracja przedstawia schemat elektryczny obwodu składającego się z baterii, żaróweczki i amperomierza wpiętych szeregowo. Obok przedstawiono rysunkowe odwzorowanie złożonego układu według tego schematu.

Instrukcja

1. Połączono elementy obwodu.

2. Na mierniku ustawiono opcję pomiaru natężenia prądu.

3. Wybrano odpowiedni zakres miernika.

4. Odczytano wskazania miernika.

5. 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.

W odbiornikach prądu elektrycznego używanych w domu natężenie prądu osiąga najczęściej nie więcej niż $10\mathrm{A}$. Na miernikach uniwersalnych znajduje się dodatkowe gniazdo (port), do którego podłącza się przewód, gdy natężenie prądu jest większe niż $10\mathrm{A}$.

Natężenie prądu elektrycznego – rozwiązywanie zadań

Przykład 3

RB2CC961gLzcg

Ilustracja przedstawia wykres zależności natężenia prądu od czasu. Oś pozioma jest podpisana: mała litera t, początek nawiasu kwadratowego, mała litera s, koniec nawiasu kwadratowego i jest wyskalowana od 0 do 120 sekund. Oś pionowa jest skierowana do góry i jest podpisana: duża litera I, początek nawiasu kwadratowego, mała litera m duża litera A, koniec nawiasu kwadratowego i jest wyskalowana od 0 do 400 miliamperów. W polu wykresu linia niebieska pozioma na poziomie 350 miliamperów.

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 $t=30\mathrm{s}$):
Z wykresu odczytujemy, że $I=350\mathrm{m}\mathrm{A}=0,35\mathrm{A}$. Dla czasu $t_1=30\mathrm{s}$ otrzymujemy:
$q=0,35\mathrm{A}\cdot 30\mathrm{s}=10,5\mathrm{C}$

Odpowiedź:
W czasie $30$ sekund przez obwód przepłynął ładunek $10,5$ kulomba.

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

Odpowiedź:
$q=21\mathrm{C}$

Przykład 4

Rcdio3YPnE4EZ

Ilustracja przedstawia wykres zależności natężenia prądu od czasu. Oś pozioma jest podpisana: mała litera t, początek nawiasu kwadratowego, mała litera s, koniec nawiasu kwadratowego i jest wyskalowana od 0 do 14 co 2 jednostki. Oś pionowa jest skierowana do góry i jest podpisana: duża litera I, początek nawiasu kwadratowego, mała litera m duża litera A, koniec nawiasu kwadratowego i jest wyskalowana od 0 do 800 co 200 jednostek. W polu wykresu linia niebieska wychodząca z początku układu współrzędnych nachylona pod katem około 40 stopni do osi poziomej.

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 $8\mathrm{s}$ (rozważ sytuację przedstawioną na wykresie).

Rozwiązanie:
W momencie $t=8\mathrm{s}$ natężenie prądu odczytane z wykresu wynosi $400\mathrm{m}\mathrm{A}$. Ładunek będzie równy polu trójkąta o wysokości $400\mathrm{m}\mathrm{A}$ i podstawie $8\mathrm{s}$.

Dane:
$h=400\mathrm{m}\mathrm{A}=0,4\mathrm{A}$
$a=8\mathrm{s}$

Obliczenia:
$q=S=\frac{1}{2}a\cdot h=\frac{1}{2}\cdot 8\mathrm{s}\cdot 0,4\mathrm{A}=1,6\mathrm{C}$

Odpowiedź:
Całkowity ładunek, jaki przepłynął w czasie $8\mathrm{s}$, wynosi $1,6\mathrm{C}$.

Podsumowanie

• Natężenie prądu elektrycznego mierzymy przy użyciu amperomierza.

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

Słowniczek

Zadania

Ćwiczenie 11

Korzystając z wykresu zależności natężenia prądu od czasu, oblicz ładunek, który przepłynął przez przewodnik w czasie $2$ minut, a następnie zaznacz poprawną odpowiedź.

RuDeW9rmIzro4

Pierwsza ćwiartka układu współrzędnych. Na osi pionowej odłożone napięcie w miliamperach od zera do czterystu, co sto miliampery. Na osi poziomej odłożono czas w sekundach od zera do stu dwudziestu, co trzydzieści sekund. Wykres to pozioma linia zaczynająca się w punkcie (0;350) i biegnąca zgodnie ze zwrotem osi czasu.

RJ8wE7Ga141Ze

Możliwe odpowiedzi: 1. $42 \mathrm{C}$, 2. $42000 \mathrm{C}$, 3. $0,7 \mathrm{C}$, 4. $700 \mathrm{C}$

Biogramy

André Marie Ampère10.06.1836Marsylia20.01.1775Lyon

R2ZriPEKzr4QC

Portret André Marie Ampère'a. Na czarno‑białej rycina lewy półprofil mężczyzny ubranego w elegancki strój. Mężczyzna ma półdługie loki przechodzące w bokobrody. Broda i wąsy wygolone. Mocno zarysowany nos.

André Marie Ampère

1775.01.20 Lyon – 1836.06.10 Marsylia

Uczył fizyki i chemii, interesował się matematyką. Pomimo braku formalnego wykształcenia został wykładowcą matematyki. W $1826$ 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.