Zapisz jako PDF

Prawo Ohma
Natężenie prądu płynącego przez przewodnik jest wprost proporcjonalne do napięcia przyłożonego
do jego końców.
Współczynnikiem proporcjonalności pomiędzy tymi wielkościami jest odwrotność oporu
elektrycznego.
Opór elektryczny
jest wielkością charakteryzującą przewodnik, zależy od jego rozmiarów, materiału, z jakiego jest
wykonany i temperatury. Dla przewodnika o długości l, polu przekroju S, wielkość oporu oblicza się,
korzystając z zależności:
gdzie
jest oporem właściwym przewodnika — wielkość ta zależy od temperatury.
Prawa Kirchoffa
I prawo
Suma prądów wpływających do węzła obwodu elektrycznego jest równa sumie prądów
wypływających.
II prawo
Suma sił elektromotorycznych w prostym obwodzie jest równa sumie napięć na poszczególnych
opornikach.
Szczególny przypadek II prawa Kirchhoffa
Łączenie oporników z prądem
Równoległe
Szeregowe
Gdy łączy się równolegle n jednakowych ogniw o sile elektromotorycznej E i oporze wewnętrznym rw,
opór wewnętrzny n-krotnie maleje, a siła elektromotoryczna nie zmienia się. Natomiast połączenie
szeregowe takich samych ogniw powoduje, że siła elektromotoryczna i opór baterii jest wówczas nkrotnie większy niż pojedynczego ogniwa.
Prąd
Metale są dobrymi przewodnikami prądu. Tę cechę zawdzięczają budowie wewnętrznej. Ich atomy
tworzą regularną, uporządkowaną strukturę, w której można wyróżnić elementy symetrii. Ich
regularne ułożenie przypomina sieć i dlatego nazywa się ją siecią krystaliczną. Elektrony najbardziej
zewnętrznych powłok atomowych są luźno związane z atomami; można powiedzieć, że tworzą rodzaj
kleju wypełniającego przestrzeń. Tak więc stwierdzenie, że atomy tworzą sieć krystaliczną, nie jest
bardzo ścisłe. Należałoby raczej powiedzieć, że tworzą ją jony. Kryształ metalu jest oczywiście
elektrycznie obojętny. Jony sieci krystalicznej poruszają się ruchem drgającym wokół położenia
równowagi. Z drgającym ruchem wiąże się energia. Im większa jest amplituda tych drgań, mówiąc
prościej, im większe są te drgania, tym większa jest energia wewnętrzna metalu. Przypomnę Ci, że
energia wewnętrzna ciała jest sumą wszystkich energii atomów i cząsteczek tego ciała, a
temperatura jest wielkością fizyczną, która zależy od średniej energii kinetycznej ruchu cząsteczek.
Jeśli energia kinetyczna się zwiększy, to wskaźnikiem będzie wzrost temperatury.
Jeśli końce opornika połączymy z biegunami źródła napięcia, to w oporniku powstanie pole
elektryczne. Pole to natychmiast zmusza swobodne elektrony do wędrówki w kierunku dodatniego
potencjału. Nie jest to jednak łatwa droga. Elektrony napotykają drgające jony i zderzają się z nimi.
Zderzają się także między sobą. Wobec tego ruch elektronów wzdłuż przewodnika jest bardzo
powolny. Chwilami jest przyspieszony, chwilami opóźniony, elektron przesuwa się do przodu i cofa,
jednakże wciąż podąża ku wyższemu potencjałowi.
Analogie
kulka
elektron
Ruch jednostajnie zmienny kulki w jednorodnym
polu grawitacyjnym.
Ruch jednostajnie zmienny elektronu w
jednorodnym polu elektrycznym.
Ruch jednostajny kulki w słoju z oleistą cieczą.
Ruch elektronu w przewodniku.
Ruch swobodnego elektronu w jednorodnym polu elektrycznym jest ruchem jednostajnie
przyspieszonym, podobnie jak ruch kulki w jednorodnym polu grawitacyjnym (rys. Figure 1).
Rozważmy tę sytuację dokładniej. W punkcie A nadajemy kulce prędkość początkową
pionowo w
dół. Względem punktu B ma ona energię potencjalną grawitacji i energię kinetyczną. Gdy dotrze do
punktu B ruchem jednostajnie przyspieszonym, będzie miała tylko energię kinetyczną równą sumie
energii kinetycznej i potencjalnej, jaką miała w punkcie A. Jej prędkość będzie znacznie większa niż
w punkcie A. A teraz nieco skomplikujmy tę sytuację. Tę samą kulkę umieścimy w tym samym
punkcie A, ale w ośrodku stawiającym duży opór (np. w oleistej cieczy) Nadamy jej, jak poprzednio
taką samą prędkość początkową , ale na skutek równowagi sił będzie się ona poruszała ruchem
jednostajnym. Kulka dotrze do punktu B i będzie miała tę samą prędkość co w punkcie A, a co za tym
idzie, tę samą energię kinetyczną. Co się stało z energią potencjalną, jaką miała kulka w punkcie A?
Na skutek tarcia zamieniła się na energię wewnętrzną kulki i ośrodka. Z ruchem elektronu w
krysztale rzecz ma się bardzo podobnie. W jednorodnym polu elektrycznym w próżni byłby to — jak
wiesz — ruch jednostajnie przyspieszony. W przewodniku można przyjąć, że średnia wartość
prędkości elektronów w kierunku równoległym do osi przewodnika jest stała.
Praca i moc
Energia potencjalna pola elektrycznego zamienia się w energię wewnętrzną ośrodka, ponieważ
elektron brnąc przez sieć krystaliczną metalu, zderza się z jonami i oddaje im część swojej energii, w
wyniku czego rośnie amplituda drgań jonów, rośnie również energia wewnętrzna ośrodka. Ten
wzrost energii wewnętrznej pociągnie za sobą wzrost temperatury.
W czasie
płynął prąd o natężeniu I, a więc przez przewodnik przepłynął ładunek
Przesuwając ładunek, siły pola elektrycznego wykonały pracę:
.
Tę wielkość nazywa się pracą prądu elektrycznego.
Jak pamiętasz pracę i energię wyraża się w dżulach i teraz warto podać związek jednostek wielkości
mechanicznych z jednostkami wielkości elektrycznych
1 kilowatogodzina (kWh) jest to jednostka energii elektrycznej i pracy prądu. Odpowiada ona zużyciu
energii elektrycznej przez urządzenie o mocy
pracujące w ciągu 1 godziny.
.
Wytwarzamy energię elektryczną głównie po to, żeby wykorzystywać ją w urządzeniach grzejnych (
kuchnie, grzejniki, suszarki do włosów), do oświetlania i do zasilania silników, które wykonują pracę
mechaniczną. To są główne zastosowania prądu elektrycznego.
W urządzeniu grzewczym przepływający prąd rozgrzewa spiralę.
Dokładnie o wartość
formie ciepła otoczeniu
Ponieważ
wzrosła energia wewnętrzna spirali i przekaże ona ten przyrost w
, więc
Ciepło wydzielone przez przewodnik jest proporcjonalne do kwadratu natężenia
przepływającego przezeń prądu oraz do czasu jego przepływu.
Zależność tę po raz pierwszy odkrył James Prescott Joule. Od nazwiska tego uczonego pochodzi
nazwa jednostki energii — dżul (J)
Jedną z charakterystycznych cech urządzeń grzewczych jest ich moc znamionowa.
Moc urządzenia elektrycznego
to szybkość, z jaką urządzenie to pobiera energię elektryczną, by ją przetworzyć na inny rodzaj
energii:
zatem
Jednostką mocy jest wat.
Każde urządzenie elektryczne charakteryzuje się również sprawnością.
Sprawność
urządzenia elektrycznego równa jest stosunkowi energii uzyskanej do pracy prądu elektrycznego,
który zasila to urządzenie.
Sprawność realnie funkcjonujących urządzeń jest mniejsza od jedności, ponieważ część energii
elektrycznej ulega rozproszeniu.