Zapisz jako PDF
Transkrypt
Zapisz jako PDF
Prąd elektryczny nazywamy uporządkowany ruch ładunków elektrycznych. Aby zaistniało w ośrodku zjawisko prądu elektrycznego muszą być spełnione dwa warunki jednocześnie: w ośrodku muszą być nośniki ładunków elektrycznych, musi być wytworzone pole elektryczne. Natężenie prądu elektrycznego pochodna ładunku przepływającego przez przekrój poprzeczny przewodnika względem czasu. Jednostką jest amper (A), jedna z siedmiu podstawowych jednostek układu SI, którą definiuje się przez magnetyczne skutki przepływu prądu elektrycznego i dlatego tę definicję przedstawiamy później. Gęstość prądu jest równa stosunkowi natężenia prądu do prostopadłego pola powierzchni, przez który przepływa. Związek pomiędzy gęstością prądu a prędkością unoszenia ( średnią szybkością przemieszczania się ładunków) wyprowadza się następująco: Niech n oznacza gęstość nośników ładunku, czyli liczbę nośników w jednostce objętości, e wartość ładunku elementarnego. Przyjmijmy, że przewodnik ma kształt walca o polu podstawy S (i zarazem przekroju S). W elemencie przewodnika o długości l znajduje się ładunek: a ponieważ prędkość i gęstość prądu są wektorami, więc Ruch ładunków jest możliwy tylko w polu elektrycznym. Aby więc zaistniał, konieczne jest wytworzenie pola elektrycznego. Napięcie elektryczne U różnica potencjałów pomiędzy dwoma punktami pola elektrycznego. Jednostką jest wolt. Kierunek prądu elektrycznego na mocy umowy przyjmuje się jako zgodny z kierunkiem ruchu ładunków dodatnich od punktu o wyższym do punktu o niższym potencjale. Siła elektromotoryczna źródła napięcia — SEM Jakie znasz najczęściej używane źródła napięcia? Rozejrzyjmy się wokół. Myślę, że najpopularniejsze są trzy: baterie ogniw chemicznych, baterie ogniw słonecznych, prądnica prądu przemiennego w elektrowni, która zasila sieć elektryczną, dostępną w każdym domu. Przeanalizujmy te źródła napięcia z punktu widzenia przemian różnych form energii. Ogniwo galwaniczne W ogniwie galwanicznym powstaje kontaktowa różnica potencjałów pomiędzy elektrolitem a elektrodą. Elektrody są dwie, każda wykonana z innego materiału. W klasycznym ogniwie Volty elektrodami były płytki: miedziana i cynkowa, a elektrolitem roztwór kwasu. W wyniku reakcji chemicznych pomiędzy elektrodami i elektrolitem, powstaje pomiędzy elektrodami napięcie. Obecnie stosuje się ogniwa suche, to znaczy takie, w których elektrolit zaabsorbowany jest przez porowaty ośrodek. Najpopularniejszym są różne odmiany ogniwa Leclanchégo, w którym dwie elektrody — jedna grafitowa a druga — cylindryczna cynkowa zanurzone są w elektrolicie, którym jest roztwór chlorku amonowego. W każdym ogniwie galwanicznym energia reakcji chemicznej zamienia się na energię powstającego między elektrodami pola elektrycznego. Fotoogniwo (ogniwo fotoelektryczne) W ogniwie fotoelektrycznym energia światła zamieniana jest bezpośrednio na energię elektryczną. Na ogół wykorzystuje się półprzewodnikowe złącze p-n. Jak pamiętasz, na granicy takiego złącza powstaje silne pole elektryczne. Zaabsorbowanie kwantu światła powoduje wytworzenie się w obrębie złącza pary nośników — elektronu i dziury. Nośniki te są przesuwane przez pole elektryczne, a jeśli zamkniemy obwód elektryczny, to popłynie prąd. Ogniwa fotoelektryczne są drogie i otrzymuje się w nich niewielkie napięcia. Dosyć powszechnym zastosowaniem jest zasilenie nimi kalkulatorów. Aby uzyskać większe — zarówno napięcie jak i natężenie — można połączyć ogniwa w baterie. Ze względu na koszty baterie słoneczne — bo tak się je nazywa, znalazły zastosowanie tam, gdzie inne źródła napięcia nie mogą być użyte, a więc, np. — jako zasilenie urządzeń w sztucznych satelitach Ziemi. Prądnica prądu przemiennego Chociaż mówimy o prądzie stałym, to jednak nie sposób nie wspomnieć o tym najpopularniejszym źródle napięcia, z którego korzystamy najczęściej — napięciu w domowym gniazdku elektrycznym. Napięcie to jest przesyłane z elektrowni, gdzie wytwarzane jest w prądnicy (generatorze). Wykorzystując zjawisko indukcji elektromagnetycznej, w prądnicy energia mechaniczna obracającego się elektromagnesu, wytwarzającego pole magnetyczne zamieniana jest na energię elektryczną pola elektrycznego powstającego w zwojach, przez które to pole przenika. Tak wytwarzana energia elektryczna jest przesyłana do sieci miejskiej. Wielkością charakteryzującą źródło napięcia jest siła elektromotoryczna. Mimo, że w nazwie jest termin „siła”, nie ma nic wspólnego z wielkością określającą oddziaływanie ciał, którą poznaliśmy, ucząc się mechaniki. SEM Siłą elektromotoryczną źródła napięcia — SEM, nazywamy stosunek ilości energii zamienionej na energię elektryczną do ładunku przepływającego przez obwód w danym czasie. Siłę elektromotoryczną oznacza się skrótowo SEM i mierzy w woltach. Sens fizyczny tej wielkości jest taki, że jest to ilość energii zamienionej na energię elektryczną przypadająca na jednostkowy ładunek przepływający w obwodzie zamkniętym.