IX. Elektryczność t W P = VI. Praca, moc, energia.

IX. Elektryczność
VI. Praca, moc, energia.
Prąd elektryczny w ciałach stałych to uporządkowany ruch elektronów swobodnych.
Prąd płynie tylko w obwodach zamkniętych.
Najprostszy obwód elektryczny składa się
ze źródła napięcia i odbiornika energii elektrycznej (np. żarówki) połączonych przewodnikami elektrycznymi. Umowny kierunek prądu jest od + do -, a rzeczywisty kierunek ruchu elektronów: od – do +.
Wielkości opisujące prąd to: natężenie
prądu, napięcie elektryczne oraz opór elektryczny.
Natężenie określa ilość ładunku przepływającego przez poprzeczny przekrój przewodnika w jednostce czasu. Mierzymy je amperomierzem, który łączymy z obwodem szeregowo lub obliczamy za pomocą wzoru:
q
I=
I – natężenie; q – ładunek; t - czas
t
C
Jednostką natężenia jest amper: A =
s
Opór elektryczny przewodnika R zależy
od: rodzaju materiału ( - opór właściwy),
długości przewodnika - l oraz pola przekroju
poprzecznego - S. Opór elektryczny przewodnika nie zależy ani od napięcia ani od
natężenia prądu. Możemy wyznaczyć go
omomierzem lub obliczyć ze wzoru:
l
V
R=
Jednostka oporu jest om:  =
S
A
Im mniejszy jest opór właściwy danej substancji tym lepiej przewodzi ona prąd.
I prawo Kirchhoffa – suma natężeń prądów wypływających z rozgałęziania (węzła)
równa jest sumie prądów wpływających do
rozgałęzienia (węzła). I1
Napięcie elektryczne, to różnica potencjałów między dwoma punktami obwodu Elektrycznego warunkująca przepływ prądu.
Mierzymy go woltomierzem, który łączymy
z obwodem równolegle lub obliczamy ze
W
wzoru: U =
q
R = R1 + R2 + R3
U = U1 + U2 + U3
I = na każdym odbiorniku jest jednakowe
U – napięcie; W – praca; q – ładunek
J
Jednostka napięcia jest wolt V =
C
I = I1+I2+I3
Prawo Ohma – natężenie prądu w przewodniku
jest wprost
I[A]
proporcjonalne do
napięcia na
jego końcach
U[V]
U
Wykres – Prawo Ohma
I=
R
I4 = I1 + I2 + I3
I2
I4
I3
Łączenie odbiorników energii elektrycznej:
- szeregowe
R1
- równoległe
1 1 1 1
=
+ =
R R1 R2 R3
R2
R3
R1
R2
R3
U – na każdym odbiorniku jest jednakowe
Praca prądu – jest wprost proporcjonalna
do iloczynu napięcia, natężenia i czasu
przepływu prądu: W = UIt
Jednostka pracy prądu jest dżul: J = VAs
kWh – kilowatogodzina (1kWh = 3600000J)
Moc prądu – określa ilość pracy wykonanej
w jednostce czasu. Jest wprost proporcjonalna do iloczynu napięcia i natężenia prądu:
P
W
lub P = UI
t
Wat to jednostka mocy: W =
J
lub W =VA
s
Praca – o pracy w sensie fizycznym mówimy wówczas, gdy pod działaniem siły następuje przesunięcie ciała. Obliczamy ją z
wzoru:
W=Fs
Jednostką pracy jest dżul: J = N m
Moc – określa ilość pracy wykonanej w
jednostce czasu. Obliczamy ją z wzoru:
J
W
P=
Jednostką mocy jest wat: W = .
s
t
W technice stosuje się często inną jednostkę
mocy, zwaną koniem mechanicznym:
KM = 736 W
Energia mechaniczna – to zmagazynowana
praca. Obliczamy ją w dżulach. Każde ciało,
które posiada energię mechaniczną może jej
kosztem wykonać pracę. Energia mechaniczna dzieli się na energię kinetyczną i potencjalną (ciężkości oraz sprężystości).
Energia kinetyczna (Ek) – posiadają ją ciała będące w ruchu. Wartość Ek jest proporcjonalna do masy ciała i kwadratu jego
mv2
prędkości.
Ek =
2
Energia potencjalna ciężkości (Ep) – posiadają ja ciała, które są na pewnej wysokości względem układu odniesienia. Wartość
Ep jest proporcjonalna do masy ciała i jego
wysokości względem układu odniesienia.
Ep = mgh
Energia potencjalna sprężystości (Ep) –
posiadają ją ciała odkształcone sprężyście.
Wartość jej jest proporcjonalna do kwadratu
wielkości odkształcenia oraz zależy od
współczynnika sprężystości odkształcanego
kr2
ciała.
Ep =
2
Zasada zachowania energii mechanicznej
– całkowita energia mechaniczna, czyli suma energii potencjalnej i kinetycznej, izolowanego układu ciał jest stała.
E = Ek + Ep = constans
Zmiana E. mech. równa jest pracy wykonanej nad układem ciał lub przez układ ciał.
Maszyny proste – niektóre mogą dać zysk
na sile, nie dają zysku na pracy, ale ułatwiają wykonanie pracy.
Dźwignia dwustronna – daje tyle razy zysku na sile ile razy ramię siły działania jest
dłuższe od ramienia siły oporu. Jeżeli ramiona są
r2
r1
r
2
równe to
F2
r
F
dźwignia F1
F1
nie daje
2
=
=
zysku na sile. Dźwignia
jest
w
równowadze,
50
?F2 r2
jeżeli spełniony jest
warunek:
F
r
=
1
1
N
Np: Ramię na które działa siła F2 jest dwa
razy dłuższe od ramienia na które działa siła
F1, więc siła F2 będzie dwa razy mniejsza od
siły F1
Jeżeli siły działają po jednej
stronie punktu podparcia, to
r1 r2
dźwignia taka jest dźwignią
jednostronną.
Blok nieruchomy (rys.
obok) – nie daje zysku na
sile, ale ułatwia wykonanie
pracy.
F1
F2
F1 = F2 bo r1 = r2
Kołowrót – np. prosty kor2
r1
łowrotek wędkarski. Daje
tyle razy zysku na sile ile
F2
razy korba (r2) jest dłuższa od promienia wału
(r1).
F1
Tarcie – występuje na
styku dwóch ciał i zawsze
przeciwdziała ruchowi. Rozróżniamy tarcie
statyczne, gdy ciała są w spoczynku i tarcie
kinetyczne (dynamiczne), gdy ciała są w ruchu. Maksymalne tarcie statyczne jest większe od tarcia kinetycznego.
Tarcie jest proporcjonalne do siły nacisku na
podłoże. T=fN Im większa siła nacisku tym
większe tarcie. Tarcie zależy również od rodzaju powierzchni stykających się ze sobą.
Nie zależy od wielkości tych powierzchni.