10.2. Źródła prądu. Obwód elektryczny

Transkrypt

1 rozdział 10 o prądzie elektrycznym Źródła prądu. Obwód elektryczny W doświadczeniu 10.1 obserwowaliśmy krótkotrwałe przepływy ładunków elektrycznych w przewodzie łączącym dwa elektroskopy. Żeby prąd w przewodzie mógł płynąć bez przerwy, trzeba by nieustannie kręcić korbą maszyny i wytwarzać napięcie między jego końcami. Przewodnik musi być przyłączony do źródła prądu, któremu stale jest dostarczana energia. Źródła prądu, w których napięcie powstaje dzięki energii chemicznej, to ogniwa, baterie ogniw i akumulatory (rys ). bateria ogniw 4,5 V ogniwo 9 V ogniwo 1,5 V ogniwo 1,5 V ogniwo 3 V akumulator samochodowy 12 V Rys Końce przewodnika, przez który ma płynąć prąd, łączymy z metalowymi płytkami zwanymi biegunami ogniwa lub elektrodami. Wskutek przemian chemicznych zachodzących w ogniwie jedna elektroda (anoda) ładuje się dodatnio, druga elektroda (katoda) ładuje się ujemnie, czyli energia chemiczna zamienia się w elektryczną. Prądnice wytwarzają prąd w elektrowniach. W zależności od rodzaju elektrowni różne rodzaje energii są zamieniane na energię elektryczną. Elektrownia wodna Czorsztyn-Niedzica Elektrownia jądrowa

2 o prądzie elektrycznym rozdział doświadczenie 10.2 Cel: Budujemy baterię elektryczną z jabłek i blaszek. Konieczne przedmioty: dwa duże jabłka, trzy ocynkowane blaszki stalowe (na przykład płytki do obciążania listów), trzy blaszki miedziane, kilka metalowych spinaczy biurowych, miernik uniwersalny, dwa przewody elektryczne, dioda LED, kawałek drobnoziarnistego papieru ściernego. Kolejne czynności: Krawędzie wszystkich blaszek czyścimy papierem ściernym. Kroimy jabłka na połówki. Do każdej z trzech połówek jabłka wtykamy głęboko po jednej blaszce miedzianej i jednej ocynkowanej. Do blaszek na jednej z połówek jabłka podłączamy spinaczami przewody. Ustawiamy miernik w pozycji pomiaru napięcia (mv lub V ) i wykonujemy pomiar. Obserwacja: Miernik wskazuje napięcie U 1 V. Wniosek: Jabłko z blaszkami miedzianą i stalową ocynkowaną jest źródłem napięcia o wartości V, czyli stanowi ogniwo elektryczne. Energia elektryczna takiego ogniwa jest wytwarzana kosztem energii uwalnianej w reakcji z kwasem jabłkowym. Dalsze czynności: Budujemy baterię ogniw, łącząc spinaczami na przemian B blaszki miedziane ze stalowymi. A C Podłączamy woltomierz do dwóch połączonych ogniw (punkty A i B), a następnie do trzech (punkty A i C). dioda Odczytujemy napięcia U 2 V i U 3 V.

3 rozdział 10 o prądzie elektrycznym 64 Do baterii trzech ogniw dołączamy diodę LED, sprawdzając, czy się zaświeci. Uwaga: Jeśli dioda się nie świeci, należy odwrotnie podłączyć jej końcówki. Wnioski: Napięcie baterii jest sumą napięć ogniw, z których jest zbudowana. Napięcie U 3 V wystarcza, by zaświeciła się dioda LED. Ćwiczenie Uzupełnij zdania wyrazami: wiatrowych, wodnych, jądrowych, elektrociepłowniach. Energia elektryczna powstaje kosztem: energii mechanicznej wody spadającej z dużej wysokości w elektrowniach, energii chemicznej spalanego węgla w, energii mechanicznej wiatru w elektrowniach, energii przemian jądrowych w elektrowniach. Coraz częściej do wytwarzania prądu elektrycznego wykorzystuje się też fotoogniwa, w których energia świetlna promieni słonecznych zamienia się w energię elektryczną. Poniższe zdjęcie przedstawia baterię słoneczną, która zasila uliczną latarnię.

4 o prądzie elektrycznym rozdział 10 Energia elektryczna dostarczana przez źródła prądu jest wykorzystywana w różnego rodzaju odbiornikach. 65 Ćwiczenie Do tabeli wpisz nazwy odbiorników energii elektrycznej. Małe Średnie Duże zegarek na baterię telewizor wyciąg narciarski Odbiornikiem energii elektrycznej może być także drut zwinięty w spiralę, zwany opornikiem drutowym (rys ). Rys Odbiornik połączony ze źródłem prądu tworzy najprostszy obwód elektryczny (rys ). Rys

5 rozdział 10 o prądzie elektrycznym 66 W ogólnym przypadku obwód elektryczny stanowi zespół elementów wykonanych z przewodników tworzących dla przepływu prądu zamkniętą drogę. W skład obwodu elektrycznego wchodzą: źródło prądu, w którym jest wytwarzana energia elektryczna; odbiorniki, w których przepływ prądu powoduje wykonanie pracy (można też powiedzieć, że odbiornik czerpie energię elektryczną ze źródła); przewody łączące źródło z odbiornikami; inne elementy, takie jak: wyłącznik, przyrządy pomiarowe. Najczęściej stosowane źródła prądu to: źródła elektrochemiczne, do których zaliczamy akumulatory, ogniwa galwaniczne (np. popularne paluszki ) i baterie, czyli zespoły ogniw (np. baterie płaskie 4,5 V) wytwarzają one energię elektryczną kosztem energii chemicznej; mają one dwa bieguny: dodatni +, na którym przeważa ładunek dodatni, i ujemny, na którym przeważa ładunek ujemny; źródła elektromechaniczne, do których zaliczamy prądnice wytwarzają one energię elektryczną kosztem energii mechanicznej (patrz przykład 10.2 na str. 57). Na rysunku widzimy prosty obwód elektryczny. odbiornik wyłącznik źródło prądu Rys W urządzeniach, których często używamy w codziennym życiu, obwody elektryczne są niezwykle skomplikowane i składają się z bardzo wielu elementów. Dlatego rysunki obwodów (tak zwane schematy elektryczne) są wykonywane przy użyciu umownych symboli graficznych. Te symbole są stosowane na całym świecie i nawet nie znając obcego języka, można odczytać ze schematu, jak jest zbudowany obwód. Niektóre najczęściej spotykane symbole przedstawia tabela 10.2.

6 o prądzie elektrycznym rozdział Tabela 10.2 Symbol Znaczenie symbolu przewód elektryczny odbiornik (opornik) zwojnica (cewka) wyłącznik amperomierz woltomierz żarówka źródło prądu odgałęzienie prądu Za pomocą odpowiednich symboli możemy narysować schemat obwodu elektrycznego z rysunku Przedstawia go rysunek Rys Wiemy już, że przepływ prądu elektrycznego w przewodniku metalowym polega na uporządkowanym ruchu elektronów swobodnych pod wpływem sił elektrycznych w stronę dodatniego bieguna źródła prądu. Na schemacie obwodu elektrycznego oznaczamy zwykle tzw. umowny kierunek prądu elektrycznego. Jest on przeciwny do przepływu elektronów swobodnych. Taki kierunek (ze względów

7 rozdział 10 o prądzie elektrycznym 68 historycznych) zachowano od czasów, gdy nie wiedziano jeszcze, czym jest prąd elektryczny, i sądzono, że polega on na przepływie ładunków dodatnich. PODSUMOWANIE W skład każdego obwodu elektrycznego wchodzą: źródło prądu, odbiornik i przewody łączące źródło z odbiornikiem. Graficznym obrazem obwodu elektrycznego jest schemat elektryczny, na którym poszczególne elementy obwodu przedstawia się za pomocą umownych symboli. Na schematach elektrycznych oznaczamy tzw. umowny kierunek (zwrot) prądu, który jest przeciwny do zwrotu prędkości elektronów swobodnych. ( Zadania domowe 1. Z podanych wyrazów ułóż zdanie. ładunków. to Prąd uporządkowany przepływ elektryczny

8 o prądzie elektrycznym rozdział Napisz, z jakich elementów jest zbudowana latarka Narysuj schemat elektryczny latarki. 4. Odszukaj w internecie informacje na temat węgorza elektrycznego i przygotuj na ten temat wypowiedź.