Wszystkie materiały tworzone i przekazywane przez Wykładowców NPDN PROTOTO są chronione prawem autorskim i przeznaczone wyłącznie do użytku prywatnego. MATERIAŁY Z KURSU KWALIFIKACYJNEGO www.prototo.pl
Ładunki elektryczne Ładunki elektryczne, to zwykle cząstki, które potrafią wytwarzać pole elektryczne. Źródłem pola elektrycznego jest ładunek. Istnieją dwa rodzaje ładunków elektrycznych: dodatni i ujemny. Ładunki jednoimienne odpychają się, a różnoimienne przyciągają. Wszystkie substancje składają się z cząsteczek, a cząsteczki z atomów.
Budowa atomu Atomy składają się z trzech różnych cząstek: elektronów (e), protonów (p) i neutronów (n). Elektron ma ładunek elektryczny ujemny, proton dodatni, natomiast neutron nie posiada ładunku elektrycznego jest elektrycznie obojętny. Protony i neutrony tworzą jądro atomowe, wokół którego krążą elektrony. Jądro ma ładunek elektryczny dodatni.
Ładunki elektryczne protonu i elektronu mają jednakową wartość. Liczba elektronów w atomie jest równa liczbie protonów, dlatego atom jako całość jest elektrycznie obojętny. Istnieje minimalny ładunek elektryczny zwany ładunkiem elementarnym, który wynosi: e = 1,6 10-19 C. Jednostką ładunku elektrycznego jest kulomb (C). Ładunek ciał naelektryzowanych jest wielokrotnością ładunku elektronu e. Atom, z którego zostanie usunięty (wybity) jeden lub więcej elektronów, staje się dodatnio naładowaną cząstką i nazywa się jonem dodatnim. Atom z przyłączonym elektronem ma ładunek ujemny i nazywa się jonem ujemnym. W ciele elektrycznie obojętnym liczba elektronów równa jest liczbie protonów, czyli suma ładunków elementarnych ujemnych równa jest sumie ładunków elementarnych dodatnich. W ciele naelektryzowanym dodatnio suma ładunków elementarnych ujemnych jest mniejsza od sumy ładunków elementarnych dodatnich (występuje nadmiar ładunku dodatniego). W ciele naelektryzowanym ujemnie suma elementarnych ładunków ujemnych jest większa od sumy elementarnych ładunków dodatnich (występuje nadmiar ładunku ujemnego).
Sposoby elektryzowania ciał. Wyróżniamy trzy sposoby elektryzowania ciał: przez potarcie, dotyk i indukcję elektryczną. Przez potarcie elektryzujemy izolatory, przez dotyk przewodniki, natomiast przez indukcję zarówno przewodniki jak i izolatory.
Elektryzowanie przewodników (przez dotyk). Metale zbudowane są z regularnie ułożonych jednakowych jonów dodatnich, które tworzą sieć przestrzenną. W tej jonowej sieci znajdują się elektrony nie związane z jonami, które mogą się swobodnie przemieszczać. Elektrony mogą opuszczać metal i przechodzić do stykającego się z nim innego ciała. Elektryzowanie izolatorów (przez potarcie). W izolatorach elektrony są znacznie słabiej związane w atomach i nie mogą się poruszać. Nie występują tutaj swobodne elektrony ani sieć przestrzenna. Izolatory mają budowę nieregularną.
Elektryzowanie przez potarcie. Przy pocieraniu powierzchnie dwóch ciał stykają się ze sobą i elektrony słabiej związane z atomami przechodzą z jednego ciała do drugiego. Dwa ciała zostają naelektryzowane ładunkami o przeciwnych znakach. Jedno ma nadmiar elektronów, więc jest naelektryzowane ujemnie, drugie ich niedobór, ma więc ładunek dodatni.
Elektryzowanie przez dotyk. Elektryzowanie przez dotyk polega na zetknięciu ciała naelektryzowanego z ciałem obojętnym elektrycznie. Gdy z ciałem obojętnym zetkniemy ciało naelektryzowane ujemnie, część elektronów przechodzi na ciało obojętne, wskutek czego obydwa ciała będą mieć nadmiar elektronów (będą naelektryzowane ujemnie). Gdy z ciałem obojętnym zetkniemy ciało naelektryzowane dodatnio, część elektronów przechodzi z ciała obojętnego na ciało naelektryzowane dodatnio, wskutek czego oba ciała będą naelektryzowane dodatnio.
Elektryzowanie przewodników i izolatorów. Jeśli naelektryzujemy przez dotyk przewodnik, to ładunki elektryczne odpychając się nawzajem oddalają się od siebie i rozmieszczają się na zewnętrznej powierzchni tego przewodnika. W izolatorze ładunki nie mogą przemieszczać się i pozostają w jednym miejscu ( w miejscu dotknięcia ciałem naelektryzowanym). Dlatego przewodnik elektryzujemy przez dotyk, ponieważ ładunki rozmieszczą się na całym przewodniku i nie musimy go pocierać w innych miejscach, natomiast izolatory przez potarcie, żeby zwiększyć powierzchnię styku z ciałem naelektryzowanym.
Elektryzowanie przez indukcję (wpływ). Zjawisko przemieszczania się ładunków elektrycznych w przewodniku lub izolatorze pod wpływem ciał naelektryzowanych nazywamy indukcją elektryczną. Elektryzowanie przez indukcję przewodników. Swobodne elektrony rozmieszczone są w całej objętości przewodnika. Jeżeli zbliżymy do przewodnika ciało naelektryzowane (które wytwarza wokół siebie pole elektrostatyczne), to na skutek działania sił elektrycznych swobodne elektrony będą się przemieszczać w określonym kierunku, w przewodniku nastąpi wtedy przesunięcie ładunku elektrycznego.
Elektryzowanie przez indukcję izolatorów. W izolatorach wszystkie elektrony są związane z jądrami atomów. Brak swobodnych elektronów w izolatorach oznacza, że w ciałach tych niemożliwe są przejścia elektronów między atomami lub cząsteczkami. Przesunięcie ładunków elektrycznych w izolatorach odbywać się może tylko w obrębie jednej cząsteczki. Dzieje się tak, gdy izolator umieścimy w pobliżu ciała naelektryzowanego.
Pole elektryczne. Pole elektryczne jest to obszar, w którym działają siły elektryczne. Gdy ładunki się nie poruszają takie pole nazywane jest polem elektrostatycznym. Na rysunkach pole elektrostatyczne przedstawiane jest w postaci linii sił pola. Linie te pokazują w którą stronę działa siła na dodatni ładunek (tzw. ładunek próbny) umieszczony w tym polu.
Rodzaje pól elektrostatycznych pole jednorodne - we wszystkich punktach tego pola ma taką samą wartość, kierunek i zwrot, a linie sił są wzajemnie równoległe. Takie pole może zostać wytworzone pomiędzy dwoma płaskimi, równoległymi płytami naładowanymi różnoimiennie.
pole centralne najsilniejsze w centrum, wokół ładunku; siły działają wzdłuż promienia. Linie sił wychodzą z ładunku + a schodzą się w ładunku -.
Linie pola elektrycznego dla dwóch ładunków jednoimiennych (a) i dla dipola, czyli dwóch ładunków różnoimiennych leżących w bliskiej odległości od siebie (b):
Prawo Coulomba. Prawo Coulomba określa wartość siły elektrostatycznej działającej między dwoma ładunkami. Wartość siły, z jaką oddziałują na siebie dwa punktowe ładunki elektryczne, jest wprost proporcjonalna do iloczynu tych ładunków, a odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między ich środkami. Jej wartość obliczamy ze wzoru: gdzie: Q ładunki elektryczne, R odległość pomiędzy ładunkami (lub między środkami kul równomiernie naładowanych), k stała elektrostatyczna (k = 9 10 9 Nm 2 /C 2 ) Oddziaływanie elektrostatyczne może być dwojakiego rodzaju: przyciągające gdy ładunki są różnoimienne lub odpychające gdy ładunki są jednoimienne.
Prąd elektryczny. Jak wiadomo z teorii kinetyczno - molekularnej cząstki mogą poruszać się w różny sposób. Wszystkie atomy i cząsteczki w naszym otoczeniu są w nieustannym ruchu. Ten ruch, bez względu na to, czy atomy są naładowane (nazywają się wtedy jonami), czy nie jeszcze nie tworzy prądu elektrycznego. Prąd pojawia się dopiero wtedy, gdy w tym ruchu chaotycznym zostanie wyróżniony jakiś kierunek. Najczęściej wyróżnienie kierunku w ruchu ładunków odbywa się poprzez przyłożenie pola elektrycznego. Po przyłożeniu pola elektrycznego na ładunki zaczyna działać siła elektryczna na ładunki dodatnie sił o zwrocie zgodnym z kierunkiem pola, a na ładunki ujemne siła o zwrocie przeciwnym. I dopiero takie uporządkowane - w jednym kierunku - przesuwanie się ładunków tworzy prąd elektryczny.
Zatem prąd elektryczny to uporządkowany ruch elektronów. Umownym kierunkiem prądu jest kierunek wyznaczony przez ruch ładunków dodatnich (czyli kierunek zgodny z kierunkiem pola elektrycznego). W obwodzie z prądem jest to zwrot od plusa do minusa. Prąd stały charakteryzuje się stałymi wartością natężenia oraz kierunkiem przepływu. Przykładami takiego źródła są m.in. ogniwa (bateryjki i akumulatory). Prąd przemienny to charakterystyczny przypadek prądu elektrycznego okresowo zmiennego, w którym wartości chwilowe podlegają zmianom w powtarzalny, okresowy sposób, z określoną częstotliwością. Wartości chwilowe natężenia prądu przemiennego przyjmują naprzemiennie wartości dodatnie i ujemne. Prąd zmienny to prąd elektryczny, którego wartość natężenia zmienia się w czasie. Potocznie termin prąd zmienny stosowany jest często do prądu okresowego o przebiegu sinusoidalnym.
Wielkości charakteryzujące prąd elektryczny. Natężenie prądu jest wielkością podstawową, definiowaną jako stosunek ładunku przepływającego przez przekrój poprzeczny przewodnika do czasu w jakim on przepłynął. I - natężenie prądu (w układzie SI w amperach A) q - przenoszony ładunek (w układzie SI w kulombach C) t - czas (w układzie SI w sekundach s) Jeden amper odpowiada prądowi przenoszącemu w ciągu jednej sekundy ładunek jednego kulomba.
Napięciem prądu między punktami A i B nazywamy stosunkiem pracy W wykonanej przez siły pola nad ładunkiem, aby przemieścić go z punktu A do B w tym polu do wartości tego ładunku elektrycznego q: Napięcie oznaczamy literą U i wyrażamy w woltach [V]. Mierzymy je za pomocą woltomierza. Ponieważ napięcie mierzymy pomiędzy dwoma punktami, do tych punktów podłączamy woltomierz. Jest to połączenie równoległe.
Opór przewodnika Stosunek napięcia do natężenia prądu jest określany mianem oporu elektrycznego. Jest on oznaczany literą R (bo inne jego określenie to rezystancja). R - opór elektryczny (w omach - Ω ) I - natężenie prądu (w układzie SI w amperach A) U - napięcie między końcami przewodnika (w układzie SI w woltach V) Jednostką oporu jest 1 om. Om oznaczany jest grecką literą omega Ω. [R] = Ω = V/A
Obwody elektryczne. Obwód elektryczny to elementy połączone z sobą przewodnikami. Jeśli w obwodzie płynie prąd, to mówimy, że jest to obwód zamknięty. Jeśli w obwodzie jest przerwa i prąd nie może płynąć, to mówimy, że jest to obwód otwarty. Rysunek przedstawia najprostszy obwód z prądem, złożony z woltomierza mierzącego napięcie jakie wytwarza źródło prądu, opornika oraz wyłącznika prądu. Na rysunku przewody doprowadzające mają postać kresek, opornik (odbiornik prądu) oznaczony jest przez mały prostokąt, źródło zaś symbolizowane jest przez dwie kreski prostopadłe do przewodów (krótsza dłuższa kreska oznacza biegun dodatni, a krótsza cieńsza ujemny).
Do najczęściej stosowanych przyrządów pomiarowych zalicza się: amperomierz, który służy do mierzenia natężenia prądu. Należy zawsze łączyć go szeregowo z odbiornikiem i źródłem energii elektrycznej i woltomierz, który służy do mierzenia napięcia. Ze źródłem napięcia łączy się go zawsze równolegle. Podczas rysowania schematów obwodów elektrycznych niezbędne jest stosowanie symboli graficznych, które ułatwiają później odczytanie rysunku.
Łączenie oporników Istnieją dwa sposoby łączenia oporników: szeregowe i równoległe Szeregowe połączenie oporów Opory są połączone w szereg, gdy koniec jednego połączony jest z początkiem następnego. Opór zastępczy tego układu to taki pojedynczy opór, który wprowadzony do obwodu zamiast oporników połączonych szeregowo nie spowodowałby zmiany natężenia i napięcia. W przypadku szeregowego połączenia oporników całkowity opór zewnętrzny jest sumą połączonych oporów. Rc = R 1 + R 2 + R 3 + +R n
Równoległe łączenie oporów Opory są połączone równolegle wtedy, gdy dołączona jest do nich ta sama różnica potencjałów. Całkowity opór obwodu będzie równy:
Porównując zależności na opór zastępczy dla połączenia szeregowego i równoległego widać, że opór zastępczy połączenia równoległego jest mniejszy od każdego z oporów tworzących to połączenie. Natomiast w przypadku połączenia szeregowego opór zastępczy jest większy od każdego z oporów składowych. Połączenie równoległe oporników jest bardziej praktyczne od połączenia szeregowego. Zdecydowanym minusem połączeń szeregowych jest sumowanie się napięć. Może to łatwo doprowadzić do przeciążenia obwodu, w razie przyłączenia jednocześnie zbyt wielu oporników. Poza tym w razie uszkodzenia jednego z nich prąd w układzie przestaje płynąć. W przypadku połączeń równoległych napięcia nie sumują się, nie ma więc ryzyka przerwania obwodu.
Prawa związane z prądem elektrycznym Pierwsze prawo Kirchhoffa I prawo Kirchhoffa odnosi się do sytuacji gdy prąd płynący w jakimś układzie ulega rozgałęzieniu, czyli gdy przewody z prądem łączą się w jakimś punkcie. Ponieważ ładunki elektryczne nie mogą znikać, ani powstawać z niczego, a standardowy przewodnik właściwie nie potrafi ich gromadzić (wyjątkiem są kondensatory), to jasne jest, że: Jeśli w jakimś czasie do rozgałęzienia dopłynął ładunek q, to w tym samym czasie z tego rozgałęzienia musiał również taki sam ładunek q odpłynąć. Zatem: Suma natężeń prądów wpływających do węzła jest równa sumie natężeń prądów wypływających z tego węzła.
Drugie prawo Kirchhoffa II prawo Kirchhoffa można sformułować na kilka sposobów. Oto pierwszy z nich: W obwodzie zamkniętym suma spadków napięć na wszystkich odbiornikach prądu musi być równa sumie napięć na źródłach napięcia. Jeśli napięcie na źródle oznaczymy U E, a napięcia na opornikach odpowiednio U 1 i U 2, to prawdziwy będzie związek: U E = U 1 + U 2
Inne (bardziej ogólne) sformułowanie II prawa Kirchhoffa polega na wprowadzeniu pojęcia tzw. "oczka prądu". W tym sformułowaniu II prawo Kirchhoffa będzie miało postać: W oczku prądu suma spadków napięć na wszystkich odbiornikach prądu musi być równa zeru. Zastosowanie prawa Kirchhoffa w ujęciu oczkowym będzie polegało na zliczaniu napięć podczas poruszania się zgodnie z ustalonym kierunkiem obiegu oczka.
Prawo Ohma Prawo Ohma opisuje sytuację, najprostszego przypadku związku między napięciem przyłożonym do przewodnika (opornika), a natężeniem prądu przez ten przewodnik płynącego. Stosunek natężenia prądu płynącego przez przewodnik do napięcia pomiędzy jego końcami jest stały. I - natężenie prądu (w układzie SI w amperach A) U - napięcie między końcami przewodnika (w układzie SI w woltach V) Dla prądu stałego proporcjonalność napięcia U i prądu I wyraża się wzorem: U = R I Współczynnik proporcjonalności R nazywa się oporem elektrycznym.
Charakterystyka prądowo napięciowa przewodnika spełniającego prawo Ohma Charakterystyka prądowo napięciowa przewodnika spełniającego prawo Ohma jest linią prostą. Prawo Ohma jest spełniane przez część materiałów głównie przez metale i materiały ceramiczne. Jest jednak dużo substancji które prawa Ohma nie spełniają, czyli natężenie przepływającego przez nie prądu zmienia się w sposób nieproporcjonalny do napięcia. Do materiałów spełniających prawo Ohma należą przewodniki (metale, niektóre materiały ceramiczne, większość elektrolitów). Prawa Ohma nie spełniają półprzewodniki i gazy.
Praca prądu i moc prądu. Praca prądu elektrycznego jest to zużyta przez odbiornik energia. W danym odbiorniku równa jest iloczynowi napięcia między jego końcami (U), natężenia prądu (I) w nim płynącego i czasu jego przepływu (t). W = U I t Jednostką pracy prądu elektrycznego jest dżul [J]. Na co dzień jednak energię wyrażamy w kilowatogodzinach (kwh). Jest to praca jaką wykona urządzenie o mocy 1kW (1000 W) w ciągu jednej godziny.
Moc odbiornika równa jest iloczynowi napięcia (U) między jego zaciskami i natężenia prądu (I) płynącego przez ten odbiornik. P = U I Jednostką mocy prądu jest wat [W]
Wpływ prądu elektrycznego na organizm człowieka Człowiek na co dzień ma do czynienia z urządzeniami, których działanie jest uwarunkowane przepływem prądu elektrycznego. Zdarza się, że w wyniku niewłaściwego ich eksploatowania lub niezachowania środków ostrożności dochodzi do porażenia prądem (w takiej sytuacji człowiek staje się elementem obwodu, a przez jego ciało przepływa ładunek elektryczny). Jeżeli powodujący porażenie prąd ma małe natężenie (kilka miliamperów - ma), wywołuje nieprzyjemne odczucie, nie uszkadzając jednak narządów wewnętrznych i nie powodując śmierci. Niebezpieczny dla człowieka, często śmiertelny, jest przepływ prądu o wartości powyżej 25 ma. Prąd przenika przez ciało tam, gdzie trafia na mniejszy opór. Może powodować uszkodzenia narządów oraz poparzenia skóry. Najgroźniejszy jest przepływ prądu przemiennego przez serce - bardzo często kończy się migotaniem komór sercowych, a w konsekwencji zatrzymaniem akcji serca.
Literatura: Chyla K., Fizyka dla uczniów liceów ogólnokształcących, Wydawnictwo DEBIT 1996. D.Halliday, R.Resnik, J.Walker, Podstawy fizyki. T 1, Mechanika, PWN, Warszawa, 2006. J. Blinowski, J. Trylski, Fizyka dla kandydatów na wyższe uczelnie., PWN, Warszawa, 1974. http://www.gim2so.edu.pl/technika/obwody%20elektryczne/index.ht ml