Prąd elektryczny - napięcie i natężenie - Spotkania z fizyką 8

1.Co się dzieje po połączeniu przewodnikiem naelektryzowanego i obojętnego elektroskopu?

Ładunki przepływają przewodnikiem między elektroskopami: naładowany elektroskop częściowo się rozładowuje, a obojętny się elektryzuje. Przepływ trwa, dopóki napięcie między elektroskopami nie spadnie do zera. Przewodnik trzymamy tylko przez izolator.

2.Oddziaływanie grawitacyjne a elektrostatyczne

Podobieństwa: oba oddziaływania działają na odległość, a ciała mają energię potencjalną zależną od odległości między nimi oraz od ich mas (grawitacyjne) albo od wartości ładunków (elektrostatyczne). Różnica: ciała zawsze przyciągają się grawitacyjnie, a ładunki mogą się przyciągać lub odpychać.

3.Praca wykonana przez ładunek

Gdy ładunek przemieszcza się z punktu A, w którym ma większą energię potencjalną, do punktu B, w którym ma mniejszą, rośnie jego energia kinetyczna albo ładunek wykonuje pracę (np. podgrzewa drut). Ta praca jest równa różnicy energii potencjalnych ładunku: $W = E_A - E_B$.

4.Napięcie elektryczne

Wielkość określająca ilość energii potrzebnej do przeniesienia jednostkowego ładunku między dwoma punktami. Jest to iloraz pracy, jaką wykonałby ładunek przy przemieszczaniu się między tymi punktami, i wartości tego ładunku: $U = \frac{W}{q} = \frac{\Delta E}{q}$.

5.Wolt (V)

Jednostka napięcia elektrycznego. Między dwoma punktami jest napięcie 1 V, jeżeli praca wykonana przy przemieszczeniu ładunku 1 C między tymi punktami wynosi 1 J: $1~\mathrm{V} = \frac{1~\mathrm{J}}{1~\mathrm{C}}$. Nazwa pochodzi od nazwiska włoskiego fizyka Alessandra Volty.

6.Napięcie między biegunami baterii

Na jednym biegunie baterii zgromadzone są ładunki ujemne, a na drugim dodatnie, więc między biegunami istnieje napięcie elektryczne. Gdy połączymy je przewodnikiem, jego elektrony swobodne są przyciągane przez biegun dodatni i odpychane przez ujemny. Bateria jest źródłem energii elektrycznej.

7.Prąd elektryczny

Ukierunkowany (uporządkowany) ruch ładunków elektrycznych. Płynie, gdy w ośrodku ze swobodnymi ładunkami pojawi się napięcie, np. w przewodzie podłączonym do baterii elektrony swobodne zaczynają płynąć w stronę bieguna dodatniego.

8.Nośniki prądu elektrycznego

Swobodne ładunki, których ruch tworzy prąd: w metalach - elektrony swobodne; w wodnych roztworach elektrolitów (cieczach przewodzących prąd) - jony dodatnie i ujemne; w gazach - elektrony oraz jony dodatnie i ujemne.

9.Umowny kierunek przepływu prądu

Kierunek „od plusa do minusa”, przyjęty niezależnie od tego, jakie ładunki się poruszają. Jest zgodny z kierunkiem ruchu ładunków dodatnich i przeciwny do kierunku ruchu ładunków ujemnych, np. elektronów w metalu.

10.Ogniwo a bateria

To, co potocznie nazywamy baterią (np. „paluszek”), zwykle jest pojedynczym ogniwem. Bateria to kilka połączonych ze sobą ogniw - np. bateria 9 V składa się z sześciu ogniw.

11.Natężenie prądu elektrycznego

Iloraz wartości ładunku przepływającego przez poprzeczny przekrój przewodnika i czasu jego przepływu: $I = \frac{q}{t}$. Mówi, jak duży ładunek przepływa przez przekrój przewodnika w jednostce czasu - podobnie jak natężenie ruchu mówi, ile pojazdów przejeżdża ulicą w danym czasie.

12.Amper (A)

Jednostka natężenia prądu w układzie SI. Natężenie wynosi 1 A, gdy przez poprzeczny przekrój przewodnika w ciągu 1 s przepływa ładunek 1 C: $1~\mathrm{A} = \frac{1~\mathrm{C}}{1~\mathrm{s}}$. Nazwa pochodzi od nazwiska francuskiego uczonego André Marie Ampère'a.

13.Jak obliczyć ładunek, znając natężenie prądu i czas?

Przekształcamy wzór $I = \frac{q}{t}$ do postaci $q = I \cdot t$. Natężenie podstawiamy w amperach, a czas w sekundach - wtedy ładunek wychodzi w kulombach. Dlatego najpierw zamieniamy np. minuty na sekundy i miliampery na ampery.

14.Przedrostki jednostek: mikro, mili, kilo, mega

Mikro ($\mu$) to jedna milionowa, mili (m) - jedna tysięczna, kilo (k) - tysiąc, mega (M) - milion. Np. $1~\mathrm{A} = 1000~\mathrm{mA}$, $1~\mathrm{mA} = 1000~\mu\mathrm{A}$, $1~\mathrm{V} = 1000~\mathrm{mV}$, $1~\mathrm{kV} = 1000~\mathrm{V}$, $1~\mathrm{MV} = 1\,000\,000~\mathrm{V}$.

15.Źródła energii elektrycznej

Urządzenia wytwarzające napięcie elektryczne, np. bateria, akumulator, dynamo w rowerze, fotoogniwo. Aby w przewodniku popłynął prąd, na jego końcach musi istnieć napięcie - wytwarza je właśnie źródło.

16.Z czego składa się obwód elektryczny?

Obwód elektryczny to zespół elementów połączonych przewodami ze źródłem energii elektrycznej tak, aby tworzyły zamkniętą drogę dla prądu. Najprostszy obwód tworzą: źródło energii (np. bateria, akumulator), przewody (przewodniki w izolacji) i odbiornik energii (np. żarówka, silnik).

17.Symbole elementów obwodu

Przewód - linia; źródło energii - dwie równoległe kreski różnej długości (dłuższa to biegun +); wyłącznik (klucz) - linia z przerwą i uniesionym ramieniem; żarówka - kółko z krzyżykiem; silnik - kółko z literą M; dzwonek - półokrągła czasza na nóżce; amperomierz - kółko z literą A; woltomierz - kółko z literą V; węzeł - kropka.

18.Warunki przepływu prądu w obwodzie

Prąd płynie w obwodzie tylko wtedy, gdy między biegunami źródła energii elektrycznej istnieje napięcie i obwód jest zamknięty. Gdy przerwiemy obwód wyłącznikiem albo odłączymy przewód, żarówka gaśnie - prąd przestaje płynąć.

19.Amperomierz

Przyrząd do pomiaru natężenia prądu płynącego przez obwód elektryczny, wyskalowany np. w amperach lub miliamperach. Do obwodu włącza się go szeregowo z elementem, przez który płynie mierzony prąd. Na schemacie: kółko z literą A.

20.Czy natężenie prądu maleje po przejściu przez żarówkę?

Nie. W obwodzie bez rozgałęzień natężenie prądu ma taką samą wartość w każdym punkcie: amperomierz między biegunem dodatnim a żarówką i między żarówką a biegunem ujemnym wskazuje to samo. Podobnie przed kołem młyńskim i za nim korytem płynie tyle samo wody.

21.Pomiar natężenia miernikiem uniwersalnym

Przewody podłączamy do gniazd COM i A, a pokrętło ustawiamy na największy zakres pomiaru natężenia prądu stałego (DCA). Miernik włączamy w obwód szeregowo, a po włączeniu zmniejszamy zakres - tak, by wciąż był większy niż wskazanie. Dobrze dobrany zakres chroni miernik przed uszkodzeniem.

22.Połączenie szeregowe

Sposób łączenia elementów obwodu kolejno po sobie, bez rozgałęzień przewodów. Tak włącza się amperomierz i najczęściej lampki choinkowe. Baterie połączone szeregowo dają napięcie równe sumie napięć wszystkich baterii.

23.Woltomierz

Przyrząd do pomiaru napięcia między dwoma punktami obwodu, wyskalowany np. w woltach lub miliwoltach. Do obwodu włącza się go równolegle z elementem, na którego zaciskach mierzymy napięcie. Na schemacie: kółko z literą V.

24.Węzeł

Punkt obwodu elektrycznego, do którego dochodzą co najmniej trzy przewody, czyli podłączone są co najmniej trzy gałęzie. Na schemacie oznacza się go kropką.

25.Gałąź

Fragment obwodu elektrycznego między węzłami, w którym nie ma rozgałęzień przewodów.

26.Połączenie równoległe

Sposób łączenia elementów obwodu, w którym są one wpięte między tę samą parę węzłów. Tak włącza się woltomierz i urządzenia w domowej sieci elektrycznej: na każdym z nich jest takie samo napięcie - $230~\mathrm{V}$.

27.Pomiar napięcia miernikiem uniwersalnym

Przewody podłączamy do gniazd COM i V, a pokrętło ustawiamy na zakres pomiaru napięcia stałego (DCV). Gdy nie wiemy, jakiego napięcia się spodziewać, zaczynamy od największego zakresu i go zmniejszamy; dla baterii 1,5 V wystarczy zakres 2 V. Miernik dołączamy równolegle do elementu.

28.Jak powstaje burza?

Ciepłe, wilgotne powietrze szybko się wznosi, a para wodna się skrapla - z obłoku cumulus rośnie chmura burzowa cumulonimbus. W niej silny wiatr miesza krople wody i drobiny lodu, które trą o siebie; lód wędruje w górę i oddaje elektrony wodzie, więc góra chmury ma ładunek dodatni, a dół ujemny. Napięcie między chmurą a ziemią dochodzi do $100\,000\,000~\mathrm{V}$.

29.Piorun

Wyładowanie elektryczne między chmurą a ziemią, między dwiema chmurami albo w obrębie jednej chmury. Ku ziemi skokami biegnie ujemny prekursor, tworząc kanał; główne, najjaśniejsze uderzenie biegnie od ziemi do chmury. Prąd ma natężenie nawet ponad $10\,000~\mathrm{A}$, a powietrze w kanale rozgrzewa się do $30\,000^\circ\mathrm{C}$ i gwałtownie się rozpręża - to grzmot.

30.Dlaczego piorun uderza w wystające, ostro zakończone przedmioty?

Na zaostrzonym końcu gromadzi się więcej ładunku, więc w jego pobliżu oddziaływanie elektrostatyczne jest silniejsze. Gdy prekursor zbliży się do wysokiego budynku albo drzewa, wyładowanie zaczyna się od tego ostrza i dosięga prekursora.