Opór, praca i moc prądu elektrycznego - Spotkania z fizyką 8

1.Opór elektryczny (rezystancja)

Wielkość fizyczna, która określa zdolność ciała do „przeciwstawiania się” przepływowi prądu. Miarą oporu jest iloraz napięcia między końcami przewodnika i natężenia płynącego w nim prądu: $R = \frac{U}{I}$. Dla danego przewodnika w danej temperaturze opór jest stały.

2.Om - jednostka oporu

Jednostka oporu elektrycznego: $1~\Omega = \frac{1~\mathrm{V}}{1~\mathrm{A}}$. Przewodnik ma opór jednego oma, jeżeli przyłożone do niego napięcie $1~\mathrm{V}$ wywołuje przepływ prądu o natężeniu $1~\mathrm{A}$.

3.Prawo Ohma

Natężenie prądu płynącego przez przewodnik jest wprost proporcjonalne do napięcia między jego końcami (w stałej temperaturze): ile razy wzrośnie napięcie, tyle razy wzrośnie natężenie, a iloraz $\frac{U}{I}$, czyli opór, się nie zmienia. Wykres zależności $I(U)$ jest wtedy prostą przechodzącą przez początek układu współrzędnych.

4.Jak obliczyć napięcie lub natężenie, znając opór?

Przekształcamy wzór $R = \frac{U}{I}$: napięcie $U = R \cdot I$, a natężenie $I = \frac{U}{R}$. Przed podstawieniem zamieniamy jednostki na podstawowe, np. $200~\mathrm{mA} = 0{,}2~\mathrm{A}$.

5.Wyznaczanie oporu żarówki (doświadczenie)

Łączymy obwód ze źródłem i żarówką; amperomierz włączamy szeregowo, a woltomierz równolegle do żarówki. Odczytujemy napięcie $U$ na zaciskach żarówki i natężenie prądu $I$, a opór obliczamy ze wzoru $R = \frac{U}{I}$. Przez różne żarówki podłączone do tego samego źródła płyną prądy o różnym natężeniu, bo żarówki mają różny opór.

6.Opornik (rezystor)

Element obwodu elektrycznego służący do ograniczania natężenia prądu płynącego w obwodzie. Na schematach oznacza się go prostokątem na linii przewodu. Wartość jego oporu często zapisuje się kolorowym kodem paskowym.

7.Od czego zależy opór przewodnika?

Opór elektryczny przewodnika jest wprost proporcjonalny do jego długości i odwrotnie proporcjonalny do pola jego przekroju poprzecznego oraz zależy od rodzaju substancji, z której jest wykonany. Pokazuje to doświadczenie: do obwodu włącza się kolejno druty różniące się tylko jedną cechą i z pomiarów $U$ oraz $I$ oblicza ich opór.

8.Materiały na przewody i oporniki

Przewody elektryczne zwykle wykonuje się z miedzi, bo dobrze przewodzi prąd elektryczny. Oporniki buduje się ze stopów, które stawiają prądowi duży opór, np. z konstantanu (stop miedzi i niklu), nikieliny, kantalu albo chromonikielu.

9.Elektrownie

Zakłady, w których wytwarza się energię elektryczną na dużą skalę. Najbardziej znane to elektrownie: tradycyjne (węglowe - energia chemiczna węgla), wodne (energia potencjalna spiętrzonej wody), wiatrowe (energia kinetyczna wiatru), słoneczne (energia promieniowania), pływów morskich, geotermalne (energia geotermalna) i jądrowe (rozszczepienie jąder atomowych).

10.Przemiany energii w elektrowni węglowej

Podczas spalania węgla jego energia chemiczna zamienia się na energię wewnętrzną - woda się ogrzewa i wrze. Energia wewnętrzna zamienia się w energię kinetyczną pary, która obraca turbinę połączoną z prądnicą, a prądnica wytwarza energię elektryczną.

11.Odbiorniki energii elektrycznej

Urządzenia i elementy elektryczne, które przetwarzają energię elektryczną na inne formy energii, np. żelazko, żarówka, głośnik czy odkurzacz. Kosztem pobranej energii elektrycznej może być wykonana praca.

12.Przemiany energii elektrycznej w odbiornikach

W odbiornikach z grzałkami (żelazko, czajnik, kuchenka) energia elektryczna zamienia się na energię wewnętrzną (wydziela się ciepło), w żarówkach, świetlówkach i diodach LED - na światło (energię promieniowania), w głośnikach - na energię akustyczną, a w urządzeniach z silnikiem elektrycznym (odkurzacz, mikser) - na energię mechaniczną.

13.Praca prądu elektrycznego

Praca wykonana przez prąd, równa energii elektrycznej zużytej przez urządzenie: $W = U \cdot I \cdot t$, gdzie $U$ - napięcie, $I$ - natężenie prądu, $t$ - czas. Wzór otrzymujemy, podstawiając ładunek $q = I \cdot t$ do wzoru $W = q \cdot U$. Jednostką pracy jest dżul: $1~\mathrm{J} = 1~\mathrm{V} \cdot 1~\mathrm{A} \cdot 1~\mathrm{s}$.

14.Wzór na moc prądu elektrycznego

Moc prądu elektrycznego to iloczyn napięcia przyłożonego do urządzenia i natężenia przepływającego prądu: $P = U \cdot I$. Wzór ten otrzymujemy, podstawiając $W = U \cdot I \cdot t$ do $P = \frac{W}{t}$ - moc to szybkość wykonywania pracy. Jednostką mocy jest wat: $1~\mathrm{W} = 1~\mathrm{V} \cdot 1~\mathrm{A} = 1~\frac{\mathrm{J}}{\mathrm{s}}$, a $1~\mathrm{kW} = 1000~\mathrm{W}$.

15.Moc znamionowa

Moc, z jaką urządzenie pracuje, gdy jest podłączone do napięcia znamionowego, czyli zalecanego przez producenta. Napięcie znamionowe i moc znamionową podaje tabliczka znamionowa na urządzeniu. Przy innym napięciu urządzenie pobiera inną moc niż znamionowa.

16.Wyznaczanie mocy żarówki (doświadczenie)

Łączymy obwód z baterią i żarówką; amperomierz włączamy szeregowo, a woltomierz równolegle do żarówki. Odczytujemy napięcie i natężenie prądu, obliczamy moc ze wzoru $P = U \cdot I$ i porównujemy ją z mocą znamionową żarówki. Są równe tylko wtedy, gdy żarówka jest zasilana napięciem znamionowym.

17.Obliczanie natężenia z mocy

Przekształcamy wzór $P = U \cdot I$: $I = \frac{P}{U}$. W domowej sieci elektrycznej w Polsce napięcie wynosi $230~\mathrm{V}$, więc znając moc znamionową urządzenia, obliczymy natężenie płynącego przez nie prądu.

18.Kilowatogodzina

Jednostka energii elektrycznej: energia pobrana przez urządzenie o mocy $1~\mathrm{kW}$ w czasie $1~\mathrm{h}$. W kilowatogodzinach zużycie energii podaje licznik energii elektrycznej. $1~\mathrm{kWh} = 1000~\mathrm{W} \cdot 3600~\mathrm{s} = 3\,600\,000~\mathrm{J}$.

19.Obliczanie zużycia energii

Zużytą energię obliczamy, mnożąc moc urządzenia przez czas jego pracy: $W = P \cdot t$. Aby otrzymać wynik w kWh, moc wyrażamy w kilowatach, a czas w godzinach (np. $30~\mathrm{min} = 0{,}5~\mathrm{h}$); aby otrzymać dżule - moc w watach, a czas w sekundach.

20.Koszt zużytej energii

Koszt obliczamy, mnożąc zużytą energię w kWh przez cenę $1~\mathrm{kWh}$. Najpierw liczymy łączny czas pracy urządzenia w godzinach (np. czas w ciągu dnia razy liczba dni), potem energię $W = P \cdot t$ w kilowatogodzinach, a na końcu mnożymy ją przez cenę.

21.Oszczędne źródła światła

Świetlówki kompaktowe i diody LED dają tyle samo światła co tradycyjna żarówka, ale pobierają kilka razy mniejszą moc i działają dłużej. Tradycyjna żarówka zamienia na światło tylko ok. 4% energii, a większość na energię wewnętrzną. Roczny koszt oświetlenia to koszt zużytej energii plus koszt źródeł światła zużytych w ciągu roku.

22.Domowa instalacja elektryczna

Tworzą ją m.in. gniazdka, wyłączniki, liczniki energii elektrycznej, bezpieczniki i przewody (zwykle umieszczone w ścianach). We wszystkich gniazdkach i końcówkach oświetlenia jest takie samo napięcie: $230~\mathrm{V}$.

23.Przeciążenie sieci

Zbyt duże natężenie prądu w przewodach, gdy jednocześnie pracuje wiele odbiorników. W przewodach doprowadzających prąd do mieszkania płynie prąd o natężeniu równym sumie natężeń prądów we wszystkich włączonych odbiornikach. Wydziela się wtedy dużo ciepła, które może przepalić przewody.

24.Zwarcie

Zetknięcie się dwóch przewodów doprowadzających prąd (np. z powodu uszkodzonej izolacji), w wyniku którego prąd płynie z ominięciem odbiornika. Prąd nie napotyka wtedy dużego oporu, więc ma bardzo duże natężenie: wydziela się dużo ciepła, przewody się przepalają i może wybuchnąć pożar. Przyczyną bywa uszkodzenie odbiornika, zalanie wodą, zawilgocenie albo amatorska naprawa.

25.Bezpiecznik

Urządzenie chroniące sieć elektryczną przed przeciążeniem: przerywa obwód, gdy natężenie prądu przekroczy określoną wartość, np. podczas zwarcia. Zapobiega przepaleniu przewodów i pożarowi. W mieszkaniu znajduje się zwykle w pobliżu licznika energii elektrycznej. Rodzaje: topikowe i automatyczne.

26.Bezpiecznik topikowy

Najstarszy typ bezpiecznika. Ma w środku cienki drucik z topliwego materiału, który przy zbyt dużym natężeniu prądu się stapia i przerywa obwód. Po usunięciu przyczyny przepalenia wymienia się go na nowy, właściwie dobrany - bezpieczników topikowych nie wolno naprawiać.

27.Bezpiecznik automatyczny

Samoczynnie przerywa dopływ prądu w przypadku zwarcia lub przeciążenia sieci elektrycznej. Po usunięciu przyczyny awarii można go ponownie włączyć i przywrócić dopływ prądu. Stosuje się go dziś znacznie częściej niż bezpieczniki topikowe.

28.Czy bezpiecznik rozłączy obwód?

Dodajemy moce wszystkich urządzeń włączonych jednocześnie, obliczamy natężenie prądu ze wzoru $I = \frac{P}{U}$ (w domowej sieci $U = 230~\mathrm{V}$) i porównujemy je z wartością podaną na bezpieczniku. Jeśli natężenie jest większe, bezpiecznik rozłączy obwód; jeśli mniejsze - obwód działa dalej.

29.Objawy porażenia prądem

Porażenie prądem to przepływ prądu przez ciało człowieka, które staje się wtedy przewodnikiem; porażenie z domowej instalacji może być śmiertelne. Objawy to m.in. bóle i skurcze mięśni, zaburzenia rytmu serca i oddychania, utrata świadomości. Porażenia nie wolno lekceważyć: potrzebna jest konsultacja lekarska i badanie EKG, bo do 24 godzin później mogą wystąpić zaburzenia pracy serca.

30.Ciało człowieka jako przewodnik

Ciało człowieka składa się w około 60% z wody z rozpuszczonymi solami mineralnymi, więc dobrze przewodzi prąd. Największy opór ma sucha skóra - dlatego urządzeń elektrycznych używamy tylko w suchych miejscach i nie dotykamy ich mokrymi rękami.

31.Jak prąd działa na organizm człowieka?

Skutki zależą od natężenia prądu: od $5$ do $10~\mathrm{mA}$ - lekki skurcz mięśni; od $10$ do $25~\mathrm{mA}$ - także niebezpieczny wzrost ciśnienia krwi; do $80~\mathrm{mA}$ - migotanie komór serca i częściowe porażenie ośrodków oddechowych; powyżej $80~\mathrm{mA}$ - silne drgania komór serca, utrata przytomności i śmierć. Wyjątkowo groźny jest przepływ na drodze ręka-noga, bo prąd płynie przez serce.

32.Napięcie bezpieczne dla człowieka

Za bezpieczne dla człowieka uważa się napięcie do $25~\mathrm{V}$. Napięcie w domowej sieci ($230~\mathrm{V}$) jest wielokrotnie wyższe, dlatego porażenie prądem z gniazdka może być śmiertelne.

33.Jak uniknąć porażenia prądem?

Urządzeń używamy zgodnie z przeznaczeniem i w suchych miejscach (np. nie suszymy włosów podczas kąpieli). Nie dotykamy gołymi rękami nieizolowanych części obwodu. Przed wymianą żarówki odłączamy napięcie bezpiecznikiem i nie dotykamy metalowej oprawki. Nie naprawiamy sami instalacji ani urządzeń - robią to osoby wykwalifikowane, używając narzędzi z izolacją.

34.Pierwsza pomoc po porażeniu prądem

Najpierw odłącz źródło napięcia (wyjmij wtyczkę, wyłącz bezpieczniki lub główny wyłącznik). Jeśli to niemożliwe, nie dotykaj porażonego gołymi rękami i nie wchodź w rozlaną wodę: stań na izolatorze (książka, gumowa wycieraczka) i odsuń go przedmiotem z izolatora, np. drewnianym kijem. Sprawdź przytomność, oddech i puls, wezwij pogotowie. Nieprzytomnego, który oddycha, ułóż w pozycji bocznej bezpiecznej, a przy braku oddechu lub pulsu rozpocznij resuscytację krążeniowo-oddechową.

35.Braki dostaw energii

Przerwy w dostawach mogą wynikać z niewystarczającej ilości energii w sieci lub jej awarii (np. przez przestarzałą infrastrukturę albo przeciążenie), z planowanego wyłączenia w celu napraw i konserwacji oraz z klęsk żywiołowych, np. wichur i powodzi. Skutki: brak światła i ogrzewania, straty firm i wzrost cen, zatrzymanie aparatury medycznej, paraliż komunikacyjny.

36.Zasilanie awaryjne

Urządzenia, które chronią wybrane odbiorniki przed zakłóceniami zasilania z sieci. Agregat prądotwórczy stosuje się przy dłuższych przerwach, dla odbiorników tolerujących chwilowy zanik napięcia (np. chłodnie magazynowe, wentylacja). Zasilacz awaryjny UPS podtrzymuje pracę np. komputerów.