Obwody_prądu_stałego_-_podręcznik_dla_uczniów.pdf

(2483 KB) Pobierz
Podręcznik – zeszyt ćwiczeń dla uczniów
Obwody prądu stałego
Politechnika Gdańska, Wydział Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej
ul. Narutowicza 11/12, 80-233 Gdańsk, tel. +48 58 348 63 70
http://e-doswiadczenia.mif.pg.gda.pl
„e-Doświadczenia w fizyce”
– projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
1
Obwody prądu stałego
Niniejsze e-doświadczenie poświęcono obwodom prądu stałego. Przy-
bliżone zostaną takie wielkości fizyczne jak: napięcie, natężenie prądu,
opór elektryczny oraz podstawowe prawa związane z tymi wiel-
kościami – prawo Ohma oraz prawa Kirchhoffa. Poznamy zasady
obsługi współczesnego zasilacza laboratoryjnego oraz reguły doty-
czące podłączania amperomierza i woltomierza w obwodzie. Przy-
bliżona zostanie także idea działania mostka Wheatstone’a, a także
zagadnienia związane z ogniwami.
Aby poszerzyć swoją wiedzę na temat zagadnień związanych z elek-
trycznością, zajrzyj do e-doświadczeń „Pole elektryczne”, „Cewki i
indukcja” oraz „Układy RLC”.
Prąd elektryczny
Przepływ prądu elektrycznego jest wynikiem ruchu cząstek obda-
rzonych ładunkiem w przewodniku elektrycznym. Cząstki te zwane
są nośnikami ładunku lub nośnikami prądu. W metalach, z któ-
rych wykonane są druty i przewody, nośnikami ładunku są swo-
bodne elektrony – cząstki naładowane ujemnie. W elektrolitach no-
śnikami prądu mogą być także jony dodatnie (kationy) oraz ujemne
(aniony).
Aby nastąpił przepływ prądu wzdłuż przewodnika, musi występo-
wać różnica potencjałów, nazywana napięciem elektrycznym.
Warto sobie uświadomić, że ładunki elektryczne są dość powolne
1
i nie poruszają się wzdłuż całej długości przewodnika. Nośniki ła-
dunku poruszają się na niewielkich odległościach, przekazując im-
puls elektryczny kolejnym nośnikom prądu, a te następnym. Ta-
kie zaburzenie elektyczne rozchodzi się bardzo szybko, z prędkością
światła. Dla zrozumienia tego zjawiska przydatna jest analogia do
przekazywania ciśnienia hydrostatycznego w rurze. Pojawienie się
ciśnienia na drugim końcu rury nie oznacza, że cząsteczki wody fi-
zycznie przemieściły z jednego końca rury na drugi, a jedynie przej-
ścia impulsu zaburzenia.
Obwód elektryczny to układ połączonych ze sobą elementów elek-
trycznych, takich jak: oporniki, ogniwa, zasilacze, itp. Najprost-
szym przykładem obwodu elektrycznego może być żarówka podłą-
czona do biegunów baterii.
Dla przykładu przebycie odległości 1 cm przez elektrony w drucie miedzia-
nym o średnicy 1,6 mm zajmuje około 30 sekund.
1
Obwód elektryczny
1
Potencjał elektryczny
Aby w obwodzie płynął prąd elektryczny, musi istnieć wypadkowe
natężenie pola elektrycznego, wytworzone między biegunami źró-
dła zasilania. Każdemu punktowi obwodu elektrycznego pomiędzy
biegunami źródła można przyporządkować liczbową wartość zwaną
potencjałem elektrycznym, którego wielkość jest zależna od poło-
żenia punktu względem źródła pola elektrycznego
2
.
Napięciem nazywa się różnicę potencjałów występującą między dwoma
punktami obwodu elektrycznego, np. pomiędzy dwoma biegunami
ogniwa lub pomiędzy dwoma końcami opornika. Jednostką napię-
cia elektrycznego podobnie jak i potencjału elektrycznego jest wolt
3
[V].
Za kierunek przepływu prądu przyjęto kierunek przepływu ładun-
ków dodatnich, chociaż nośnikami prądu mogą być zarówno ujemne
elektrony jak i dodatnie jony. Zgodnie z tą konwencją prąd płynie
od potencjału dodatniego do potencjału ujemnego.
Natężenie prądu (I) to ilość ładunków (Q) przepływających w jed-
nostce czasu (t) przez dany przekrój przewodnika. Jednostką natę-
żenia prądu jest amper
4
, który jest równy kulombowi na sekundę.
[A = C/s]
I
=
Q
.
t
(1.1)
Napięcie elektryczne
Kierunek przepływu
prądu
Natężenie prądu
Wielkość natężenia prądu zależna jest od tzw. oporu elektrycznego.
Opór elektryczny
Opór elektryczny określa zdolność przewodnika do przewodzenia
prądu elektrycznego. Jednostką oporu elektrycznego jest om
5
[Ω].
Opór posiadają przewodniki elektryczne, a także oporniki
6
– ele-
Aby dowiedzieć się więcej na temat własności ładunków statycznych, a
także potencjału elektrycznego oraz natężenia pola elektrycznego zajrzyj do
e-doświadczenia „Pole elektryczne”.
3
Nazwa jednostki pochodzi od nazwiska włoskiego fizyka, wynalazcy i kon-
struktora. Był nim Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta żyjący w
latach 1745 – 1827. Jemu zawdzięcza się wynalezienie elektroforu – przyrządu
do elektryzowania ciał, a także ogniwa elektrochemicznego.
4
Jednostka pochodzi od nazwiska francuskiego matematyka i fizyka Andr´
e
Marie Ampere’a. Ampere żył w latach 1775 – 1836. Znany jest przede wszyst-
kim z badań nad elektrycznością i magnetyzmem.
5
Nazwa jednostki pochodzi od nazwiska niemieckiego fizyka i matematyka
Georga Simona Ohm’a żyjącego w latach 1789 — 1854. Ohm zajmował się
teorią obwodów elektrycznych.
6
Oporniki często określa się mianem „rezystorów”, zaś opór elektryczny na-
zywa się „rezystancją”.
2
2
menty o określonej, zaprojektowanej wartości oporu.
Analogia do przepływu
wody
Dobrą analogią układu elektrycznego jest system hydrauliczny. Na-
pięcie można rozumieć jako różnicę ciśnień wytwarzaną przez pompę
(baterię). Natężenie prądu płynącego w przewodniku można wy-
obrazić sobie jako natężenie wody płynącej w rurze. Natężenie prze-
pływu wody zależne jest od przekroju rury (oporu elektrycznego).
Prąd stały, rozważany w tym e-doświadczeniu to prąd, który pły-
nie w określonym stałym kierunku
7
, zaś prąd zmienny
8
to prąd,
którego kierunek się cyklicznie zmienia. Związane jest to ze spo-
sobem wytwarzania prądu przez generatory. Jak powstaje prąd
zmienny, dowiesz się w e-doświadczeniu „Cewki i indukcja”, nato-
miast własności obwodów, w których płynie prąd zmienny, poznasz
w e-doświadczeniu „Układy RLC”.
Prąd stały wytwarzają ogniwa w reakcjach chemicznych oraz zasi-
lacze prądu stałego, które zamieniają prąd zmienny na prąd stały.
W formie prądu zmiennego elektryczność jest dostarczana z elek-
trownii do domów. Prądem stałym zasilane są wszystkie urządzenia
przenośne.
Prąd stały i prąd
zmienny
7
8
Często spotyka się skrót DC – z angielskiego Direct Current.
Często spotyka się skrót AC – z angielskiego Alternating Current.
3
2
Pomiar napięcia i natężenia prądu. Prawo
Ohma
Podstawowymi narzędziami diagnostycznymi używanymi do bada-
nia obwodów elektrycznych są mierniki: amperomierz i woltomierz.
Poniższy rysunek pokazuje sposób ich podłączenia w obwodzie. Po-
niższy schemat został zrealizowany w e-doświadczeniu jako układ nr
1 w zakładce „Gotowe schematy”. Amperomierz symbolizuje literka
„A” w kółku, zaś
R
A
to opór wewnętrzny amperomierza. Wolto-
mierz symbolizuje literka „V” w kółku, zaś
R
V
to opór wewnętrzny
woltomierza.
Amperomierz
Amperomierz mierzy natężenie prądu. Aby zmierzyć natężenie prądu
w przewodzie, należy zrobić w nim przerwę i włączyć amperomierz.
Taki sposób łączenia nazywa się łączeniem szeregowym i gwarantuje
przepływ całego prądu przez amperomierz. Amperomierz posiada
pewien opór wewnętrzny. Aby pomiar natężenia prądu nie zaburzał
wielkości natężenia prądu płynącego w układzie, opór wewnętrzny
amperomierza powinien być bardzo mały. W typowych miernikach
wynosi około 10
−5
Ω.
Woltomierz mierzy różnicę potencjałów, czyli napięcie. Aby zmie-
rzyć napięcie, należy podłączyć zaciski woltomierza pomiędzy dwoma
punktami obwodu bez przerywania obwodu (połączenie równole-
gle). Idealny woltomierz powinien mieć nieskończony opór wewnętrzny,
zaś w praktyce opór wewnętrzny powinien być dużo większy od
4
Woltomierz

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin