Edukator.pl - portal edukacyjny

PRĄD ELEKTRYCZNY

1. Pojęcie prądu

Przez prąd elektryczny rozumiemy uporządkowany ruch cząstek naładowanych pod wpływem działających na te cząstki sił elektrycznych. Źródłem tych sił jest zewnętrzne pole elektryczne.

2. Prąd w przewodnikach

Ciała stałe , pod względem przewodnictwa elektrycznego zostały podzielone na przewodniki, półprzewodniki i izolatory [patrz - Pole elektrostatyczne - Przewodniki i izolatory]. W przewodnikach są swobodne elektrony, poruszające się ruchem bezładnym. Umieszczenie przewodnika w polu elektrycznym spowoduje , że elektrony doznając działania sił elektrycznych będą poruszały się w stronę potencjału wyższego [+]. Taki uporządkowany ruch elektronów stanowi prąd elektryczny w przewodnikach.
Rys.1. Przewodnik w polu elektrycznym.

Izolatory nie przewodzą prądu, gdyż nie posiadają swobodnych cząstek naładowanych.
Półprzewodniki [pierwiastki z grupy IV układu okresowego] posiadają niewielką ilość swobodnych elektronów i równą im ilość wolnych miejsc po elektronach czyli dodatnich dziur, mogą zatem przewodzić niewielki prąd w dwu kierunkach - prąd elektronowy i tzw. "dziurowy". Aby zwiększyć możliwość przewodzenia prądu jednego rodzaju , wprowadza się do sieci krystalicznej półprzewodnika domieszki atomów pierwiastków z innych grup układu okresowego.

3. Prąd w cieczach

Niektóre ciecze mogą przewodzić prąd elektryczny. Należą do nich wodne roztwory kwasów, zasad i soli oraz stopione sole. Te ciecze nazywamy elektrolitami. Pod wpływem wody lub ciepła następuje rozpad cząsteczek na jony dodatnie i ujemne. Jony , to atomy lub grupy atomów obarczone ładunkiem dodatnim [niedobór elektronów] albo ujemnym [nadmiar elektronów].
Np. cząsteczka soli kuchennej [NaCl] rozpada się na jony Na⁺ i Cl^- .
Przepływ prądu przez elektrolit polega na wędrówce jonów w stronę potencjału wyższego [jony ujemne] i niższego [jony dodatnie]. Obrazuje to rys.2.
Rys.2. Wędrówka jonów.

4. Prąd w gazach

Gazy są na ogół izolatorami. Nie posiadają swobodnych nośników prądu, ale ogrzewanie gazu, rozrzedzenie lub napromieniowanie np. promieniami Roentgena i umieszczenie gazu w polu elektrycznym spowoduje że gaz ulegnie jonizacji [rozpadowi na jony dodatnie i elektrony, które przyłączają się do innych atomów tworząc jony ujemne]. Przepływ prądu przez gazy zjonizowane przypomina prąd w cieczach.

Prąd w obwodzie elektrycznym

1. Obwód elektryczny

Zamkniętą drogę prądu nazywamy obwodem. Prąd w obwodzie płynie przez znajdujące się w nim różne elementy [np. żarówki, grzejniki, oporniki, mierniki napięcia - woltomierze, mierniki natężenia - amperomierze, itp.] , a do połączenia tych elementów używamy przewodów [wykonanych najczęściej z cienkich drucików miedzianych]. Rys.3 przedstawia schemat prostego obwodu zawierającego źródło prądu [źródło napięcia między końcami obwodu], odbiornik [żarówka] , amperomierz [A] i woltomierz [V].
Rys.3. Prosty obwód elektryczny.

Rys.4. Symbole używane na schematach obwodów.

Aby w obwodzie płynął prąd, muszą być spełnione dwa warunki : musi być różnica potencjałów między końcami obwodu i obwód musi być zamknięty.

2. Źródło prądu

Źródłami prądu elektrycznego są różnego rodzaju ogniwa, układy ogniw [baterie] i akumulatory, oraz prądnice. W każdym ze źródeł mamy do czynienia z zużywaniem energii [chemicznej , mechanicznej , cieplnej , jądrowej] do przemieszczania ładunków na tzw. bieguny źródła. Jeden biegun jest zawsze ujemny [oznaczony na schematach krótszą pionową kreską] , a drugi jest dodatni [oznaczony dłuższą kreską]. Energia potencjalna ładunków zgromadzonych na biegunach stanowi energię elektryczną , którą można wykorzystać do przemieszczania elektronów w obwodzie.
Rys.5. Przykład ogniwa.

Różnicę potencjałów między biegunami źródła tzw. otwartego [tzn. takiego, z którego w danej chwili nie czerpie się prądu] nazywamy siłą elektromotoryczną [SEM] i oznaczamy literą E. Wrażamy ją w woltach i można jej wartość zmierzyć w przybliżeniu , łącząc bieguny źródła z woltomierzem [rys.6].
Rys.6. Pomiar SEM ogniwa.

3. Napięcie i natężenie prądu

Różnicę potencjałów pomiędzy końcami dowolnego elementu obwodu np. żarówki [opornika, odbiornika prądu] nazywamy napięciem (U) prądu płynącego przez ten element. Napięcie mierzy się woltomierzem łącząc go równolegle z elementem [rys.7].
Rys.7. Pomiar napięcia.

Natężeniem [ I ] prądu nazywamy stosunek ładunku [q] przepływającego przez poprzeczny przekrój przewodnika do czasu [t] jego przepływu.



Natężenie prądu wyrażamy w amperach (A) i mierzymy amperomierzem włączonym w obwód szeregowo [rys.8].
Rys.8. Pomiar natężenia

Z przekształcenia powyższego wzoru wynika, że ładunek [q] przepływający przez przewodnik w czasie [t] wynosi: q = I t   oraz, że 1C (kulomb) = 1 A ^.1 s (amper .sekunda).

Umowny kierunek płynięcia prądu jest przeciwny do kierunku ruchu elektronów , czyli od potencjału wyższego (+) do potencjału niższego (-) .

Opór elektryczny

1. Opór przewodnika i ogniwa

Poruszające się w przewodniku elektrony napotykają na przeszkody. Przewodnik stawia prądowi opór który w danej temperaturze jest dla danego przewodnika stały. Oporem [R] elektrycznym przewodnika nazywamy stosunek napięcia [U] między końcami przewodnika do natężenia [ I ] prądu płynącego przez ten przewodnik.

Jednostką oporu jest 1 om .
Przewodnik ma opór 1 om gdy pod napięciem 1V płynie przez niego prąd o natężeniu 1A.
Opór przewodnika zależy od jego długości [wprost proporcjonalnie], pola przekroju poprzecznego [odwrotnie proporcjonalnie] i rodzaju materiału. Wyraża to wzór:

gdzie l - oznacza długość przewodnika, S - pole przekroju poprzecznego przewodnika, a "RO" -to różny dla różnych materiałów tzw. opór właściwy [opór przewodnika o długości 1m i polu przekroju 1m2]. Opór właściwy przewodników jest rzędu 10-8 Wm [np. dla miedzi wynosi on 1,7.10-8 Wm] i rośnie wraz ze wzrostem temperatury przewodnika.
W obwodzie zamkniętym prąd płynie również przez źródło napięcia, gdzie również napotyka na opór nazywany oporem wewnętrznym (r) źródła [ogniwa, baterii itp.].Woltomierz włączony pomiędzy bieguny źródła pracującego wskaże napięcie [U] mniejsze od siły elektromotorycznej [E] tego źródła o wartość napięcia na oporze wewnętrznym ( U _w = I r ): U = E - I r.
Rys.9.

2. Prawo Ohma

Prawo Ohma określa zależność pomiędzy napięciem i natężeniem prądu w przewodniku [oporniku, odbiorniku prądu, elemencie obwodu] .
Mówi ono, że : natężenie [I] prądu płynącego przez przewodnik jest wprost proporcjonalne do napięcia [U] między końcami tego przewodnika, a dla przewodników o różnych oporach [R] jest odwrotnie proporcjonalne do ich oporów. Zapisujemy to równaniem:
Rys.10. Prawo Ohma dla części [a] i całego obwodu [b].

Dla całego obwodu [rys.10 b] prawo Ohma przyjmuje postać :  , gdzie E jest siłą elektromotoryczną źródła prądu , R - oporem zewnętrznym obwodu , a r - oporem wewnętrznym źródła.

3. ?ączenie oporów

W obwodzie może znaleźć się wiele elementów o różnych oporach. Mogą one być ze sobą połączone szeregowo, równolegle lub w sposób mieszany.
?ączenie szeregowe.
Rys.11. Szeregowe łączenie oporów.

Natężenie [I] prądu płynącego przez wszystkie elementy [oporniki] jest takie samo. Napięcia [U₁, U₂, U₃] na poszczególnych elementach są zależne od oporów [R₁, R₂, R₃] tych elementów.
Taki układ oporów stanowi jeden opór [R],nazywany zastępczym.
Opór zastępczy jest równy sumie oporów składowych :   R = R₁ + R₂ + R₃ .
Równocześnie , gdzie U = U₁+ U₂+ U₃ .
Takie łączenie jest wykorzystywane w oświetleniu choinkowym. Przepalenie jednej żarówki powoduje przerwanie obwodu i prąd nie popłynie przez żadną z pozostałych żarówek.
?ączenie równoległe.
Rys.12. Równoległe łączenie oporów.

Natężenia [I₁, I₂, I₃] prądów płynących przez poszczególne opory [R₁,R₂, R₃] są różne. Napięcia na opornikach są jednakowe [U₁ = U₂ = U₃ = U].
Opór zastępczy [R] takiego układu jest taki, że jego odwrotność równa się sumie odwrotności oporów składowych :  .
Równocześnie   , gdzie I = I₁ + I₂ + I₃ .
Takie łączenie jest stosowane, gdy chcemy korzystać równocześnie z kilku odbiorników dostosowanych do tego samego napięcia np. elektryczne urządzenia domowe.
?ączenie mieszane.
?ączenie szeregowe można zastosować równocześnie z równoległym i wtedy mówić będziemy o łączeniu mieszanym [rys.13].
Rys.13. Mieszane łączenie oporów.

Chcąc wyznaczyć opór zastępczy , wyznaczamy kolejne opory zastępcze oporów połączonych ze sobą bezpośrednio szeregowo i równolegle, aż do uzyskania jednego oporu [rys.14].
Rys.14. Wyznaczanie kolejnych oporów zastępczych.
Opór zastępczy układu [rys.14] wynosi:
Podobnie można łączyć źródła prądu.

4. Prawa Kirchhoffa

Przy równoległym łączeniu oporów, prąd napotyka na rozgałęzienia . Miejsce rozgałęzienia nazywamy węzłem sieci, do którego mogą wpływać elektrony lub z niego wypływać [ rys.15].
Rys.15. Węzły sieci.

Liczba elektronów wpływających do węzła sieci jest zawsze równa liczbie elektronów wypływających z węzła. Z tej reguły wynika tzw. pierwsze prawo Kirchhoffa, które mówi, że :
suma natężeń prądów wpływających do węzła jest równa sumie natężeń prądów wypływających z tego węzła.
Na rys.15 są przedstawione trzy węzły, dla których można zapisać w/w prawo w postaciach:
I = I₁ + I_{2       ;}I₁ + I₂ = I₃ + I₄ + I₅    ;        I₃ + I₄ + I₅ = I

Dowolną, zamkniętą drogę prądu nazywamy oczkiem sieci. Takie oczko tworzą np. dwie gałęzie sieci [rys.16] zawierające R₁ i R₂ ; R₂ i R₃ lub R₁ i R₃.
Rys.16. Oczka sieci - gałęzie.

O gałęziach, tworzących oczko sieci, drugie prawo Kirchhoffa mówi, że: natężenia prądów w gałęziach są odwrotnie proporcjonalne do oporów tych gałęzi, czyli stosunek natężeń prądów w poszczególnych gałęziach jest równy odwrotnemu stosunkowi oporów tych gałęzi.
Dla gałęzi z rys. 16 można więc zapisać:   ;

oraz

.
Drugie prawo Kirchhoffa można również sformułować dla oczka zawierającego źródło prądu.
Np. dla oczka zawierającego E, r , R₁ [R₂lub R₃] i R₄ z rys.16 , trzeba uwzględnić napięcia na poszczególnych oporach i zapisać np. : E = I₁R₁ + I₄ R₄ + I r .

Energia elektryczna

1. Przemiany energii elektrycznej

Skutkiem płynięcia prądu przez różne elementy obwodu jest zamiana energii elektrycznej na inne rodzaje energii. Jedną z nich jest energia wewnętrzna - prąd płynąc przez grzejnik powoduje wydzielanie się ciepła, płynąc przez żarówkę powoduje rozgrzanie włókna, itp.
Energia elektryczna może również ulegać przemianie w energię mechaniczną [silniki elektryczne], świetlną, itd. Główne przemiany energii zachodzą w odpowiednio skonstruowanych odbiornikach [grzałki, żarówki, silniki, żelazka, radioodbiorniki, telewizory, lampy błyskowe itd.] stosownie do zapotrzebowania. Zawsze jednak część energii jest bezużytecznie stracona na ogrzewanie innych elementów obwodu, takich jak np. przewody użyte do połączeń. W celu zmniejszenia strat , zastępuje się np. zwykłe żarówki lampami jarzeniowymi lub tzw. energooszczędnymi.
Dobrej jakości odbiornik powinien mieć dużą tzw. sprawność. Miarą sprawności jest stosunek energii użytecznej do energii pobranej ze źródła, co zapisujemy wzorem:


2. Praca i moc prądu

Przemieszczanie ładunku elektrycznego w obwodzie wymaga wykonywania pracy. Mówimy, że prąd wykonuje pracę, której wartość wynosi: W = q U.
Ponieważ q (ładunek) = I t (iloczyn natężenia prądu i czasu płynięcia), to praca
W = U I t.
Z prawa Ohma U = I R , więc pracę możemy również wyrazić wzorem : W = I2 R t .
Jednostką pracy w układzie SI jest 1 J [dżul] i z wzoru na pracę wynika, że :
                                                   1 J = 1 V A s

Płynąc przez różne odbiorniki, prąd wykonuje w tym samym czasie różne prace. Stosunek pracy do czasu w jakim została ona wykonana nazywamy mocą : , którą wyrażamy w watach , przy czym .
Wykorzystując wzory na pracę prądu możemy moc prądu wyrazić różnymi wzorami,
np. P = U I ,   lub P = I2 R   ; a jednostkę mocy 1 W = 1 V A.
Od jednostki mocy pochodzi jednostka zużywanej przez odbiorniki energii elektrycznej [mierzonej licznikami] tzw. kilowatogodzina. 1kWh = 1000 W.1h =1000W*3600s = 3600000J.

3. Domowe odbiorniki energii elektrycznej

W każdym domu wykorzystujemy różnego rodzaju urządzenia zasilane energią elektryczną, np. żelazka, żarówki, odkurzacze, lodówki, pralki, i inne. Na każdym z nich producent podaje zazwyczaj napięcie, do którego jest ono dostosowane oraz moc urządzenia. Te informacje pozwalają nam obliczyć: natężenie prądu płynącego przez to urządzenie, opór urządzenia, zużywaną przez niego energię w dowolnym czasie i koszt zużytej energii. To z kolei pozwala nam oceniać obciążenie sieci elektrycznej i daje możliwość zabezpieczenia jej przed uszkodzeniem [bezpieczniki], oraz możliwość oszczędzania energii elektrycznej.
Rys.17. Odbiorniki elektryczne w domu.

Np. [rys.17], gdy w mieszkaniu są równocześnie włączone: lodówka o mocy 200 W, pralka o mocy 2000 W i żelazko o mocy 1100 W, to przy napięciu sieciowym 220 V , przez bezpieczniki popłynie prąd o natężeniu:

Bezpiecznik np.10A ulegnie przepaleniu i odetnie zasilanie.
Gdyby w/w urządzenia nie miały termostatów [regulatorów temperatury, włączających i wyłączających prąd w odpowiednich momentach] i czerpały prąd np. przez jedną godzinę , to zużycie energii elektrycznej wyniosłoby : W = P t = 3300W.1h = 3,3kWh. Jeśli za 1kWh płacimy 1zł, to koszt zużytej energii wynosi 3,3zł.
Dzięki między innymi termostatom oszczędzamy energię elektryczną i koszty jej używania są niższe.