Prąd elektryczny
Budowa materii
Ciała zbudowane są z atomów.Atom złożony jest z jądra atomowego (wewnątrz którego znajdują się protony obdarzone ładunkiem dodatnim i obojętne elektrycznie neutrony) oraz z posiadających ładunek ujemny elektronów krążących wokół tego jądra.
 |
| Atom helu 2 protony i 2 neutrony w jądrze i 2 elektrony krążące na jednej orbicie |
Jednostką ładunku elektrycznego jest kulomb[C].
Ładunek protonu i elektronu ma taką samą wartość e=1,6x10^19 C, lecz różny znak.
Przyjęto, że ładunek protonu nazywamy dodatnim +e, a elektronu ujemnym -e.
W atomach,w normalnych warunkach, liczba elektronów i protonów jest jednakowa, zatem atom jest jako całość elektrycznie obojętny.
Zdarza się, że do ciał z zewnątrz dociera energia, która pozwala na oderwanie się elektronu i jego ucieczkę z orbity. Powstaje wówczas dodatnio naładowany jon i ujemnie naładowany elektron, tworząc ładunek dodatni i ujemny.
 | |||||
| Ucieczka jednego elektronu z atomu helu |
Prąd elektryczny
Uporządkowany ruch ładunków elektrycznych nazywamy prądem elektrycznym.Prąd może płynąć zarówno w ciałach stałych, cieczach i gazach.
W metalach elektrony z ostatnich orbit atomów mogą stosunkowo łatwo się oderwać tworząc tzw. elektrony swobodne. Pod wpływem napięcia elektrony te poruszają się w metalu tworząc prąd.
Natężenie prądu
Wielkością opisującą prąd elektryczny jest natężenie prądu elektrycznego I, które definiuje się jako stosunek ładunku elektrycznego Q, przepływającego przez poprzeczny przekrój przewodnika, do czasu t przepływu tego ładunku:
Jednostką natężenia prądu elektrycznego jest 1A(amper) .To prąd, który płynąc w dwóch równoległych przewodach prostolinijnych nieskończenie długich, o znikomo małych przekrojach umieszczonych w odległości 1m w próżni - wywołuje między tymi przewodami siłę równą 2*10^-7 N(dwóm dziesięciomilionowym niutona) na każdy metr długości przewodu.
Natężenie prądu elektrycznego mierzymy amperomierzem włączonym szeregowo w dany obwód elektryczny.
Napięcie elektryczne
Napięcie elektryczne U to wielkość opisująca pole elektryczne (pole oddziaływania ładunków elektrycznych)- to stosunek pracy, którą wykonały siły pola elektrycznego przy przesunięciu ładunku próbnego z punktu A do punktu B, do wartości tego ładunku
Napięcie można także określić jako różnicę potencjałów w dwóch punktach pola elektrycznego.
Jednostką napięcia elektrycznego jest 1 V(wolt).
Napięcie elektryczne jakie panuje na danym elemencie obwodu możemy zmierzyć podłączając równolegle do tego elementu woltomierz.
Rezystancja
Rezystancja R, czyli opór elektryczny, to trudność na jaką napotykają przemieszczające się ładunki. Rezystancja przewodu zależy od długości (do której jest wprost proporcjonalna), od pola przekroju poprzecznego (do którego jest odwrotnie proporcjonalna) oraz od materiału z którego przewód został wykonany (rezystywności materiału). |
| Wzór na rezystancję:l-długość przewodu, S-przekrój przewodu, ρ-rezystywność materiału przewodu |
Rezystancję możemy zmierzyć omomierzem lub metodą techniczną poprzez pomiar napięcia i natężenia prądu i wyznaczenia rezystancji z prawa Ohma.
-łączenie szeregowe rezystorów: RZ = R1 + R2 + ... + Rn
(rezystancja zastępcza jest równa sumie rezystancji składowych)
-łączenie równoległe rezystorów: 1/RZ = 1/R1 + 1/R2 + ... + 1/Rn
(odwrotność rezystancji zastępczej jest równa sumie odwrotności rezystancji cząstkowych).
Moc prądu elektrycznego
Moc P jaka wydziela się w urządzeniu podłączonym pod napięcie U i przez który płynie prąd I określana jest jako: P=U·IMoc tę możemy korzystając z prawa Ohma przedstawić następująco,
Jednostką mocy elektrycznej jest 1W(wat). 1W=1V·1A.
Moc elektryczną możemy zmierzyć watomierzem, podłączając jego cewkę prądową szeregowo, a napięciową równolegle w obwód. Można też zmierzyć metodą pośrednią, przy pomocy amperomierza i woltomierza i wyznaczyć z wzoru P=I·U.
Przedrostki jednostek
Wartości prądu i innych wielkości elektrycznych mogą osiągać wartości bardzo duże lub bardzo małe, dlatego wygodnie nam operować jest wielokrotnościami lub podwielokrotnościami jednostek:
np.1 MW=1000000 W, 1 mA= 0,001 A, 1kV=1000V
Obwód elektryczny
Obwodem elektrycznym nazywamy elementy połączone ze sobą w taki sposób, że istnieje przynajmniej jedna droga zamknięta dla przepływu prądu elektrycznego. Warunkiem tego aby prąd w obwodzie mógł płynąć jest oprócz zamkniętej drogi dla jego przepływu, istnienie źródła prądu, które będzie wprowadzało w ruch ładunki elektryczne.Struktura obwodu elektrycznego:
- gałąź – tworzy jeden lub kilka połączonych ze sobą szeregowo elementów, przez który przepływa ten sam prąd (część zawarta pomiędzy dwoma węzłami)
 |
| Jedna z trzech gałęzi obwodu |
- węzeł – to miejsce, gdzie spotykają się (łączą się) przynajmniej trzy gałęzie
 |
| Jeden z dwóch węzłów obwodu |
- oczko – zbiór gałęzi tworzących drogę zamkniętą dla przepływu prądu (usunięcie dowolnej gałęzi spowoduje, że nie będzie takiej zamkniętej drogi
 |
| Jedno z trzech oczek obwodu z zaznaczonym zastrzałkowaniem |
Przepływem prądu w obwodzie rządzą takie podstawowe prawa jak:
- Prawo Ohma:Natężenie prądu jest wprost proporcjonalne do napięcia przyłożonego do końców przewodnika, a odwrotnie proporcjonalne do jego rezystancji.
- Pierwsze prawo Kirchhoffa: Suma natężeń prądów wpływających do węzła jest równa sumie prądów z tego węzła wypływających.
- Drugie prawo Kirchhoffa: Suma sił elektromotorycznych w oczku obwodu elektrycznego jest równa sumie spadków napięć na rezystancjach tego obwodu.
Prądu elektrycznego nie widać, możemy jednak obserwować skutki jego przepływu, jak:
- nagrzewanie się przewodów (wykorzystane np. w grzejnikach elektrycznych)
- wychylenie wskazówki amperomierza
- ruch mechaniczny (wykorzystany np. w silnikach elektrycznych)
- wytworzenie pola magnetycznego (np. elektromagnesy)
- wytworzenie promieniowania świetlnego (np. lampy LED)
- negatywne skutki przepływu przez ciało człowieka (skurcze mięśni, oparzenia, trudności w oddychaniu, zaburzenia pracy serca, itd.)