Fizyka I OO/Wykład XII

Prąd elektryczny

nazywamy uporządkowany ruch ładunków elektrycznych.

Aby zaistniało w ośrodku zjawisko prądu elektrycznego muszą być spełnione dwa warunki jednocześnie:

• w ośrodku muszą być nośniki ładunków elektrycznych,
• musi być wytworzone pole elektryczne.

Natężenie prądu elektrycznego

pochodna ładunku przepływającego przez przekrój poprzeczny przewodnika względem czasu.

[math]I=\frac{dq}{dt}[/math]

Jednostką jest amper (A), jedna z siedmiu podstawowych jednostek układu SI, którą definiuje się przez magnetyczne skutki przepływu prądu elektrycznego i dlatego tę definicję przedstawiamy później.

[math]\unit{1}{A} = \frac{\unit{1}{C}}{\unit{1}{s}}[/math]

Gęstość prądu

jest równa stosunkowi natężenia prądu do prostopadłego pola powierzchni, przez który przepływa.

Związek pomiędzy gęstością prądu a prędkością unoszenia ( średnią szybkością przemieszczania się ładunków) wyprowadza się następująco:

Niech n oznacza gęstość nośników ładunku, czyli liczbę nośników w jednostce objętości, e wartość ładunku elementarnego. Przyjmijmy, że przewodnik ma kształt walca o polu podstawy S (i zarazem przekroju S). W elemencie przewodnika o długości l znajduje się ładunek:

[math] q = l S ne [/math]

[math] I = \frac{dq}{dt} =Sne \frac{dl}{dt} = Snev[/math]

[math] j = \frac{I}{S} = nev[/math]

a ponieważ prędkość i gęstość prądu są wektorami, więc

[math]\vec{j} = ne\vec{v}[/math]

Ruch ładunków jest możliwy tylko w polu elektrycznym. Aby więc zaistniał, konieczne jest wytworzenie pola elektrycznego.

Napięcie elektryczne U

różnica potencjałów [math](\Delta V)[/math] pomiędzy dwoma punktami pola elektrycznego. Jednostką jest wolt.

Kierunek prądu elektrycznego

na mocy umowy przyjmuje się jako zgodny z kierunkiem ruchu ładunków dodatnich od punktu o wyższym do punktu o niższym potencjale.

Siła elektromotoryczna źródła napięcia — SEM

Jakie znasz najczęściej używane źródła napięcia? Rozejrzyjmy się wokół. Myślę, że najpopularniejsze są trzy:

• baterie ogniw chemicznych,
• baterie ogniw słonecznych,
• prądnica prądu przemiennego w elektrowni, która zasila sieć elektryczną, dostępną w każdym domu.

Przeanalizujmy te źródła napięcia z punktu widzenia przemian różnych form energii.

Ogniwo galwaniczne

W ogniwie galwanicznym powstaje kontaktowa różnica potencjałów pomiędzy elektrolitem a elektrodą. Elektrody są dwie, każda wykonana z innego materiału. W klasycznym ogniwie Volty elektrodami były płytki: miedziana i cynkowa, a elektrolitem roztwór kwasu. W wyniku reakcji chemicznych pomiędzy elektrodami i elektrolitem, powstaje pomiędzy elektrodami napięcie. Obecnie stosuje się ogniwa suche, to znaczy takie, w których elektrolit zaabsorbowany jest przez porowaty ośrodek. Najpopularniejszym są różne odmiany ogniwa Leclanchégo, w którym dwie elektrody — jedna grafitowa a druga — cylindryczna cynkowa zanurzone są w elektrolicie, którym jest roztwór chlorku amonowego.

W każdym ogniwie galwanicznym energia reakcji chemicznej zamienia się na energię powstającego między elektrodami pola elektrycznego.

Fotoogniwo (ogniwo fotoelektryczne)

W ogniwie fotoelektrycznym energia światła zamieniana jest bezpośrednio na energię elektryczną. Na ogół wykorzystuje się półprzewodnikowe złącze p-n. Jak pamiętasz, na granicy takiego złącza powstaje silne pole elektryczne. Zaabsorbowanie kwantu światła powoduje wytworzenie się w obrębie złącza pary nośników — elektronu i dziury. Nośniki te są przesuwane przez pole elektryczne, a jeśli zamkniemy obwód elektryczny, to popłynie prąd.

Ogniwa fotoelektryczne są drogie i otrzymuje się w nich niewielkie napięcia. Dosyć powszechnym zastosowaniem jest zasilenie nimi kalkulatorów. Aby uzyskać większe — zarówno napięcie jak i natężenie — można połączyć ogniwa w baterie. Ze względu na koszty baterie słoneczne — bo tak się je nazywa, znalazły zastosowanie tam, gdzie inne źródła napięcia nie mogą być użyte, a więc, np. — jako zasilenie urządzeń w sztucznych satelitach Ziemi.

Prądnica prądu przemiennego

Chociaż mówimy o prądzie stałym, to jednak nie sposób nie wspomnieć o tym najpopularniejszym źródle napięcia, z którego korzystamy najczęściej — napięciu w domowym gniazdku elektrycznym. Napięcie to jest przesyłane z elektrowni, gdzie wytwarzane jest w prądnicy (generatorze). Wykorzystując zjawisko indukcji elektromagnetycznej, w prądnicy energia mechaniczna obracającego się elektromagnesu, wytwarzającego pole magnetyczne zamieniana jest na energię elektryczną pola elektrycznego powstającego w zwojach, przez które to pole przenika. Tak wytwarzana energia elektryczna jest przesyłana do sieci miejskiej.

Wielkością charakteryzującą źródło napięcia jest siła elektromotoryczna. Mimo, że w nazwie jest termin „siła”, nie ma nic wspólnego z wielkością określającą oddziaływanie ciał, którą poznaliśmy, ucząc się mechaniki.

SEM

Siłą elektromotoryczną źródła napięcia — SEM, nazywamy stosunek ilości energii zamienionej na energię elektryczną do ładunku przepływającego przez obwód w danym czasie.

[math] SEM =\frac{\mathrm{energia\ elektryczna}}{\mathrm{przeplywajacy\ ladunek}}[/math]

[math][SEM]= \frac{\unit{1}{J}}{\unit{1}{C}} = \unit{1}{V}[/math]

Siłę elektromotoryczną oznacza się skrótowo SEM i mierzy w woltach. Sens fizyczny tej wielkości jest taki, że jest to ilość energii zamienionej na energię elektryczną przypadająca na jednostkowy ładunek przepływający w obwodzie zamkniętym.