Prąd elektryczny – uporządkowany ruch ładunków elektrycznych.
Aby prąd mógł płynąć w obwodzie, muszą być spełnione poniższe warunki:
- Obwód, w którym ma płynąć prąd, musi być zamknięty
- Musi zostać przyłożone napięcie (różnica potencjałów), które wymusza ruch ładunków i tworzy pole elektryczne.
Napięcie to może pochodzić z:
Źródła chemicznego: (bateria, akumulator).
Zjawiska indukcji: (zmienne pole magnetyczne poruszające ładunki w przewodniku).
Zjawiska fotoelektrycznego: (światło wybijające elektrony w panelach fotowoltaicznych). - Muszą być obecne swobodne nośniki ładunków
Nośniki prądu elektrycznego w różnych ośrodkach:
- W metalach: nośnikami są swobodne elektrony (tzw. gaz elektronowy)
- W cieczach: nośnikami są jony dodatnie (kationy) i ujemne (aniony)
- W gazach: nośnikami są jony oraz elektrony
- W półprzewodnikach: nośnikami są elektrony i tzw. dziury
Jak pole elektryczne wytwarza prąd?
Jeśli zamkniemy obwód i przyłożymy źródło napięcia (np. baterię) do końców przewodu, wewnątrz przewodu powstanie pole elektryczne.
Pole to zadziała na każdy ładunek swobodny siłą F = q \cdot E. Pod wpływem tej siły elektrony zaczną poruszać się w jednym kierunku przeciwnym do zwrotu linii pola E, to tak zwany dryf elektronów. Pole elektryczne wykona pracę nad ładunkami, przekazując im energię, którą potem oddadzą np. w postaci ciepła (grzałka) lub światła (żarówka).
Dryf elektronów
Kierunek przepływu prądu
- Kierunek umowny: Przyjęto, że prąd płynie od potencjału wyższego do niższego, czyli od plusa (+) do minusa (-). Prąd płynie zgodnie ze zwrotem linii pola elektrycznego.
- Kierunek rzeczywisty: W rzeczywistości w metalach elektrony (ładunki ujemne) poruszają się w stronę przeciwną od minusa (-) do plusa (+).
Natężenie prądu I – określa ile ładunku przepływa przez przekrój poprzeczny przewodnika w określonym czasie.
Jednostką natężenia jest amper [A].
Natężenie prądu stałego – w każdym równym odstępie czasu przez przekrój przewodnika przepływa taka sama ilość ładunku.
I = \frac{q}{t}
Gdzie:
q – całkowity ładunek, który przepłynął przez przewodnik
t – czas przepływu tego ładunku
Natężenie prądu zmiennego – natężenie prądu zmienia się w czasie, definiujemy je jako pochodną ładunku względem czasu
i(t) = \frac{dq}{dt}
Gdzie:
i(t) – natężenie prądu w chwili t
dq – nieskończenie mały przyrost ładunku
dt – nieskończenie mały przedział czasu.
Gęstość prądu J – stosunek natężenia prądu do pola powierzchni przekroju poprzecznego przewodnika.
J = \frac{I}{S}
Gdzie:
S – pole powierzchni przekroju przewodnika
I – natężenie prądu
Prawo Ohma – określa związek między natężeniem prądu płynącego przez przewodnik a napięciem przyłożonym do jego końców.
Natężenie I prądu płynącego przez przewodnik jest wprost proporcjonalne do napięcia U przyłożonego do jego końców. I = \frac{U}{R}
Gdzie:
I – natężenie prądu
U – napięcie elektryczne
R – opór elektryczny (rezystancja)
Prawo Ohma nie obowiązuje dla wszystkich materiałów:
- Elementy spełniające to prawo (np. metalowe oporniki) nazywamy liniowymi.
- Elementy, które go nie spełniają (np. diody, żarówki), nazywamy nieliniowymi.
Opór elektryczny R (rezystancja) – właściwość elektryczna przewodnika, która określa, zdolność do przeciwstawiania się przepływowi prądu elektrycznego. Opór definiujemy jako stosunek napięcia przyłożonego do końców przewodnika do natężenia prądu.
Jednostką oporu jest om [\Omega]
R = \frac{U}{I}
Gdzie:
R – opór elektryczny
U – napięcie elektryczne
I – natężenie prądu
Opór zależy od geometrii przewodnika i właściwości materiału, z którego go wykonano.
R = \rho \cdot \frac{l}{S}
Gdzie:
l – długość przewodnika
S – pole powierzchni przekroju poprzecznego
\rho – opór właściwy
Opór właściwy \rho (rezystywność) – cecha materiału charakteryzująca daną substancję pod względem zdolności przewodzenia prądu.
Zależność oporu od temperatury
| Wzrost temperatury T | Mechanizm | |
| Przewodniki (dobrze przewodzą prąd elektryczny, ich opór właściwy jest bardzo mały) | wzrost oporu | Pod wpływem wzrostu temperatury atomy sieci krystalicznej drgają silniej, co utrudnia ruch elektronom. Opór wzrasta. |
| Półprzewodniki (ich opór właściwy jest większy niż przewodników i mniejszy niż izolatorów) | spadek oporu | Wzrost temperatury dostarcza więcej energii, która uwalnia dodatkowe nośniki (elektrony i dziury) ułatwiając ich przepływ. Opór maleje. |
| Izolator (praktycznie nie przewodzą prądu, ich opór właściwy jest bardzo duży) | Brak zmiany (ewentualnie mały spadek) | Przy bardzo wysokich temperaturach wiązania pękają i pojawiają się nieliczne nośniki, ale opór nadal pozostaje wysoki. |
W pewnym zakresie temperatur opór właściwy wzrasta w sposób liniowy wraz ze wzrostem temperatury.
R_T = R_0 \cdot (1 + \alpha \cdot \Delta T)
R_T – rezystancja w temperaturze końcowej
R_0 – rezystancja w temperaturze odniesienia
\alpha – temperaturowy współczynnik rezystancji (charakterystyczny dla materiału).
\Delta T – zmiana temperatury
Konduktancja G – przewodność elektryczna czynna, odwrotność rezystancji. Jednostką konduktancji jest Simens [S].
G = \frac{1}{R}
Łączenie oporników (rezystorów)
- Łączenie szeregowe – prąd płynie przez oporniki jeden po drugim. Przez każdy opornik płynie ten sam prąd czyli natężenie I jest takie samo w każdym z nich, a napięcia się sumują.
R_z = R_1 + R_2 + ... + R_n
Dodanie kolejnego opornika szeregowo zawsze zwiększa opór całkowity układu. - Łączenie równoległe – na każdym oporniku jest takie samo napięcie U, a natężenia prądów w gałęziach się sumują.
\frac{1}{R_z} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + ... + \frac{1}{R_n}
Dla dwóch oporników:
R_z = \frac{R_1 \cdot R_2}{R_1 + R_2}
Dodanie kolejnego opornika równolegle zawsze zmniejsza opór całkowity układu.
Przyrządy pomiarowe
- Amperomierz – do pomiaru natężenia prądu elektrycznego I . Podpinamy do obwodu szeregowo.
- Woltomierz– do pomiaru napięcia prądu elektrycznego U . Podpinamy do obwodu równolegle.
I Prawo Kirchhoffa (Prądowe – dla węzła) – Suma natężeń prądów wpływających do węzła jest równa sumie prądów wypływających.
\sum I_{wpł} = \sum I_{wypł}
II Prawo Kirchhoffa (Napięciowe – dla oczka) – W zamkniętym oczku obwodu suma spadków napięć na opornikach jest równa sumie sił elektromotorycznych (napięć źródeł) w tym oczku. Algebraiczna suma wszystkich napięć (źródeł i spadków na oporach) wynosi zero.
\sum U = 0
Oczko sieci – zamknięty obwód, który nie dzieli się na mniejsze obwody.
Praca i moc prądu (Prawo Joule’a-Lenza)
Prąd płynący przez przewodnik wykonuje pracę, która najczęściej zamienia się w ciepło.
Praca prądu elektrycznego W
W = U \cdot I \cdot t
Moc prądu elektrycznego P
P = U \cdot I
Prawo Joule’a-Lenza-pozwala wyznaczyć ilość ciepła, które wydziela się podczas przepływu prądu elektrycznego przez przewodnik elektryczny. Ilość ciepła wydzielanego w czasie przepływu prądu elektrycznego przez przewodnik elektryczny jest wprost proporcjonalna do iloczynu oporu elektrycznego przewodnika, kwadratu natężenia prądu i czasu jego przepływu.
Q = I^2 \cdot R \cdot t
Straty ciepła rosną do kwadratu wraz ze wzrostem natężenia.
O opracowaniu: Treści na stronie stanowią autorskie opracowanie dydaktyczne, przygotowane na podstawie poniższych treści:
na licencji CC BY 4.0
https://openstax.org/details/books/fizyka-dla-szkół-wyższych-tom-2-polska
na licencji CC BY-SA 4.0
https://pl.wikipedia.org/wiki/Temperaturowy_wsp%C3%B3%C5%82czynnik_rezystancji
https://pl.wikipedia.org/wiki/Prawo_Joule%E2%80%99a_(pr%C4%85d_elektryczny)