Prawa i wielkości fizyczne

Ładunek to każda cząstka nieobojętna elektrycznie. Rozróżniamy ładunki dodatnie i ujemne. Jednostką ładunku jest 1 Culomb. 1 Culomb jest to ładunek jaki przeniesie prąd o natężeniu 1A w czasie 1s. Proces nadawania ciałom ładunków nazywamy elektryzowaniem. Możemy elektryzować przez pocieranie, dotyk, wpływ (indukcja). Jeżeli w jakimś miejscu zamkniętego układu powstanie ładunek to w innym miejscu tego układu musi istnieć ładunek równy co do wartości lecz przeciwnego znaku. Wokół każdego ładunku istnieje pole elektryczne. Pole elektryczne jest to przestrzeń w której działają siły elektryczne. Obrazem graficznym pola są linie sił pola elektrycznego. Są to linie wzdłuż których działają siły elektryczne. Linie sił pola:
a) nie przecinają się
b) mają zwrot od + do -
c) wychodzą prostopadle do powierzchni naładowanego ciała. Pole wytwarzane przez ładunek nieruchomy o stałej wartości nazywamy polem elektrostatycznym.

Prawo Kulomba
Siła oddziaływania między dwoma ładunkami punktowymi, umieszczonymi w ośrodkach nieprzewodzących jest wprost proporcjonalne do iloczynu tych ładunków a odwrotnie proporcjonalne do kwadratu odległości między ich środkami. Siła ta zależy od ośrodka w jakim znajdują się ładunki gdzie:
F - to siła
Q1 * Q2 - to ładunki
r - odległość
E - (epsilon) - bezwzględna przenikalność elektryczna ośrodka . Jest to wielkość określająca własności dielektryczne ośrodków, jest różna da różnych materiałów, wynika to stąd, że dielektryki ulegają polaryzacji w polach elektrycznych w różnym stopniu. Najsłabiej polaryzuje się próżnia i jej przenikalność jest najmniejsza i wynosi Eo = 8,85 * 10^-12 F/m. Jednostką epsilon jest farad przez metr.
Stosunek bezwzględnej przenikalości elektrycznej ośrodka (E) do bezwzględnej przenikalności elektrycznej próżni (Eo) nazywamy względną przenikalnością elektryczną danego ośrodka (Er)
Er jest liczbą bezwymiarową, która mówi nam ile razy łatwiej dany ośrodek polaryzuje się niż próżnia.

Natężenie pola elektrycznego (E)
Natężenie pola elektrycznego w dowolnym punkcie tego pola nazywamy stosunek siły działającej na ładunek próbny do wartości tego ładunku.

Natężenie pola jest wektorem o kierunku i zwrocie działającej siły.
Ładunkiem próbnym (q) nazywamy tak mały ładunek dodatni, że jego własne pole nie zakłóca badanego pola.
Natężenie pola wytwarzanego przez pojedynczy ładunek Q zależy od:
a) wartości ładunku wytwarzającego pole
b) od ośrodka w jakim pole istnieje
c) od odległości.

Napięcie elektryczne (UAB)
Na każdy ładunek umieszczony w polu działa siła elektryczna F powodując przemieszczenie ładunku, oznacza to, że siła wykonuje pracę.

WAB = F * l

Stosunek pracy wykonanej przez siłę elektryczną przy przesunięciu ładunku z jednego punktu pola do drugiego do wartości tego ładunku nazywamy napięciem elektrycznym.

Jednostką napięcia jest 1V (volt)
Napięcie między dwoma punktami przewodnika jest równa 1V gdy prąd o natężeniu 1A (ampera) wywołuje na tym odcinku stratę mocy 1W (watt)

Potencjał elektryczny j

Potencjałem elektrycznym dowolnego punktu pola nazywamy stosunek pracy wykonanej przez siłę elektryczną przy przenoszeniu ładunku z tego punktu do nieskończoności do wartości tego ładunku. Jednostką potencjału jest 1V. Potencjał jest skalarem.
Potencjał dowolnego punktu pola wytwarzanego przez jeden ładunek zależy od:
a) ładunku wytwarzającego pole Q
b) ośrodka
c) odległości

Natężenie i gęstość prądu
Prądem elektrycznym nazywamy uporządkowany ruch ładunków wymuszony polem elektrycznym zewnętrznym. Prądem jest uporządkowany ruch elektronów w metalach o stopach oraz dwukierunkowy ruch jonów w elektrolitach lub dwukierunkowy ruch elektronów i dziur w półprzewodnikach
Natężeniem prądu - nazywamy stosunek ładunku przepływającego przez poprzeczny przekrój przewodnika do czasu w którym ten przepływ nastąpił.

Jednostką jest 1A (amper). Amper jest to stały prąd, który płynąc w dwóch równoległych prostoliniowych nieskończenie długich przewodach o przekroju okrągłym znikomo małym umieszczonych w próżni w odległości 1m od siebie wywołałby między tymi przewodnikami siłę 2*10^-7*N na każdy metr długości.
Ze względu na wartość natężenia prąd dzielimy na:
a) prąd stały - natężenie ma stałą wartość w czasie. Prąd ten w równych odstępach czasu przenosi ten sam ładunek.
b) prąd zmienny - wartość natężenia zmienia się w czasie w równych odstępach czasu (okresowo), prąd przenosi różny ładunek.
c) prąd przemienny - zmienia wartość natężenia i kierunku.
Ponieważ ładunek w prądach zmiennych i przemiennych jest inny w każdej chwili to natężenie definiujemy jako stosunek zmiany ładunku do czasu w którym ta zmiana nastąpiła.
Gęstością prądu J nazywamy stosunek natężenia (I) prądu elektrycznego do pola powierzchni przekroju poprzecznego przewodnika (S) Jednostką gęstości prądu jest amper na metr kwadrat. Gęstość jest wektorem bo zależy od natężenia pola elektrycznego E. Ma kierunek i zwrot natężenia pola.

Warunki trwałego przepływu prądu. Obwody elektryczne.

Warunki trwałego przepływu prądu:
a) zamknięta droga dla przepływu ładunków. Drogę taką nazywamy obwodem elektrycznym.
b) obecność źródła energii elektrycznej, które zmusza ładunki do poruszania się.
W skład obwodu elektrycznego wchodzą:
a) źródła energii( nazywamy je elementami czynnymi)
b) odbiorniki (tzw. elementy bierne, pasywne)
c) przewody łączące.
Źródła energii elektrycznej to urządzenia przetwarzające różne rodzaje energii na energię elektryczną. Mają dwa bieguny (zaciski, elektrody) między którymi istnieje różnica potencjałów nazywana napięciem źródłowym lub siłą elektromotoryczną (SEM)
Odbiorniki -przetwarzają energię elektryczną na inne rodzaje energii (np.: świetlną, cieplną)

Podział obwodów elektrycznych ze względu na sposób połączenia:
a) obwody nierozgałęzione
b) obwody rozgałęzione
Podział obwodów elektrycznych ze względu na rodzaj prądu:
a) obwody prądu stałego
b) obwody prądu zmiennego.
Dodatkowo obwody dzielimy na:
a) obwody liniowe
b) obwody nieliniowe.
Obwód liniowy - wszystkie elementy obwodu mają liniową charakterystykę prądowo napięciową
Obwody nieliniowe - przynajmniej jeden element obwodu ma nieliniową charakterystykę prądowo napięciową.
Charakterystyka prądowo napięciowa - jest to wykres zależności napięcia od prądu lub odwrotnie na danym elemencie. (np.: rezystor na liniową charakterystykę prądowo napięciową a dioda półprzewodnikowa nie.)

Prawo Ohma. Rezystancja. Konduktancja. Rezystywność. Konduktywność.
Prawo Ohma (wyznaczone doświadczalnie) - napięcie (U) na końcach przewodnika przez który płynie prąd o natężeniu (I) jest iloczynem natężenia prądu i rezystancji (R) tego przewodnika.

U = R * I

Rezystancją odcinka przewodu (R) nazywamy stosunek napięcia przyłożonego do tego odcinka do natężenia prądu płynącego przy tym napięciu. Jednostką jest 1W
Rezystancja przewodnika zależy od jego konstrukcji:
a) długości przewodnika l ( długość rośnie - rezystancja rośnie)
b) pola przekroju poprzecznego S (pole przekroju rośnie - rezystancja maleje)
c) rodzaju przewodnika (konduktywność rośnie - rezystancja maleje)

Konduktywność materiału (przewodność właściwa) - jest to stała materiałowa opisująca własności przewodzące materiału. Im konduktywność większa tym lepszy przewodnik.

Konduktancja G to odwrotność rezystancji:

Jednostką jest jeden simens - 1s.

Rezystywność to opór właściwy materiału, opisuje jego własności rezystywne (oporowe), każdy materiał ma inny opór właściwy podawany w tablicach. Im większa rezystywnosć tym gorszy przewodnik a lepszy materiał na rezystor. Jednostką jest 1W * m.

Zależność rezystancji od czynników zewnętrznych
Ze wszystkich czynników zewnętrznych największy wpływ na rezystancję ma temperatura. Wzrost temperatury powoduje:
a) wzrost rezystancji metali i ich stopów.
b) spadek rezystancji elektrolitów i półprzewodników.
W przedziale temperatur -30°C do 150°C zależność rezystancji od temperatury jest liniowa i opisywana wzorem:

Rk = Rp [ 1 + at (Tk - Tp) ]

gdzie:
Rk - rezystancja końcowa w temperaturze końcowej Tk
Rp - rezystancja początkowa w temperaturze [początkowej Tp
at - TWR (temperaturowy współczynnik rezystancji

TWR - określa względną zmianę rezystancji wywołaną zmianą temperatury o 1°C. Jednostką jest 1/°C lub 1/K
TWR może być:
a) dodatni at > 0 (metale, stopy metali)
b) ujemny at < 0 (dla elektrolitów i półprzewodników)

Prawa Kirchoffa.
Obwód rozgałęziony jest to obwód w którym istnieje więcej niż jedna droga dla przepływu prądu. Pojedynczą drogę dla przepływu prądu nazywamy gałęzią. Miejsca rozgałęzień nazywamy węzłami. Elementy należące do tej samej gałęzi są połączone szeregowo, natomiast gałęzie lub elementy włączone między dwa te same węzły układu są połączone równolegle. Oczkiem obwodu nazywamy zbiór gałęzi połączonych tak, że tworzą zamkniętą drogę dla przepływu prądu a po usunięciu jednej z gałęzi droga przestaje być zamknięta.
Prawa Kirchoffa:
I Prawo Kirchoffa mówi o bilansie prądów w węźle obwodu.
Suma prądów dopływających do węzła jest równa sumie prądów odpływających z węzła.
II Prawo Kirchoffa (napięciowe)
W dowolnym oczku obwodu prądu stałego suma algebraiczna (uwzględniając znaki) siłe SEM i napięć na elementach rezystancyjnych jest równa 0.
Żeby zapisać równanie napięciowe dla dowolnego oczka należy:
a) postrzałkować prądy i napięcia w gałęziach oczka
b) obrać tzw. obieg oczka (okrągła strzałka)
c) poruszając się po oczku zgodnie z obiegiem dodajemy napięcia na rezystorach i SEM żródeł uwzględniając ich zwroty względem obiegu. Napięcia zastrzałkowane zgodnie z obiegiem przyjmujemy z plusem, natomiast napięcia zastrzałkowane przeciwnie z obiegiem przyjmujemy z minusem.

Zastosowanie praw Kirchoffa.
a) II prawo Kirchoffa umożliwia obliczanie prądów w obwodach nierozgałęzionych z dowolną ilością źródeł.
b) II prawo Kirchoffa umożliwia obliczanie napięć między dwoma dowolnymi punktami obwodu.
c) II prawo Kirchoffa umożliwia zapisywanie napięcia całkowitego dowolnej gałęzi obwodu.
d) I i II prawo Kirchoffa umożliwiają obliczenie prądów i napięć w obwodach rozgałęzionych z dowolną ilością źródeł.

Praca i moc prądu elektrycznego. Prawo Joule'a Lenza.

Pracę wykonaną przez siły elektryczne przy przenoszeniu ładunku podczas przepływu prądu nazywamy pracą prądu elektrycznego. Jest ona równa iloczynowi napięcia, natężenia prądu i czasu jego przepływu.

W = U * I * t

[W] = 1J = 1VAs = 1Ws co po przeliczeniu możemy wyrazić w [kWh]

Przepływowi prądu przez przewodnik (rezystor) towarzyszy zawsze wydzielanie się ciepła, oznacza to, że na elementach posiadających rezystancję, energia elektryczna zamieniana jest na energię cieplną. O ilości wydzielonego ciepła mówi prawo Jouel'a Lenza:
Ilość ciepła (Qc) wydzielonego na przewodniku o rezystancji R podczas przepływu prądu o natężeniu I jest proporcjonalne do kwadratu natężenia prądu, rezystancji i czasu przepływu prądu.

Qc = k * I^2 * R * t

gdzie:
k - to cieplny równoważnik energii k = 0,24 cal/J, pozwala przeliczać jednostki z dżuli na kalorie.
Fakt zmiany energii elektrycznej na ciepło wykorzystano w grzejnictwie.

MOC
Mocą prądu elektrycznego nazywamy iloczyn napięcia i natężenia prądu.

P = U * I

[P] = 1W => 1 wat

Źródła prądu
Każde źródło może znajdować się w 3 stanach pracy:
a) jałowym
b) zwarcia
c) obciążenia.

Stan jałowy - jest to stan odpowiadający przerwie w obwodzie, zaciski źródła są rozwarte Robc = nieskończoność.
W tym stanie:
a) I = 0. Prąd nie płynie
b) UAB = E. Napięcie na zaciskach nieobciążonego źródła jest równe SEM (Sile elektromotorycznej)

Stan zwarcia - zaciski źródła zwarte, rezystancja obciążenia równa 0.
W tym stanie
a) I = Izw = E/Rwew W tym stanie przez źródło płynie prąd tzw. zwarcia. (największy z możliwych)
b) UAB = 0. Napięcie na zaciskach jest równe 0.

Stan obciążenia - do zacisków źródła dołączony odbiornik o rezystancji między 0 a nieskończoność. 0 < Robc < nieskończoność
W tym stanie:
a) J = E / Rwew + Robc
b) UAB = E - Uwew.

E - jest to siła elektromotoryczna źródła (SEM)

Moc wytworzona, moc tracona, moc oddawana.
Moc wytworzona jest to moc wytworzona w źródle i jest ona równa iloczynowi SEM i natężenia prądu.

Pwyt = I * E

Moc stracona - to moc stracona na rezystancji wewnętrznej źródła.

Pstrat = I * Uw = I2 * Rw

Moc oddana - jest różnicą mocy wytworzonej i mocy straconej.

Podd = Pwyt - Pstrat

Moc oddawana przez źródło jest równa mocy pobieranej przez odbiornik (jeśli pomijamy straty na przewodach łączących)
Sprawnością źródła h (eta) nazywamy stosunek mocy oddanej do wytworzonej wyrażany w procentach.

Największą moc źródło oddaje (a odbiornik pobiera) gdy prąd w obwodzie jest polową prądu zwarcia. Rezystancja odbiornika jest wtedy równa rezystancji wewnętrznej źródła. Taki stan, w którym odbiornik pobiera największą moc nazywamy stanem dopasowania a odbiornik odbiornikiem dopasowania.

Autor: Unknown