1. Z czego są zbudowane ciała?

Każde ciało składa się z atomów, a każdy atom z ujemnie naładowanych elektronów i dodatnio naładowanego jądra, które z kolei składa się z dodatnio naładowanych protonów i obojętnych (czyli nienaładowanych) neutronów. Elektrony krążą wokół jądra. Jako całość atom jest obojętny elektrycznie – ładunki ujemne i dodatnie idealnie się równoważą. Atomy łączą się w większe całości zwane cząsteczkami. I one jako całość są obojętne. Z takich atomów lub cząsteczek składają się wszystkie ciała stałe, gazy i ciecze. Jednak czasami pod wpływem zderzeń a to atom utraci elektron, stając się dodatnio naładowanym jonem, a to cząsteczka się rozpadnie na jon dodatni i ujemny, bo jeden elektron albo więcej elektronów przejdzie z jednego atomu na drugi. Widzimy to na rysunkach:

2. Jaka jest wewnętrzna budowa przewodników?

Ciała możemy podzielić na przewodniki i izolatory. Przyjrzyjmy się uważniej budowie przewodników. Najczęściej wykorzystywanymi przewodnikami są metale. Atomy są w nich poustawiane bardzo porządnie. Nie mają swobody ruchu. Siła ich wzajemnego oddziaływania trzyma je na miejscu i pozwala tylko na niewielkie drgania. Elektrony, które znajdują się najdalej od jądra atomowego (tak zwane elektrony walencyjne), łatwo odrywają się od swych atomów, a ponieważ siły działające na te elektrony ze strony wszystkich atomów metalu mniej więcej się równoważą, elektrony te mogą swobodnie sobie hasać po całym przewodniku. Stają się jak gdyby wspólną własnością całego przewodnika, a nie tylko macierzystych atomów. Pozostałe elektrony, te które są bliżej jąder atomowych, nie są w stanie się wyrwać i pozostają przy swych macierzystych atomach.

Jeśli nie działa na te swobodne elektrony zewnętrzna siła, ich ruch jest bezładny, chaotyczny. Tak jest w metalach. Ale nie tylko w nich ładunki mają swobodę ruchu. Innym przykładem przewodników są elektrolity, czyli roztwory kwasów, zasad i soli. Cząsteczki wody działają na cząsteczki kwasów, zasad i soli jak nożyce – rozcinają je na części, z których jedna jest jonem dodatnim, a druga ujemnym. Tak jak cząsteczki wody mają one swobodę ruchu. W cieczy (inaczej niż w metalach) nie ma sił, które mogłyby unieruchomić cząsteczki.

3. Co to jest prąd elektryczny?

Wiemy już, że ciała, które jako całość są elektrycznie obojętne, kryją w swym wnętrzu ładunki obydwu znaków. Wiemy też, że istnieją ciała zwane przewodnikami, gdzie niektóre z tych ładunków (elektronów lub jonów) mają swobodę ruchu. Ruch tych nośników ładunku jest chaotyczny. Jeżeli jednak jakiś czynnik zewnętrzny uporządkuje ruch ładunków, mamy do czynienia z prądem elektrycznym.

Co to jest ruch uporządkowany?

W jeziorze woda jakoś się porusza, ale w różnych miejscach robi to w różnym kierunku. W rzece woda porusza się w jednym kierunku. To jest właśnie ruch uporządkowany. Mówi się czasem nurt rzeczny albo nawet prąd rzeczny. Podobnie jest z prądem elektrycznym. Albo jeszcze jedno porównanie. Wyobraź sobie, że jesteś w hiszpańskim mieście na ulicy. Trwa festyn. Ludzie chodzą chaotycznie z miejsca na miejsce, potrącając się wzajemnie. Wreszcie następuje główna atrakcja dnia: wypuszczono byki. Tłum zaczyna się poruszać w jedną stronę, byle dalej od byków biegnących ulicą. Zanim puszczono byki, ulica przypominała przewodnik, w którym nie płynie prąd. Ludzie to swobodne nośniki ładunku. Byki wymuszają uporządkowany ruch tłumu. Z takim uporządkowanym ruchem ładunków mamy do czynienia w czasie przepływu prądu przez przewodnik.
Trzeba podkreślić, że podczas przepływu prądu ładunki nie poruszają się aż tak porządnie jak wojsko na defiladzie, ale raczej jak popędzany, biegnący tłum. Jest to na dodatek bieg z przeszkodami, bo przecież na drodze elektronom stoją nieruchome dodatnie jony metalu.

Podsumujmy
Prąd elektryczny to uporządkowany ruch ładunków elektrycznych.

4. Jaki jest kierunek prądu elektrycznego?

Kierunek prądu określa się umownie jako kierunek ruchu ładunków dodatnich. Jeśli nośnikami prądu są ładunki ujemne, to kierunek prądu jest przeciwny do kierunku ruchu ładunków. Tak ludzie umówili się, by określać kierunek przepływu prądu.

5. Jaka wielkość fizyczna opisuje ilościowo przepływ prądu elektrycznego?

Tą wielkością jest natężenie prądu. Często gdy rozważamy intensywność jakiegoś zjawiska, mówimy o natężeniu, np. o natężeniu ruchu ulicznego. Natężenie ruchu ulicznego jest tym większe, im więcej samochodów przejedzie ulicą w jednostce czasu. Podobnie jest z natężeniem prądu. Jeśli w ciągu sekundy przez przewodnik przepłynie duży ładunek, mówimy, że w przewodniku jest duże natężenie prądu. Jeśli zaś w ciągu jednostki czasu przepłynie niewielki ładunek, to i natężenie prądu jest nieduże. Możemy więc powiedzieć, że natężenie prądu to ładunek elektryczny, przepływający przez przewodnik w jednostce czasu.

Jak obliczyć natężenie prądu?
Jeżeli na przykład w czasie t = 7 s przepłynie ładunek 14 kulombów, to na jedną sekundę przypadają 2 kulomby. By dowiedzieć się, ile kulombów przypada na jednostkę czasu, należy ładunek, który przepłynął, podzielić przez czas przepływu. Zatem natężenie prądu to stosunek przepływającego ładunku do czasu jego przepłynięcia. Ta sama definicja w postaci wzoru:

Jednostką natężenia prądu jest amper. Prąd ma natężenie jednego ampera, gdy ładunek jednego kulomba przepływa przez przewodnik w czasie jednej sekundy.

Natężenie prądu mierzy się za pomocą przyrządu zwanego amperomierzem.

6. I prawo Kirchhoffa

Pierwsze prawo Kirchhoffa wynika z zasady zachowania ładunku, która mówi, że nie jest możliwe, by ładunek powstawał lub ginął. Często przewody, którymi płynie prąd, trzeba połączyć. Punkt, w którym się przewody łączą, nazwiemy węzłem. Część prądów do węzła wpływa, a część wypływa z niego. Pierwsze prawo Kirchhoffa mówi, że gdy zsumujemy natężenia prądów wpływających i oddzielnie natężenia prądów wypływających z dowolnego węzła, to wyjdzie tyle samo. Korzystając z „wodnego porównania”, można powiedzieć, że jeśli połączymy ze sobą kilka rur i niektórymi będziemy tłoczyć wodę, to pozostałymi woda będzie odpływać w dokładnie takiej ilości, jaka będzie wtłaczana.

7. Dlaczego prąd płynie?

Prąd to uporządkowany ruch ładunków. Pytanie: jak można ruch ładunków uporządkować? Trzeba je jakoś do tego zmusić. Tak jak np. byki zmusiły tłum do uporządkowanego ruchu. Pamiętasz, że ładunki jednoimienne się odpychają, a różnoimienne przyciągają. Jeśli na jednym końcu przewodnika zgromadzi się ładunek ujemny a na drugim dodatni, to elektrony będą poruszać się jak na rysunku:

Elektryzowanie końców przewodnika nie zda się jednak na wiele, bo dopływające elektrony zobojętniałyby ładunki i siła przestałaby działać. Trzeba więc ten stan jakoś podtrzymywać. Do tego służy źródło prądu. Ma ono dwa bieguny albo inaczej zaciski (to są te blaszki w płaskiej bateryjce), do których podłącza się przewody. Ono powoduje separację ładunku – męczy się, wykonuje pracę, by rozdzielić ładunki i je w takim stanie utrzymywać. Rozdzielone ładunki działają siłami na elektrony znajdujące się w przewodnikach podłączonych do źródła. Siły te wprawiają je w ruch i prąd płynie. Zderzenia z atomami psują nieustannie ten uporządkowany ruch ładunków, ale siły elektryczne na powrót porządek przywracają.

8. Jakie zadanie ma źródło prądu?

Wyobraź sobie dwa zbiorniki wodne. Między nimi może przepływać woda. Może, ale nie musi. Zastanówmy się, kiedy będzie przepływać. Wtedy, gdy będzie różnica poziomów między zbiornikami. Będzie przepływać, ale w trakcie przepływu w jednym zbiorniku poziom się będzie obniżał, a w drugim wzrastał i w końcu się wyrównają. Przepływ się skończy. Jak zmusić wodę, by znów zaczęła płynąć? Należy wytworzyć różnicę poziomów. Jak to zrobić? Należy podłączyć pompę i przepompowywać nieustannie wodę z jednego zbiornika do drugiego. Wytworzy to różnicę poziomów wody między zbiornikami, a już siła grawitacji zmusi wodę do płynięcia od wyższego do niższego poziomu.

Skojarz!
W przepływie prądu jest podobnie. Zamiast zbiorników mamy przewodnik lub odbiornik prądu (na przykład żelazko), rury, którymi płynie woda to przewody, a pompa to źródło prądu. Pompa ma za zadanie dostarczać wodzie energii, która nieustannie tracona jest w wyniku tarcia (zmienia się w ciepło). Źródło prądu ma podobne zadanie. Ma uzupełniać zasób energii w obwodzie elektrycznym. Jest ona tracona, a dokładnie zamieniana w ciepło w wyniku zderzeń elektronów z atomami. Dlaczego źródło prądu może dostarczać prądowi energii? Bo ma jej własne zasoby. Jaka to jest energia? To zależy, z jakim źródłem prądu mamy do czynienia.

Źródło prądu

  • dynamo rowerowe
    To źródło działa dzięki energii mechanicznej.
  • bateria, akumulator
    To źródło działa dzięki energii chemicznej.
  • fotoogniwo
    To źródło działa dzięki energii świetlnej.

Różnica poziomów między zbiornikami przypomina pewną ważną wielkość fizyczną – napięcie.

9. Co to jest napięcie?

Różnica poziomów między zbiornikami sprawia, że woda spada na niższy poziom. Dlaczego spada? Bo działa siła grawitacji. Siła ta, działając na porcję wody, wykonuje pewną pracę. Pracę liczymy, mnożąc siłę przez przesunięcie spowodowane nią. Mamy tu siłę i mamy przesunięcie, więc siła grawitacji wykonuje pracę nad porcją wody. Podobnie jest w przypadku prądu. Na elektrony w przewodniku działa siła elektryczna. Siła ta przesuwa ładunki w przewodniku. Zatem siła ta wykonuje pewną pracę.

Zapamiętaj!
Napięcie elektryczne między końcami przewodnika to praca, jaką wykonują siły elektryczne przy przesunięciu wewnątrz przewodnika ładunku jednego kulomba.

Definicja napięcia w postaci wzoru:

Jednostką napięcia jest wolt (skrót V).

Definicja
1 wolt (1 V) jest różnicą potencjałów elektrycznych pomiędzy dwoma punktami przewodu liniowego, w którym płynie niezmieniający się prąd o natężeniu jednego ampera (1 A), zaś moc pobierana pomiędzy tymi punktami jest równa jednemu watowi (1 W).

10. Jakie mogą być skutki przepływu prądu?

  • cieplne
    Elektrony w spirali żelazka zderzają się nieustannie z atomami, pobudzając je do drgań. Zwiększone drgania atomów równoznaczne są ze zwiększeniem temperatury spirali żelazka.
  • mechaniczne
    Płynący w silniku prąd w silniku oddziałuje z magnesami na ruchome części sinika, powodując ich obrót.
  • świetlne
    Elektrony zderzając się z atomami włókna żarówki, podgrzewają je, pobudzając do świecenia.
  • magnetyczne
    Płynący w uzwojeniach elektromagnesu prąd elektryczny powoduje powstanie pola magnetycznego w żelaznym rdzeniu.
  • chemiczne
    Przepływ prądu przez wodny roztwór kwasu siarkowego powoduje rozpad cząsteczek wody oraz wydzielanie się wodoru i tlenu.

 

11. Jak obliczyć pracę wykonaną przez prąd elektryczny i jego moc?

By obliczyć, jaką pracę wykona prąd lub jaka energia się w wyniku jego przepływu wydzieli, należy skorzystać z prawa Joule’a-Lenza. Mówi ono, że energia prądu wydzielana w jakimś odbiorniku prądu czy to w postaci ciepła, czy pracy lub innych jeszcze form, jest równa iloczynowi napięcia na tym odbiorniku, natężenia prądu przezeń płynącego i czasu jego przepływu.

W = UIt

Moc to praca podzielona przez czas jej wykonywania.

Zatem moc prądu wyraża się wzorem

P = UI

 

 

Zadanie, które może pojawić się na sprawdzianie

Przez czajnik elektryczny płynie prąd o natężeniu 4 A, pod napięciem 220 V. Przez 10 minut w czajniku gotuje się woda. Jakie ciepło pochłonie woda, jeżeli całe ciepło wydzielone w spirali czajnika poszło na ogrzanie wody?

Rozwiązanie
Należy skorzystać z prawa Joule’a-Lenza. Przedtem zamieńmy minuty na sekundy.

10 min = 10 . 60 s = 600 s

Teraz wystarczy podstawić do wzoru W = UIt. Praca wykonana przez prąd zamienia się w ciepło.

W = 220 V . 4 A . 600 s = 528 000 J

Sprawdźmy, czy to rzeczywiście wyjdzie w dżulach.

Zgadza się.