Prąd stały

Prąd stały jest to taki prąd, którego wartość natężenie nie ulega zmianie w funkcji czasu. Jednostką natężenia prądu w układzie SI jest równa 1 amper.

W przyrodzie występują dwa rodzaje ładunków elektrycznych: ładunki dodatnie i ładunki ujemne. Ładunki jednoimienne odpychają się, a różnoimienne przyciągają się. Podstawowym ładunkiem, tzw. elementarnym, jest ładunek jednego elektronu. Umownie zaznaczamy go jako “e”. Pozostałe ładunki są jego wielokrotnością i zaznaczamy je q lub Q. Często mówi się, że ciało naelektryzowane jest dodatnio - ma większą ilość ładunków dodatnich ponad ilość swobodnych ładunków ujemnych (elektronów) lub ujemnie - ma większą ilość elektronów niż liczba ładunków dodatnich (protonów). Przy równej liczbie protonów i elektronów mówimy, że ciało jest nienaelektryzowane.

Prąd elektryczny

Prąd elektryczny jest to uporządkowany ruch ładunków elektrycznych. Nośnikami energii elektrycznej w przewodnikach są elektrony. W cieczach mogą to być jony dodatnie lub ujemne.
Warunkiem płynięcia prądu jest różnica potencjałów w przewodnikach. Przyjęto, że prąd w przewodnikach płynie od wyższego do niższego potencjału. W metalach przepływ prądu jest to uporządkowany ruch elektronów (ładunek ujemny). Za kierunek płynięcia prądu przyjmujemy kierunek odwrotny czyli od + do -.
Natężenie prądu elektrycznego jest to stosunek ładunku, jaki przepłynął przez poprzeczny przekrój przewodnika do czasu, w jakim ten przepływ nastąpił.

W prądzie stałym natężenie prądu nie zależy od czasu.

Elektroliza to przepływ prądu elektrycznego przez elektrolit, któremu towarzyszą różne procesy chemiczne.
Elektrolity to wszystkie związki chemiczne, które przy zastosowaniu rozpuszczalnika przewodzą prąd elektryczny.
Dysocjacja elektrolityczna to rozpad cząsteczek kwasów, zasad i soli na jony pod wpływem rozpuszczalnika.
Ogniwo galwaniczne to układ dwu elektrod wykonanych z różnych związków chemicznych tak dobranych, że po zanurzeniu w elektrolicie przewodzą prąd elektryczny.

Prawa elektrolizy Faradaya

I prawo
Masa substancji wydzielonej na elektrodzie jest wprost proporcjonalna do natężenia prądu płynącego przez elektrolit i do czasu trwania elektrolizy (iloczyn natężenia prądu i czasu to ładunek).
k - równoważnik elektrochemiczny

II prawo
Określa równoważnik elektrochemiczny
F = Ne e
F - stała Faradaya
- masa molowa
- wartościowość
- liczba Avogadra
e - ładunek elementarny

Prawo Ohma

Włączając opornik, amperomierz i woltomierz do obwodu prądu stałego możemy dla danego opornika zmierzyć zależność natężenia prądu od napięcia.

Należy zwrócić uwagę, że amperomierz włączamy do obwodu szeregowo, a woltomierz równolegle. Po dokonaniu pomiarów można przedstawić charakterystykę prądowo-napięciową.
I
U
Zależność między napięciem a natężeniem jest wprost proporcjonalna, przy czym współczynnikiem proporcjonalności jest odwrotność oporu. Stosunek napięcia mierzonego na końcach przewodnika do natężenia prądu płynącego przez przewodnik jest stała (zakładamy stałą temperaturę przewodnika). Jednocześnie należy podkreślić, że opór nie zależy ani od napięcia, ani od natężenia. Opór zależy natomiast od własności samego przewodnika i jest wprost proporcjonalny do długości l przewodnika, a odwrotnie proporcjonalny do pola przekroju s przewodnika. Współczynnikiem proporcjonalności jest opór właściwy przewodnika (wielkość ta jest charakterystyczna dla danego materiału).

Każde ogniwo charakteryzują dwie wielkości:
E - siła elektromotoryczna ogniwa
r - opór wewnętrzny ogniwa

Możemy określić w ten sposób prawo Ohma dla obwodu zamkniętego. Natężenie prądu płynącego w obwodzie jest wprost proporcjonalne do siły elektromotorycznej, a odwrotnie proporcjonalne do całkowitego oporu w obwodzie.

Łączenie ogniw
- szeregowo
- równolegle

Siła elektromotoryczna
Siła elektromotoryczna ogniwa E określa wartość pracy W, jaką musi wykonać ogniwo w celu przesunięcia ładunku q do wartości tego ładunku.

Pomimo takiej nazwy, siła elektromotoryczna nie ma nic wspólnego z jednostką siły. Jej wielkość mierzymy w voltach [V] i odpowiada ona napięciu, jakie panuje między biegunami źródła, gdy nie płynie przez nie prąd elektryczny.

Prawa Kirchhoffa
I prawo Suma natężeń prądów wpływających do danego węzła sieci równa jest sumie natężeń prądów wypływających z węzła sieci.
II prawo Suma wszystkich sił elektromotorycznych i spadków napięć w oczku sieci jest równa zeru.

Gdyby okazało się, że założony kierunek nie jest zgodny z kierunkiem płynięcia prądu należy przed iloczynem I i R wstawić znak “-”.

Praca, moc prądu elektrycznego
Z pola elektrostatycznego znamy wzór określający pracę potrzebną do przesunięcia ładunku między dwoma punktami.
W = q (V2 - V1)
różnica potencjałów to nic innego jak napięcie U
W = q U
jednocześnie z definicji natężenia prądu możemy wyliczyć ładunek
q = I t
i wstawić go do wzoru na pracę
W = U I t Wzór ten łatwo jest zapamiętać !
Do wzoru tego swobodnie możemy podstawiać wielkości z prawa Ohma

Przy tej okazji dobrze byłoby wspomnieć treść prawa Joule’a
Przepływowi prądu elektrycznego towarzyszy wydzielanie się ciepła, które równe jest iloczynowi napięcia na końcach przewodnika, natężenia prądu i czasu przepływu tego prądu. Q = W = U I t

Doświadczenie:
Ładujemy 2 elektroskopy. Następnie łączymy je przewodnikiem. Naładowane elektroskopy. Wytwarzają pole elektromagnetyczne. Gdy w tym polu znajdzie się metalowy przewodnik, to pod wpływem pola elektrostatycznego. Zostaje uporządkowany chaotyczny ruch elektronów. Wszystkie elektrony będą dążyły w jednym kierunku. Ze stałą prędkością tzw. Prędkością nośną elektronu.
Ten uporządkowany ruch elektronów swobodnych zachodzący pod wpływem pola elektrostatycznego nazywamy prądem elektrycznym Przepływ prądu poznajemy po jego skutkach : cieplne ,świetlne ,chemiczne ,magnetyczne, mechaniczne Zjawisko osadzania się na elektrodach produktów rozpadu elektrolitów nazywamy elektrolizą. Dobrymi przewodnikami prądu są :metale, węgiel, elektrolity i zjonizowane gazy.

Wpływ prądu elektrycznego na organizm człowieka:
- działanie prądu na organizm człowieka można rozpatrzyć w kilku rodzajach np. cieplne, chemiczne, biologiczne lub zmiany elektrolityczne.
- Im dłuższy jest czas przepływu prądu przez organizm tym większe zmiany mogą nastąpić w organizmie

Prąd stały działa na organizm człowieka inaczej niż prąd zmienny. Prąd zmienny przemieszczając się przez organizm człowieka, prowadzi do stężenia jonów w komórkach i przestrzeniach międzykomórkowych , a bardzo dużo zależy od ich stężenia. Zbyt długi przepływ prądu zmiennego przez organizm człowieka prowadzi do poważnych zmian komórkowych w mięśniach, komórek nerwowych a to prowadzi do zaburzeń czynności tych komórek.

Progowe wartości odczucia przepływu prądu przez elektrode trzymaną w ręku:

Dla mężczyzny:
- prąd stały 5,0 mA
- prąd przemienny (50,60Hz) , 1,1 mA

dla kobiety:
- prąd stały 3,5mA
- prąd przemienny (50,60Hz) , 0,7 mA

Prąd przemienny przepływając przez mięśnie, powoduje ich skurcz. Co powoduje że człowiek trzymający przewód lub inne narzędzie pod napięciem doznaje skurczu mięśni, zginają mu się palce na wskutek czego powstaje uścisk zwany ( przymarzaniem), co powoduje trudność oderwania ręki od tej rzeczy.

Wartość prądu ( samo uwolnienia ) wynosi:
Dla mężczyzny : 16mA
Dla kobiety : 10,5mA

Przyjęto górną bezpieczną granicę prądu oderwania 10,12mA przy prądzie przemiennym 50Hz. Skutki przepływu prądu przez ciało człowieka zależy od wartości, rodzaju prądu i jego częstotliwości. Zależy też od drogi przepływu przez organizm człowieka a także od stanu zdrowia porażonego. Jednak gdy chodzi o niebezpieczeństwo porażeń, decydującą role odgrywa czas i wartość prądu przepływającego przez organizm człowieka. Prąd przepływający przez ciało wpływa na wartość rezystancji wewnętrznej ciała.

PIERWSZA POMOC DLA PORAŻONEGO :
- odcięcie porażonego od źródła prądu ( wyłączenie napięcia elektrycznego w pomieszczeniu gdzie nastąpiło porażenie)
- oderwanie porażonego od miejsca porażenia ( najlepiej rzeczą odizolowaną, żeby samemu nie zostać porażonym )
- rozpięcie wszystkich pasków porażonemu, oraz rozpięcie koszuli pod szyją ( jak nie ma koszuli rozerwać ubranie)
- udostępnić porażonemu dopływ świeżego powietrza
- usytuować porażonego w położeniu ( głowa niżej nóg )
- przystąpić do reanimacji
Jednak najlepszym ratunkiem dla porażonego jest nie dopuścić do takiej sytuacji, wystarczy przestrzegać instrukcji BHP każdego urządzenia. Stosować zabezpieczenia pomocy ochronnej, typu rękawice i chodniki dielektryczne. Są to stroje i chodniczki ochronnej o bardzo słabej przewodności elektrycznej.

BIBLIOGRAFIA :
- „Fizyka” tom I - Jay Orear.