Prąd elektryczny
1. Na czym polega przepływ prądu elektrycznego w ciałach stałych, cieczach i gazach.
Nauka o elektryczności bierze początek w starożytności od obserwacji związanej z elektryzowaniem przez pocieranie Dwadzieścia pięć wieków temu Tales z Miletu spostrzegł, że potarty suknem bursztyn przyciąga, drobne ciała. Po upływie 2100 lat, angielski filozof i fizyk William Gilbert, stwierdził, że wiele innych ciał zachowuje się po potarciu podobnie jak bursztyn. Gilbert wprowadził do języka polskiego słowo "elektryczność". Nazwa Elektryczność pochodzi do greckiego słowa elektron (bursztyn).
Czynność pocierania o siebie ciał, w wyniku której ciała uzyskują taką właściwość jak potarty o sukno bursztyn, czyli właściwość przyciągania drobnych ciał, nazywamy elektryzowaniem przez potarcie.
Obserwując naelektryzowanie ciał za pomocą neonówki elektryzuje się substancje (nacieramy Np. o gazetę), następnie przykładamy do niej, neonówkę wtedy usłyszymy lekkie trzaski i można zaobserwować świecenie gazu w neonówce. Świecenie to wskazuje, że ciała podczas nacierania naelektryzowały się.
Podczas badania oddziaływań naelektryzowanych ciał zaobserwowaliśmy dwa rodzaje oddziaływań na odległość ciał naelektryzowanych- przyciąganie i odpychanie. Wynika to stąd, że ciała naelektryzowane mają pewną właściwości, od, której zależy charakter oddziaływań. Tę właściwość nazywamy ładunkiem elektrycznym.
Istnieją dwa rodzaje ładunków elektrycznych. Ładunek dodatni oznaczamy znakiem plus i ładunek ujemny oznaczamy znakiem minus. Ładunki tego samego znaku nazywamy ładunkiem jednoimiennym, a ładunki przeciwnego znaku- różnoimiennym.
Ładunki jednoimienne odpychają się. Ładunki różnoimienne przyciągają się.
Do końca ubiegłego stulecia nie przypuszczano, że mogą istnieć cząstki o masie mniejszej od masy atomu wodoru. Dopiero Joseph John Thomson w roku 1897, badając przepływ prądu elektrycznego w gazach rozszerzonych, odtruł cząstki o ujemnym ładunku elektrycznym. Później dla pojedynczej cząstki przyjęła się nazwa elektron
Przewodnictwo elektryczne to zjawisko przepływu ładunków elektrycznych (prąd elektryczny) pod wpływem pola elektrycznego. Ze względu na wielkość oporności elektrycznej właściwej materiały dzieli się na izolatory (dielektryki), półprzewodniki i przewodniki.
Pod względem mechanizmu mikroskopowego przewodnictwo elektryczne dzieli się na elektronowe (zachodzi w metalach i półprzewodnikach), jonowe (w gazach, cieczach i kryształach jonowych) oraz mieszane (w plazmie). Przewodnictwo elektryczne jest jednym z zagadnień teorii transportu.
Woda to związek chemiczny występujący w wielkiej obfitości na Ziemi. Woda jest dobrym izolatorem, ale zanieczyszczona domieszkami w mniejszym lub większym stopniu przewodzi prąd. Niewątpliwie, zatem domieszki rozpuszczone w wodzie decydują o jej przewodnictwie elektrycznym.
Pierwszym uczonym, który prowadził badania nad przepływem prądu przez wodne roztwory, był żyjący w latach 1791-1867 genialny samouk, Anglik Michael Faraday. On właśnie zauważył, że prąd elektryczny płynąc przez wodne roztwory soli, kwasów i zasad zachowuje się zupełnie inaczej niż przepływając przez ciała stałe. O ile mianowicie pod wpływem prądu w ciałach stałych nie zachodzą żadne chemiczne zmiany – o tyle w roztworach wodnych ww. związków zachodzą pewne reakcje chemiczne zwane rozkładem.
W kilkadziesiąt lat później zainteresował się tą sprawą pewien szwedzki uczony, Svante Arrhenius. Dalsze badania przepływu prądu w cieczach doprowadziły go do odkrycia praw rządzących tym przepływem i do wyjaśnienia, na czym właściwie polega wspomniany rozkład.
Cząstka każdego kwasu składa się z wodoru i tzw. reszty kwasowej. Cząstkę każdej zasady stanowi jakiś metal i powiązanie chemiczne wodoru z tlenem, zwane grupą wodorotlenową. Sól chemiczna jest wynikiem chemicznego działania jakiegoś kwasu na zasadę – dlatego w skład cząsteczki każdej soli wchodzi zawsze jakiś metal oraz wspomniana reszta kwasowa. W stanie suchym owe składniki kwasów, zasad i soli są ze sobą ściśle powiązane. Nie wykazują przy tym przewagi żadnego ładunku elektrycznego pozostają, więc elektrycznie obojętne. Z chwilą jednak zanurzenia w wodzie któregoś z tych ciał, z jego cząstkami zaczyna się dziać coś niezwykłego. Następuje natychmiastowy ich rozkład na poszczególne składniki, przy czym składniki te przestają być obojętne elektrycznie, wykazując wyraźną przewagę ładunków elektrycznych odmiennych znaków. Wodór mianowicie i metale wykazują ładunki dodatnie, reszty kwasowe zaś i grupy wodorotlenowe – ładunki ujemne. Otóż taki rozkład zanurzonych w wodzie cząstek kwasów, zasad i soli naukowcy nazywają dysocjacją elektrolityczną. Produktom zaś tego rozkładu w postaci atomów i grup atomów wykazujących ładunki różnych znaków dano nazwę jonów. Mamy, więc tu do czynienia z jonami dodatnimi (wodór i metale) i ujemnymi (reszty kwasowe i grupy wodorotlenowe). Sam zaś wodny roztwór kwasów, zasad czy soli nosi nazwę elektrolitu.
2. Dlaczego oporniki stawiają opór dla prądu elektrycznego.
Metale zbudowane są z atomów obojętnych elektrycznie. Jednakże elektrony znajdujące się najbliżej zewnętrznej części atomu są z nimi słabo związane. Bliskość atomów w metalu doprowadza do tego, że zewnętrzne elektrony są wspólne i wypełniają przestrzeń miedzy dodatnimi jonami. Jony są ułożone w regularna strukturę, która nazywa się siecią krystaliczna. Różne metale mogą mieć różną sieć krystaliczną i inna liczbę swobodnych elektronów, które mogą przemieszczeń się miedzy jonami. Dlatego opór opornika zależy od rodzaju metalu z którego jest wykonany.
Drogą elektronów jest linia łamana, bo zderza się z jonami i innymi elektronami, które mają taki sam cel jak on. Jony drgają, a amplituda tych drgań jest tym większa, im wyższa jest temperatura. Istota zjawiska oporu elektrycznego polega, więc na zderzeniach elektronów z dodatnimi jonami.
3.Cieplne skutki przepływu prądu elektrycznego.
Większość oporników prądu elektrycznego, nagrzewa się, gdy płynie przez nie prąd. Zazwyczaj elementem przewodzącym jest opornik. Elektron porusza się po linii łamanej, bo zderza się z jonami i innymi elektronami. W czasie zderzeń oddaje im cześć swojej energii kinetycznej, jednakże nie prowadzi to do zatrzymania się elektronu. Elektron jest wciąż pod działaniem siły pola elektrycznego. Podczas zderzeń elektronów z jonami energia źródła prądu jest zamieniana na energie drgań jonów w sieci krystalicznej. Elektrony oddają swoją energię, którą uzyskały dzięki siłom pola elektrycznego. Przyrost energii wewnętrznej przewodnika jest równy pracy, jaka wykonują siły pola, przesuwając ładunek.
W efekcie przepływu prądu przewodnik ogrzewa się, wzrasta jego temperatura i może on oddawać swoją energię otoczeniu w formie ciepła. Prąd elektryczny wykonuje prace, bo zamienia energie źródła na energię wewnętrzną przewodnika, a ta w formie ciepła przekazywana jest otoczeniu.
4. Szeregowe, równoległe i mieszane łączenie oporników.
Szeregowe:
W połączeniu szeregowym, przez wszystkie oporniki R1, R2, R3, płynie prąd o takim samym natężeniu I.
Napięcie U pomiędzy początkiem pierwszego i końcem ostatniego opornika (napięcie całkowite) jest równe sumie napięć na poszczególnych opornikach.
Układ szeregowy oporników nazywany jest często dzielnikiem napięcia, ponieważ napięcie całkowite przyłożone do obwodu dzieli się na poszczególne oporniki i jest zależne od ich oporów (rezystancji).
Równoległe:
W połączeniu równoległym wszystkie oporniki mają wspólne początki i końce, dlatego
na każdym oporniku panuje takie samo napięcie U.
Prąd I dopływający do węzła w punkcie A (zgodnie z I prawem Kirchhoffa) jest równy sumie prądów wypływających z tego węzła I1, I2, I3.
Natomiast w punkcie B, do węzła dopływają prądy I1, I2, I3 a wypływa tylko prąd o natężeniu I będący sumą prądów wpływających z węzła B.
Mieszane:
Połączenie mieszane oporników jest kombinacją dwóch metod łączenia oporów:
• połączenia szeregowego
• i połączenia równoległego.
Na powyższym schemacie przedstawiony jest układ dziewięciu oporników połączonych ze sobą sposobem mieszanym. W punkcie A prąd I rozpływa się w trzech kierunkach tworząc trzy rozgałęzienia (gałęzie oznaczone są za pomocą żółtych prostokącików).