Przejdź do treściPrzejdź do informacji o dostępnościMenu skrótów klawiszowych
Logo OpenStax

Menu
Spis treści
  1. Przedmowa
  2. Termodynamika
    1. 1 Temperatura i ciepło
      1. Wstęp
      2. 1.1 Temperatura i równowaga termiczna
      3. 1.2 Termometry i skale temperatur
      4. 1.3 Rozszerzalność cieplna
      5. 1.4 Przekazywanie ciepła, ciepło właściwe i kalorymetria
      6. 1.5 Przemiany fazowe
      7. 1.6 Mechanizmy przekazywania ciepła
      8. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
    2. 2 Kinetyczna teoria gazów
      1. Wstęp
      2. 2.1 Model cząsteczkowy gazu doskonałego
      3. 2.2 Ciśnienie, temperatura i średnia prędkość kwadratowa cząsteczek
      4. 2.3 Ciepło właściwe i zasada ekwipartycji energii
      5. 2.4 Rozkład prędkości cząsteczek gazu doskonałego
      6. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
    3. 3 Pierwsza zasada termodynamiki
      1. Wstęp
      2. 3.1 Układy termodynamiczne
      3. 3.2 Praca, ciepło i energia wewnętrzna
      4. 3.3 Pierwsza zasada termodynamiki
      5. 3.4 Procesy termodynamiczne
      6. 3.5 Pojemność cieplna gazu doskonałego
      7. 3.6 Proces adiabatyczny gazu doskonałego
      8. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
    4. 4 Druga zasada termodynamiki
      1. Wstęp
      2. 4.1 Procesy odwracalne i nieodwracalne
      3. 4.2 Silniki cieplne
      4. 4.3 Chłodziarki i pompy ciepła
      5. 4.4 Sformułowania drugiej zasady termodynamiki
      6. 4.5 Cykl Carnota
      7. 4.6 Entropia
      8. 4.7 Entropia w skali mikroskopowej
      9. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
  3. Elektryczność i magnetyzm
    1. 5 Ładunki i pola elektryczne
      1. Wstęp
      2. 5.1 Ładunek elektryczny
      3. 5.2 Przewodniki, izolatory i elektryzowanie przez indukcję
      4. 5.3 Prawo Coulomba
      5. 5.4 Pole elektryczne
      6. 5.5 Wyznaczanie natężenia pola elektrycznego rozkładu ładunków
      7. 5.6 Linie pola elektrycznego
      8. 5.7 Dipole elektryczne
      9. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
    2. 6 Prawo Gaussa
      1. Wstęp
      2. 6.1 Strumień pola elektrycznego
      3. 6.2 Wyjaśnienie prawa Gaussa
      4. 6.3 Stosowanie prawa Gaussa
      5. 6.4 Przewodniki w stanie równowagi elektrostatycznej
      6. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
    3. 7 Potencjał elektryczny
      1. Wstęp
      2. 7.1 Elektryczna energia potencjalna
      3. 7.2 Potencjał elektryczny i różnica potencjałów
      4. 7.3 Obliczanie potencjału elektrycznego
      5. 7.4 Obliczanie natężenia na podstawie potencjału
      6. 7.5 Powierzchnie ekwipotencjalne i przewodniki
      7. 7.6 Zastosowanie elektrostatyki
      8. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
    4. 8 Pojemność elektryczna
      1. Wstęp
      2. 8.1 Kondensatory i pojemność elektryczna
      3. 8.2 Łączenie szeregowe i równoległe kondensatorów
      4. 8.3 Energia zgromadzona w kondensatorze
      5. 8.4 Kondensator z dielektrykiem
      6. 8.5 Mikroskopowy model dielektryka
      7. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
    5. 9 Prąd i rezystancja
      1. Wstęp
      2. 9.1 Prąd elektryczny
      3. 9.2 Model przewodnictwa w metalach
      4. 9.3 Rezystywność i rezystancja
      5. 9.4 Prawo Ohma
      6. 9.5 Energia i moc elektryczna
      7. 9.6 Nadprzewodniki
      8. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
    6. 10 Obwody prądu stałego
      1. Wstęp
      2. 10.1 Siła elektromotoryczna
      3. 10.2 Oporniki połączone szeregowo i równolegle
      4. 10.3 Prawa Kirchhoffa
      5. 10.4 Elektryczne przyrządy pomiarowe
      6. 10.5 Obwody RC
      7. 10.6 Instalacja elektryczna w domu i bezpieczeństwo elektryczne
      8. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
    7. 11 Siła i pole magnetyczne
      1. Wstęp
      2. 11.1 Odkrywanie magnetyzmu
      3. 11.2 Pola magnetyczne i ich linie
      4. 11.3 Ruch cząstki naładowanej w polu magnetycznym
      5. 11.4 Siła magnetyczna działająca na przewodnik z prądem
      6. 11.5 Wypadkowa sił i moment sił działających na pętlę z prądem
      7. 11.6 Efekt Halla
      8. 11.7 Zastosowania sił i pól magnetycznych
      9. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
    8. 12 Źródła pola magnetycznego
      1. Wstęp
      2. 12.1 Prawo Biota-Savarta
      3. 12.2 Pole magnetyczne cienkiego, prostoliniowego przewodu z prądem
      4. 12.3 Oddziaływanie magnetyczne dwóch równoległych przewodów z prądem
      5. 12.4 Pole magnetyczne pętli z prądem
      6. 12.5 Prawo Ampère’a
      7. 12.6 Solenoidy i toroidy
      8. 12.7 Magnetyzm materii
      9. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
    9. 13 Indukcja elektromagnetyczna
      1. Wstęp
      2. 13.1 Prawo Faradaya
      3. 13.2 Reguła Lenza
      4. 13.3 Siła elektromotoryczna wywołana ruchem
      5. 13.4 Indukowane pola elektryczne
      6. 13.5 Prądy wirowe
      7. 13.6 Generatory elektryczne i siła przeciwelektromotoryczna
      8. 13.7 Zastosowania indukcji elektromagnetycznej
      9. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
    10. 14 Indukcyjność
      1. Wstęp
      2. 14.1 Indukcyjność wzajemna
      3. 14.2 Samoindukcja i cewki indukcyjne
      4. 14.3 Energia magazynowana w polu magnetycznym
      5. 14.4 Obwody RL
      6. 14.5 Oscylacje obwodów LC
      7. 14.6 Obwody RLC
      8. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
    11. 15 Obwody prądu zmiennego
      1. Wstęp
      2. 15.1 Źródła prądu zmiennego
      3. 15.2 Proste obwody prądu zmiennego
      4. 15.3 Obwody szeregowe RLC prądu zmiennego
      5. 15.4 Moc w obwodzie prądu zmiennego
      6. 15.5 Rezonans w obwodzie prądu zmiennego
      7. 15.6 Transformatory
      8. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
    12. 16 Fale elektromagnetyczne
      1. Wstęp
      2. 16.1 Równania Maxwella i fale elektromagnetyczne
      3. 16.2 Płaskie fale elektromagnetyczne
      4. 16.3 Energia niesiona przez fale elektromagnetyczne
      5. 16.4 Pęd i ciśnienie promieniowania elektromagnetycznego
      6. 16.5 Widmo promieniowania elektromagnetycznego
      7. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
  4. A Jednostki
  5. B Przeliczanie jednostek
  6. C Najważniejsze stałe fizyczne
  7. D Dane astronomiczne
  8. E Wzory matematyczne
  9. F Układ okresowy pierwiastków
  10. G Alfabet grecki
  11. Rozwiązania zadań
    1. Rozdział 1
    2. Rozdział 2
    3. Rozdział 3
    4. Rozdział 4
    5. Rozdział 5
    6. Rozdział 6
    7. Rozdział 7
    8. Rozdział 8
    9. Rozdział 9
    10. Rozdział 10
    11. Rozdział 11
    12. Rozdział 12
    13. Rozdział 13
    14. Rozdział 14
    15. Rozdział 15
    16. Rozdział 16
  12. Skorowidz nazwisk
  13. Skorowidz rzeczowy
  14. Skorowidz terminów obcojęzycznych

Cel dydaktyczny

W tym podrozdziale nauczysz się:
  • opisywać prąd elektryczny;
  • definiować jednostkę prądu elektrycznego;
  • wyjaśniać kierunek przepływu prądu.

Do tej pory rozważaliśmy głównie ładunki statyczne. Gdy ładunki poruszają się, ich przyspieszanie jest efektem pola elektrycznego wytworzonego przez różnicę potencjałów. Pole elektryczne wykonuje pracę nad poruszającym się ładunkiem. Jego energia potencjalna maleje w trakcie ruchu, a energia kinetyczna wzrasta.

Mimo że ruch ładunków nie jest uwarunkowany obecnością jakiegokolwiek ośrodka, to większość tego rozdziału będzie związana z zagadnieniem przepływu ładunków w pewnym ośrodku. Prędkość, z jaką ładunki przepływają przez dany punkt, czyli liczba ładunków w czasie, to natężenie prądu elektrycznego. Gdy ładunki przepływają przez pewien ośrodek, natężenie prądu zależy od przyłożonego napięcia, rodzaju materiału ośrodka, przez który przepływają, oraz stanu tego materiału. Szczególnie interesujący jest ruch ładunków w przewodzącym drucie. W poprzednim rozdziale ładunki były przyspieszane przez siłę powstałą w polu elektrycznym, w wyniku czego malała ich energia potencjalna, a rosła – kinetyczna. W tym rozdziale będziemy rozpatrywać przypadek, gdy pomimo siły powstałej dzięki polu elektrycznemu w przewodniku ładunki nie przyspieszają, ale oddają energię do materiału. Stałą prędkość ładunków w przewodniku nazywamy prędkością dryfu. Analogicznie zachowują się ciała spadające w atmosferze w polu grawitacyjnym Ziemi. Oddają one energię kinetyczną cząsteczkom otaczającego powietrza i ostatecznie ich prędkość ulega stabilizacji.

Jeśli kiedykolwiek braliście udział w szkoleniu z bezpieczeństwa lub pierwszej pomocy, na pewno słyszeliście o przypadku wstrząsu elektrycznego. Jest on skutkiem natężenia przepływającego prądu, a nie napięcia. Od natężenia prądu zależy wielkość urazu w ciele człowieka. Natężenie prądu mierzy się w jednostkach nazwanych amperami; na bezpiecznikach w domu i samochodzie można znaleźć oznaczenia amps (albo ampery). Czym jest amper i jaką wielkość fizyczną opisuje?

Definicja natężenia prądu i ampera

Natężenie prądu elektrycznego definiuje się jako prędkość przepływu ładunków. Gdy jest ono duże, takie jak niezbędne do pracy lodówki, wiele ładunków przepływa przez przewód w krótkim czasie. Jeśli natężenie prądu jest małe, jak w przypadku kalkulatora, niewiele ładunków przepływa przez obwód w długim czasie.

Prąd elektryczny

Średnie natężenie prądu elektrycznego I I jest prędkością przepływu ładunków

I śr = Δ Q Δ t , I śr = Δ Q Δ t ,
9.1

gdzie Δ Q ΔQ jest wartością ładunku przepływającego przez daną powierzchnię w czasie Δ t Δt (Ilustracja 9.2). Jednostką natężenia prądu w układzie SI jest amper (ang. ampere) oznaczany jako A A, nazwany na cześć francuskiego fizyka André-Marie Ampère’a (1775–1836). We wzorze I = Δ Q Δ t I= Δ Q Δ t , 1 A 1A jest zdefiniowany jako ładunek 1 C 1C przepływający przez daną powierzchnię w czasie 1 s 1s

1A=1Cs.1A=1Cs. \SI{1}{\ampere} = \SI{1}{\coulomb\per\second} \text{.}
9.2

Chwilowe natężenie prądu elektrycznego, lub też natężenie prądu elektrycznego (ang. electric current), jest pochodną po czasie przepływającego ładunku i wyznacza się je jako granicę ze średniej wartości natężenia prądu elektrycznego przy Δ t 0 Δ t 0

I = lim Δ t 0 Δ Q Δ t = d Q d t . I= lim Δ t 0 Δ Q Δ t = d Q d t .
9.3

Na większości urządzeń elektrycznych, takich jak bezpieczniki czy wyłączniki instalacji elektrycznej, znajdują się oznaczenia wskazujące natężenie prądu (w amperach), niezbędne do poprawnej pracy.

Lewy obraz przedstawia wyobrażenie ludzkiego kręgosłupa poddanego rezonansowi magnetycznemu. Lewy obraz jest zdjęciem urządzenia do rezonansu magnetycznego.
Ilustracja 9.2 Prędkość przepływających ładunków określa się jako natężenie prądu elektrycznego. 1 A 1 A to przepływ ładunku o wartości 1 C 1 C w ciągu 1 s 1 s . Prąd o natężeniu 1 A 1 A oznacza przepłynięcie 6,25 10 18 6,25 10 18 elektronów przez powierzchnię S S S w ciągu 1 s 1 s .

Przykład 9.1

Obliczanie średniego natężenia prądu

Głównym zadaniem akumulatora znajdującego się w samochodzie jest włączenie rozrusznika (ang. electric starter motor), który z kolei uruchamia silnik. Uruchomienie samochodu wymaga dużego natężenia prądu pobranego z baterii. Gdy silnik zostanie włączony, urządzenie zwane alternatorem przejmuje rolę dostawcy prądu elektrycznego, niezbędnego do pracy pojazdu oraz ładowania baterii.
  1. Ile wynosi średnie natężenie prądu elektrycznego, gdy akumulator samochodowy wprawia w ruch 720 C 720C ładunku w czasie 4 s 4s podczas uruchamiania pojazdu?
  2. Ile zajmie wypłynięcie z baterii ładunku 1 C 1C?

Strategia rozwiązania

Ponieważ znamy wartość ładunku i czasu, możemy wykorzystać definicję średniego natężenia prądu, opisaną wzorem I = Δ Q Δ t I= Δ Q Δ t , aby obliczyć je w punkcie (a). W punkcie (b) znamy średnie natężenie prądu, możemy więc ponownie skorzystać z definicji I = Δ Q Δ t I= Δ Q Δ t , aby obliczyć czas niezbędny do przepływu 1 C 1C ładunku z baterii.

Rozwiązanie

  1. Podstawienie podanych wartości ładunku i czasu do definicji średniego natężenia prądu daje
    I = Δ Q Δ t = 720 C 4 s = 180 C s = 180 A . I= Δ Q Δ t = 720 C 4 s = 180 C s = 180 A .
  2. Aby obliczyć czas Δ t Δt, należy przekształcić związek I = Δ Q Δ t I= Δ Q Δ t i podstawić podane wartości ładunku i natężenia prądu
    Δt=ΔQI=1C180Cs=5,5610-3s=5,56ms.Δt=ΔQI=1C180Cs=5,5610-3s=5,56ms. \prefop{\Delta} t = \frac{\prefop{\Delta} Q}{I} = \frac{\SI{1}{\coulomb}}{\SI{180}{\coulomb\per\second}} = \SI{5,56e-3}{\second} = \SI{5,56}{\milli\second} \text{.}

Znaczenie

  1. Wysoka wartość natężenia prądu świadczy o dużym ładunku przemieszczającym się w krótkim czasie. Prądy w rozrusznikach są wystarczająco duże, aby przezwyciężyć bezwładność silnika.
  2. Duże natężenie prądu jest niezbędne, aby w krótkim czasie doprowadzić duży ładunek. Wysokie natężenie prądu jest konieczne, aby dostarczyć dużą ilość energii wymaganej do uruchomienia silnika.

Przykład 9.2

Wyznaczanie chwilowego natężenia prądu

Rozważmy ładunek, poruszający się przez przekrój przewodu dany wzorem Q t = Q max 1 e t τ Q t = Q max 1 e t τ , gdzie Q max Q max – maksymalna wartość ładunku tj. wartość uzyskana gdy tt t \to \infty, podana w kulombach, natomiast τ τ to stała czasowa dana w sekundach (Ilustracja 9.3). Jakie będzie natężenie prądu w przewodzie?
Rysunek jest wykresem ładunku Q w zależności od czasu. Gdy czas równy jest zero, ładunek również jest równy zero. Ładunek rośnie z czasem zbliżając się do maximum
Ilustracja 9.3 Wykres zależności ładunku poruszającego się przez przekrój przewodu od czasu.

Strategia rozwiązania

Natężenie prądu płynącego przez przekrój możemy obliczyć ze wzoru I = Δ Q Δ t I= Δ Q Δ t . Zauważmy, że gdy na wykresie wartość ładunku rośnie do wartości Q max Q max , jej pochodna maleje i dąży do zera wraz z upływającym czasem (Ilustracja 9.4).

Rozwiązanie

Pochodną można obliczyć z zależności
d d x e u = e u d u d x , d d x e u = e u d u d x ,
I = d Q d t = d d t Q max 1 e t τ = Q max τ e t τ . I= d Q d t = d d t Q max 1 e t τ = Q max τ e t τ .
Obraz jest wykresem natężenia prądu I w funkcji czasu. Gdy czas jest równy zero prąd ma wartość maksymalną. Wartość natężenia prądu spada do zera z czasem.
Ilustracja 9.4 Wykres zależności natężenia prądu przepływającego przez przewód od czasu.

Znaczenie

Natężenie prądu przepływającego przez przewód maleje wykładniczo, jak pokazano na Ilustracji 9.4. W kolejnych rozdziałach będziemy rozważać natężenie prądu zależne od czasu w trakcie ładowania i rozładowywania kondensatora przez rezystor. Powinniśmy pamiętać, że kondensator gromadzi ładunek. O rezystorach dowiemy się więcej w podrozdziale Model przewodnictwa w metalach.

Sprawdź, czy rozumiesz 9.1

Żeby wykonać obliczenia niezbędne do zdania egzaminu z fizyki, używa się kalkulatora, który najczęściej zasila małe ogniwo słoneczne. Natężenie prądu zużywanego przez kalkulator jest bardzo małe, równe 0,3 mA 0,3mA. Ile czasu zajmie wypłynięcie ładunku 1 C 1C z ogniwa słonecznego? Czy ogniwo słoneczne może zostać użyte do zasilania rozrusznika silnika spalinowego w samochodzie?

Sprawdź, czy rozumiesz 9.2

Na wyłącznikach instalacyjnych w domach są podane wartości natężenia prądu, zwykle w przedziale od 10 A 10A do 30 A 30A. Wyłączników takich używa się do zabezpieczenia mieszkańców przed niebezpieczeństwem, a urządzenia przed uszkodzeniem związanym ze zbyt dużym natężeniem prądu. Jednego 15-amperowego wyłącznika instalacyjnego można użyć do zabezpieczenia kilku urządzeń w salonie, natomiast jeden 20-amperowy zabezpiecza lodówkę w kuchni. Jakie wnioski można wyciągnąć co do natężenia prądu w różnych urządzeniach domowych?

Prąd w obwodzie

W poprzednich paragrafach zdefiniowaliśmy natężenie prądu jako przepływ ładunku przez przekrój poprzeczny w jednostce czasu. Aby ładunek mógł przepływać przez takie urządzenia jak żarówka pokazana na Ilustracji 9.5, musi istnieć zamknięta droga (czyli obwód, ang. circuit) od dodatniej do ujemnej elektrody. Rozważmy prosty obwód składający się z akumulatora samochodowego, włącznika, przedniej lampy i przewodów zapewniających prądowi drogę pomiędzy elementami. Ładunek musi opuścić dodatnią elektrodę baterii, przepłynąć przez elementy i dotrzeć do ujemnej elektrody. Włącznik służy do kontrolowania obwodu. Część (a) rysunku pokazuje prosty obwód składający się z akumulatora, włącznika, przewodów łączących elementy i lampy. Część (b) rysunku przedstawia schemat (ang. schematic) obwodu. Jest on graficzną prezentacją obwodu i bardzo przydaje się w wizualizacji najważniejszych cech obwodu. W schematach używa się standardowych symboli reprezentujących elementy obwodu, natomiast linie ciągłe odpowiadają przewodom łączącym elementy. Baterię przedstawia szereg długich i krótkich linii ilustrujących ogniwo Volty. Lampa to kółko z pętlą w środku, reprezentującą włókno żarówki. Włącznik (klucz) to dwa punkty z przewodzącą poprzeczką do ich połączenia. Przewody łączące elementy to linie ciągłe. Schemat w części (c) pokazuje kierunek płynącego prądu, gdy obwód jest zamknięty.

Obraz przedstawia trzy rysunki w jednym rzędzie. Rysunek lewy a pokazuje schemat połączenia reflektora z akumulatorem z kluczem w obwodzie. Rysunek b to schemat z kluczem otwartym. Rysunek c to schemat z kluczem zamkniętym i prądem przepływającym przez obwód.
Ilustracja 9.5 (a) Prosty obwód elektryczny z lampą, akumulatorem oraz włącznikiem. Gdy obwód jest zamknięty, nieprzerwana ścieżka pozwala na przepływ prądu przez przewody podłączone do elektrod baterii. (b) Na schemacie baterię reprezentują równoległe linie, które przypominają pierwszy projekt baterii. Dłuższa linia to elektroda dodatnia. Przewody są przedstawione jako linie ciągłe. Otwarty włącznik to dwa punkty z linią, która może je połączyć. Lampa to kółko zawierające włókno, tak jak w żarówce. (c) Kiedy włącznik jest zamknięty, obwód również jest zamknięty, co sprawia, że prąd przepływa od dodatniej elektrody baterii do ujemnej.

Gdy włącznik na Ilustracji 9.5 (c) jest zamknięty, ścieżka przepływu ładunków jest kompletna, od dodatniej elektrody baterii, przez włącznik, lampę i do ujemnej elektrody. Zwróćmy uwagę, że prąd przepływa w kierunku od dodatniej do ujemnej elektrody. Kierunek umowny prądu (ang. conventional current) jest taki sam jak kierunek ruchu dodatniego ładunku: od dodatniej elektrody do ujemnej.

Jednak w niektórych materiałach również ładunki ujemne lub jednocześnie dodatnie i ujemne mogą się poruszać. W metalowych przewodach prąd przenoszą elektrony, to znaczy, że poruszają się ładunki ujemne. W roztworach jonowych, takich jak słona woda, zarówno dodatnie, jak i ujemne ładunki są w ruchu. Taka sytuacja występuje również w komórkach nerwowych. Generator Van de Graaffa, używany do badań jądrowych, produkuje prąd dodatnich ładunków, takich jak protony. W Wielkim Zderzaczu Hadronów znajdującym się w Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych (CERN, ang. European Organization for Nuclear Research) na granicy Szwajcarii i Francji zderzają się wiązki protonów i antyprotonów poruszające się w przeciwnych kierunkach. Protony są ładunkami dodatnimi, więc ich prąd ma kierunek zgodny z kierunkiem ruchu tych cząstek. Natomiast antyprotony mają ujemny ładunek, więc ich prąd ma zwrot przeciwny do kierunku ich ruchu.

Przyjrzyjmy się bliżej prądowi przepływającemu przez przewód na Ilustracji 9.6. Przedstawia on ruch naładowanych cząstek, które stanowią prąd. Fakt, że umownie kierunek prądu wyznaczają dodatnie ładunki, zawdzięczamy naukowcowi i politykowi Benjaminowi Franklinowi (1706–1790). Ponieważ w tym czasie nie odkryto jeszcze cząstek wchodzących w skład atomu (proton, elektron, neutron), Franklin uważał, że prąd elektryczny przepływa od materiału, który ma więcej „płynu elektrycznego”, do materiału, który ma go mniej. Materiał z większą ilością „płynu elektrycznego” został przez niego nazwany „dodatnim”, analogicznie „ujemnym” nazwał materiał, który miał mniej „płynu elektrycznego”. Przypuszczał, że prąd będzie przepływał z materiału z większą ilością „płynu elektrycznego” – dodatniego materiału – do ujemnego. Franklin nazwał kierunek przepływu prądu dodatnim przepływem. To myślenie było niezwykle odważne jak na człowieka, który nic nie wiedział o budowie atomu.

Rysunek a pokazuje schemat przepływu cząstek dodatnich z lewej do prawej strony przewodu o przekroju A. Rysunek b jest schematem poruszania się ładunków ujemnych z prawej do lewej w przewodzie o przekroju A.
Ilustracja 9.6 Prąd I I jest prędkością, z jaką przepływają ładunki przez powierzchnię S S S , taką jak przekrój poprzeczny przewodu. Umownie prąd płynie w kierunku zgodnym z kierunkiem wektora natężenia pola elektrycznego. (a) Ładunki dodatnie poruszają się zgodnie z kierunkiem wektora natężenia pola elektrycznego, czyli takim samym jak umowny kierunek prądu. (b) Ładunki ujemne poruszają się przeciwnie do zwrotu wektora natężenia pola elektrycznego. Umowny kierunek prądu jest przeciwny do kierunku ruchu ujemnych ładunków. Ruch elektronów czasami nazywa się przepływem elektrycznym.

Już wiemy, że materiał jest naładowany dodatnio, gdy ma więcej protonów niż elektronów, a ujemnie, gdy ma więcej elektronów niż protonów. W przewodnikach przepływ prądu wynika z przepływu elektronów z materiału naładowanego ujemnie do naładowanego dodatnio, jednak ze względów historycznych przyjmujemy kierunek prądu zgodny z kierunkiem przepływu dodatnich ładunków od dodatniej elektrody do ujemnej.

Niezwykle ważnym jest pamiętanie o tym, że warunkiem koniecznym przepływu prądu jest istnienie w przewodniku pola elektrycznego (Ilustracja 9.6). W poprzednich rozdziałach rozważaliśmy ładunki statyczne, które szybko rozmieszczały się na powierzchni przewodnika, aby zrównoważyć zewnętrzne pole elektryczne i doprowadzić do stanu równowagi. W obwodzie elektrycznym ładunki nigdy nie osiągną takiego stanu ze względu na zewnętrzne źródło napięcia elektrycznego, takie jak bateria. Energię niezbędną do poruszania ładunków dostarcza źródło napięcia elektrycznego, jakim jest bateria.

Mimo że pole elektryczne odpowiada za ruch ładunków w przewodniku, praca przez nie wykonana na ładunkach nie zwiększa ich energii kinetycznej. Pokażemy, że pole elektryczne utrzymuje stałą prędkość dryfu ładunków elektrycznych.

Cytowanie i udostępnianie

Chcesz zacytować, udostępnić albo zmodyfikować treść tej książki? Została ona wydana na licencji Creative Commons Attribution License , która wymaga od Ciebie uznania autorstwa OpenStax.

Cytowanie i udostępnienia
  • Jeśli rozpowszechniasz tę książkę w formie drukowanej, umieść na każdej jej kartce informację:
    Treści dostępne za darmo na https://openstax.org/books/fizyka-dla-szk%C3%B3%C5%82-wy%C5%BCszych-tom-2/pages/1-wstep
  • Jeśli rozpowszechniasz całą książkę lub jej fragment w formacie cyfrowym, na każdym widoku strony umieść informację:
    Treści dostępne za darmo na https://openstax.org/books/fizyka-dla-szk%C3%B3%C5%82-wy%C5%BCszych-tom-2/pages/1-wstep
Cytowanie

© 2 mar 2022 OpenStax. Treść książki została wytworzona przez OpenStax na licencji Creative Commons Attribution License . Nazwa OpenStax, logo OpenStax, okładki OpenStax, nazwa OpenStax CNX oraz OpenStax CNX logo nie podlegają licencji Creative Commons i wykorzystanie ich jest dozwolone wyłącznie na mocy uprzedniego pisemnego upoważnienia przez Rice University.