William Moebs; Samuel J. Ling; Jeff Sanny

Pytania

9.1 Prąd elektryczny

1.

Czy przewód, przez który płynie prąd, może być neutralny, to znaczy jego wypadkowy ładunek jest równy zero? Wyjaśnij.

2.

Pojemność akumulatorów samochodowych określa się w amperogodzinach ( $A h$ ). Jaką wielkość fizyczną mierzy się w tych jednostkach: napięcie, natężenie prądu, ładunek, energię, moc, ...?

3.

Podczas pracy z obwodami elektrycznymi wysokiej mocy zaleca się, kiedy to tylko możliwe, pracę na jedną rękę albo z ręką w kieszeni. Z czego wynika ta sugestia?

9.2 Model przewodnictwa w metalach

4.

Żarówki są wypierane przez bardziej wydajne diody elektroluminescencyjne i świetlówki kompaktowe. Czy są jakieś dowody na to, że zwykłe żarówki nie są energooszczędne? Czy energia może być zamieniana na coś innego niż światło?

5.

Podkreśliliśmy wcześniej, że ruch elektronów wydaje się niemal losowy, gdy pole elektryczne jest przyłożone do przewodnika. Co sprawia, że on nie jest całkowicie losowy, jak w przypadku ruchu molekuł w gazie?

6.

Modelem używanym do przedstawiania obwodów elektrycznych jest woda płynąca przez rurę. W tym modelu źródło napięciowe jest przedstawiane jako pompa, która pompuje wodę przez rury łączące elementy obwodu. Czy model płynącej wody to adekwatna reprezentacja obwodu elektrycznego? W czym elektrony i przewody są podobne do cząsteczek wody i rur, a czym się różnią?

7.

W żarówkach jest słaba próżnia. Dlaczego?

9.3 Rezystywność i rezystancja

8.

Spadek $I R$ wzdłuż rezystora oznacza, że wzdłuż niego następuje zmiana potencjału (napięcia). Czy występuje również zmiana natężenia prądu przepływającego przez rezystor? Wyjaśnij.

9.

Czy domieszki w materiałach półprzewodnikowych wymienionych w Tabeli 9.1 dostarczają swobodnych ładunków? (Wskazówka: Zbadaj wartość rezystywności dla każdego półprzewodnika i określ, czy niedomieszkowany półprzewodnik ma wyższą, czy niższą przewodność).

10.

Czy rezystancja przedmiotu zależy od drogi, którą płynie prąd? Rozważ jako przykład prostopadłościan. Czy jego rezystancja będzie taka sama wzdłuż i wszerz?

Rysunki pokazują schematycznie oporniki o długości długiej strony R i długości krótkiej strony R prim. Na rysunku lewym prąd płynie wzdłuż długiego boku; w prawym prąd płynie wzdłuż boku krótkiego.

11.

Jeśli przewody aluminiowy oraz miedziany o jednakowej długości mają taką samą rezystancję, to który z nich ma większą średnicę? Dlaczego?

9.4 Prawo Ohma

12.

W podrozdziale Obliczanie natężenia na podstawie potencjału rezystancja została zdefiniowana jako $R \equiv U ∕ I$ . W tym rozdziale rozważaliśmy prawo Ohma, które przeważnie przedstawia się jako $U = I R$ . Te równania wyglądają podobnie. Jaka jest różnica między definicją rezystancji a prawem Ohma?

13.

Poniżej przedstawiono wynik eksperymentu, w którym do czterech urządzeń podłączono napięcie. Zmieniano jego wartość i mierzono natężenie prądu. Które z tych urządzeń jest omowe?

Rysunek jest wykresem prądu w porównaniu z napięciem. Dla A prąd początkowo wzrasta wraz z napięciem, następnie nasyca się i pozostaje taki sam. Dla B, prąd wzrasta liniowo wraz z napięciem. Dla C prąd rośnie wraz z napięciem. Dla D prąd zmniejsza się wraz z napięciem zbliżając się do zera.

14.

Natężenie prądu $I$ płynącego przez omowy materiał mierzy się, gdy jest przykładane napięcie $U$ .

Ile wynosi natężenie prądu, gdy wartość napięcia zostanie zwiększona do $2 U$ (załóż, że zmiany temperatury materiału są pomijalne)?
Jakie jest przyłożone napięcie, gdy natężenie prądu wynosi $0,2 I$ (załóż, że zmiany temperatury materiału są pomijalne)? Jak zmieni się natężenie prądu, jeśli napięcie będzie stałe, a temperatura materiału znacząco wzrośnie?

9.5 Energia i moc elektryczna

15.

Typowe urządzenia elektryczne wymagają zasilania napięciem $230 V$ , jednak do przesyłania energii elektrycznej elektrownie używają napięcia w zakresie kilowoltów, a następnie transformatory obniżają napięcie. W następnych rozdziałach dowiesz się, że transformator składa się ze zwojów drutu, który się grzeje podczas przepływu prądu, tracąc energię na ciepło. Wydaje się to bardzo nieefektywne. Dlaczego elektrownie przesyłają energię elektryczną w taki sposób?

16.

Na twoim rachunku za prąd elektryczny zużycie jest podane w kilowatogodzinach ( $kW h$ ). Ta jednostka mówi o wielkości ładunku, natężenia prądu, napięcia, mocy czy energii, którą kupujesz?

17.

Rezystory używane w obwodach elektrycznych są najczęściej oznaczane $\frac{1}{8} W$ , $\frac{1}{4} W$ , $\frac{1}{2} W$ , $1 W$ oraz $2 W$ . Co może się wydarzyć, jeśli prąd o natężeniu $I = 2 A$ przypadkowo przepłynie przez rezystor $R = 1 Ω$ oznaczony jako $1 W$ ? Czy można zapobiec takim wypadkom?

18.

Grzałka jest małym urządzeniem wykorzystywanym do podgrzewania wody na herbatę składającym się z rezystora, przez który przepływa prąd. Czy jeśli zostanie przyłożone napięcie dwa razy większe, niż przewidziano, to czas potrzebny na podgrzanie wody się zmieni? O ile? Czy to jest dobry pomysł?

9.6 Nadprzewodniki

19.

Jakie wymagania nadprzewodników powodują, że urządzenia na ich bazie są tak drogie w użyciu?

20.

Wymień dwa zastosowania nadprzewodników wspominane w tym rozdziale i wyjaśnij, jak nadprzewodniki są wykorzystywane. Czy znasz jakieś inne zastosowania nadprzewodnictwa?