Podsumowanie
10.1 Siła elektromotoryczna
- Wszystkie źródła SEM mają dwa zasadnicze elementy: źródło energii elektrycznej o charakterystycznej wartości siły elektromotorycznej (SEM) i opór wewnętrzny r. SEM jest pracą wykonaną nad ładunkiem jednostkowym w celu utrzymania różnicy potencjałów źródła na stałym poziomie. SEM równa się różnicy potencjałów między biegunami, kiedy prąd nie płynie. Gdy prąd płynie, wówczas opór wewnętrzny r źródła SEM ma wpływ na różnicę potencjałów między jego biegunami.
- Napięciem wyjściowym źródła nazywamy różnicę potencjałów między jego biegunami, określoną zależnością Ubat=ε−Ir, gdzie I oznacza natężenie prądu elektrycznego i ma wartość dodatnią, gdy prąd wypływa z bieguna dodatniego źródła, r zaś jest oporem wewnętrznym baterii.
10.2 Oporniki połączone szeregowo i równolegle
- Opór równoważny obwodu elektrycznego z opornikami połączonymi szeregowo równy jest sumie poszczególnych oporów
Rrw=R1+R2+R3+…+RN−1+RN=N∑i=1Ri.
- Przez każdy opornik w połączeniu szeregowym przepływa prąd o takim samym natężeniu.
- Spadek potencjału na poszczególnych opornikach połączonych szeregowo jest inny, a ich sumaryczna wartość odpowiada różnicy potencjałów na biegunach źródła zasilania. Podobnie suma mocy rozpraszanej na opornikach równa jest mocy elektrycznej źródła.
- Równoważny opór obwodu elektrycznego z opornikami połączonymi równolegle jest mniejszy od oporu każdego z połączonych oporników i wyznacza się go ze wzoru Rrw=(1R1+1R2+1R3+…+1RN−1+1RN)−1=(N∑i=11Ri)−1.
- Spadek potencjału na opornikach połączonych równolegle jest taki sam i równa się różnicy potencjałów na biegunach źródła.
- Natężenie prądu przepływającego przez każdy z oporników połączonych równolegle jest inne i zależy od ich oporu.
- Jeśli obwód składa się z oporników połączonych w bardziej skomplikowany sposób, będący kombinacją połączeń szeregowych i równoległych, może zostać uproszczony do obwodu zawierającego jeden opornik równoważny. Można tego dokonać, identyfikując poszczególne jego części jako połączenia szeregowe lub równoległe i upraszczając każdą z nich do równoważnego oporu. Procedurę należy kontynuować, jeśli to możliwe, aż do uzyskania jednego oporu równoważnego.
10.3 Prawa Kirchhoffa
- Prawa Kirchhoffa można stosować do analizowania dowolnych obwodów: prostych lub złożonych. Analiza prostszych obwodów szeregowych lub równoległych podlega zasadom, które są szczególnymi przypadkami praw Kirchhoffa.
- Pierwsze prawo Kirchhoffa, zasada węzła, odnosi się do ładunku w węźle. Prąd jest przepływem ładunku; tak więc bez względu na to, jaki ładunek wpłynął do węzła, taki sam musi z niego wypłynąć.
- Drugie prawo Kirchhoffa, zasada oczka, stwierdza, że spadek potencjału w oczku równa się zero.
- Przy obliczaniu spadku potencjału i natężenia prądu, korzystając z praw Kirchhoffa należy pamiętać o określonych konwencjach, aby określić prawidłowe znaki różnych wielkości.
- Gdy wiele źródeł napięcia połączymy szeregowo, to ich wewnętrzne opory i SEM sumują się, dając całkowite wartości SEM i oporu wewnętrznego.
- Gdy wiele źródeł napięcia połączymy równolegle, to ich opory wewnętrzne dadzą opór równoważny, który będzie mniejszy niż opór każdego pojedynczego oporu wewnętrznego, co daje prąd o większym natężeniu niż pojedyncze źródło napięcia.
- Ogniwa słoneczne mogą być połączone szeregowo lub równolegle, żeby zapewnić zwiększone odpowiednio napięcie lub prąd.
10.4 Elektryczne przyrządy pomiarowe
- Woltomierze służą do pomiaru napięcia, a amperomierze do pomiaru natężenia prądu. Mierniki analogowe są zbudowane na zasadzie połączenia opornika i galwanometru i umożliwiają analogowy odczyt natężenia prądu lub napięcia. Mierniki cyfrowe budowane są z wykorzystaniem przetworników analogowo-cyfrowych i zapewniają dyskretny (cyfrowy) pomiar natężenia prądu lub napięcia.
- Żeby zmierzyć całkowite napięcie, woltomierz umieszczamy równolegle do źródła napięcia. Musi on mieć dużą oporność, aby ograniczyć jego wpływ na obwód.
- Żeby zmierzyć całkowity prąd płynący przez fragment obwodu, amperomierz umieszczamy szeregowo. Musi on mieć małą rezystancję, aby ograniczyć jego wpływ na obwód.
- Standardowe woltomierze i amperomierze mają wpływ na obwód, do którego są podłączone, tak więc ich dokładność jest ograniczona.
- Omomierze służą do pomiaru oporu. Element obwodu, którego opór ma być zmierzony, powinien być odizolowany od obwodu (usunięty z niego).
10.5 Obwody RC
- Obwód RC to obwód, który zawiera zarówno opornik, jak i kondensator.
- Pojemnościowa stała czasowa τ obwodu RC dana jest wzorem τ=RC.
- Gdy początkowo nienaładowany (q=0C w chwili t=0s) kondensator połączony szeregowo z opornikiem ładuje się przez stałoprądowe źródło napięcia, jego ładunek asymptotycznie zbliża się do wartości maksymalnej.
- Podczas wzrostu ładunku kondensatora natężenie prądu w obwodzie maleje wykładniczo od swej początkowej wartości równej I0=ε∕R.
- Jeśli kondensator wstępnie naładowany ładunkiem Q zaczyna w chwili t=0s się rozładowywać za pośrednictwem opornika, wtedy jego ładunek maleje wykładniczo. W czasie rozładowania kondensatora prąd przepływa w kierunku przeciwnym do kierunku prądu płynącego podczas jego ładowania.
10.6 Instalacja elektryczna w domu i bezpieczeństwo elektryczne
- Dwa rodzaje zagrożeń elektrycznych to: zagrożenie termiczne (wynikające z nadmiernego wydzielania energii) i porażenie (gdy prąd przepływa przez osobę). Systemy i urządzenia zabezpieczenia elektrycznego przeciwdziałają obu tym zagrożeniom.
- Nasilenie objawów porażenia zależy od: natężenia prądu, ścieżki jego przepływu, czasu trwania porażenia i częstotliwości prądu zmiennego.
- Wyłączniki i bezpieczniki przerywają przepływ prądu o zbyt dużym natężeniu, aby zapobiec zagrożeniom termicznym.
- Stosowanie kabli trójprzewodowych (fazowy – gorący, neutralny i ochronny – uziemiający) oraz uziemianie obudów urządzeń chroni przez zagrożeniem termicznym i porażeniem.
- Wyłącznik różnicowoprądowy (RCCB) rozłącza obwód po wykryciu, że prąd elektryczny z niego wypływający nie jest równy prądowi wpływającemu, zapobiegając w ten sposób porażeniu prądem.