Podstawowe pojęcia elektryczne

Ładunek elektryczny jest podstawową własnością materii. Jedne cząstki posiadają ładunek, inne go nie posiadają. Ładunki występują w dwóch odmianach: jako dodatnie (+) i ujemne (–). Jest to oznaczenie umowne, które zaproponował amerykański uczony Benjamin Franklin. Na trop ładunków elektrycznych wpadli już starożytni Grecy, którzy zauważyli, że bursztyn (po grecku elektron) potarty o coś przyciąga drobne przedmioty. Dzieje się tak dlatego, iż ładunki elektryczne o różnych znakach przyciągają się, a o tych samych znakach odpychają się.

 

 

 

Siły te nazywamy oddziaływaniami elektrostatycznymi. Wartość siły pomiędzy dwoma ładunkami określił francuski fizyk Charles Coulomb. Na jego cześć jednostkę ładunku elektrycznego w układzie SI nazwano kulombem i oznaczono symbolem C. Jeśli jako e oznaczymy ładunek elementarny elektronu, to jeden kulomb jest równy:

1C = 6,24150636309402780020 x 10¹⁸e

Elektron jest cząstką elementarną obdarzoną ładunkiem ujemnym.

Ładunek elektryczny oznaczamy symbolem Q.

Przyciąganie i odpychanie się ładunków w przestrzeni jest spowodowane tym, iż wytwarzają one wokół siebie pole elektryczne.

 

 

Czym jest pole elektryczne? Jest to specyficzna zmiana parametrów przestrzeni wokół ładunku. Jeśli w polu elektrycznym jednego ładunku znajdzie się inny ładunek, to poprzez wytwarzane przez siebie pola ładunki te zaczną na siebie oddziaływać – będą się przyciągały lub odpychały w zależności od swoich znaków.

Jak daleko sięga pole elektryczne ładunku? Teoretycznie w nieskończoność. Praktycznie pole to "maleje" z kwadratem odległości pomiędzy ładunkami. Oznacza to tyle, że jeśli pomiędzy dwoma ładunkami znajdującymi się w odległości A występuje siła elektrostatyczna F_A, to po zwiększeniu tej odległości 10 razy siła zmaleje 100 razy. Zatem przy odpowiednio dużej odległości możemy przyjąć, że oddziaływanie pola jest praktycznie zerowe.

 

Uporządkowany ruch ładunków elektrycznych nazywamy prądem elektrycznym.

 

 

Z prądem elektrycznym w naturze spotykamy się w czasie burzy. Błyskawica jest przepływem ładunków pomiędzy ziemią a chmurą. Ładunki w chmurach powstają wskutek tarcia pomiędzy cząsteczkami pary wodnej (zupełnie tak samo jak przy pocieraniu bursztynu).

Prąd elektryczny charakteryzuje jego natężenie, czyli ilość ładunku przepływającego w jednostce czasu. W układzie SI natężenie prądu elektrycznego wyrażamy w amperach A:

 

Prąd posiada natężenie jednego ampera, jeśli w ciągu jednej sekundy przepływa ładunek o wartości jednego kulomba.

Natężenie prądu elektrycznego oznaczamy symbolem I.

Potencjał elektryczny jest wielkością ściśle związaną z polem elektrycznym. Potencjał wyznacza się w określonym punkcie pola elektrycznego. Definicja potencjału mówi, że jest to stosunek pracy wykonanej na przemieszczenie tzw. ładunku próbnego q₀ z nieskończoności do danego punktu pola przez wartość tego ładunku.

Ładunek próbny q₀ jest pojęciem umownym. Jest on tak mały, że praktycznie nie wpływa na pole elektryczne – nie zaburza go.

Jednostką potencjału elektrycznego jest wolt V.

 

Dany punkt pola posiada potencjał jednego wolta, jeśli przeniesienie ładunku 1 kulomba z nieskończoności do tego punktu wymagało wykonania pracy 1 dżula.

Potencjał elektryczny oznaczamy symbolem V.

Napięcie elektryczne zawsze odnosi się do różnicy potencjałów. Wynika stąd, iż określamy je pomiędzy dwoma punktami pola elektrycznego. Napięcie elektryczne wyrażamy w woltach V. Symbolem napięcia elektrycznego jest U.

Na przykład, jeśli w punkcie A potencjał V_A = +5V, a w punkcie B potencjał V_B = -3V, to napięcie U_A-B = V_A - V_B = +5V - (-3)V = 8V.

Napięcie pomiędzy dwoma punktami A i B jest stosunkiem pracy, jaką należy wykonać na przemieszczenie ładunku próbnego q₀ z punktu A do B do wartości tego ładunku.

Jak to rozumieć? Na pewno w młodości bawiłeś się gumkami (może wciąż jeszcze to robisz?). Gdy rozciągałeś gumkę coraz bardziej, to jej napięcie rosło. W momencie zwolnienia gumki wykonywała ona pracę, czyli oddawała włożoną w nią energię, lecąc na przykład w kierunku ucha kolegi, który na pewno nie rozumiał naszego zapału w poznawaniu praw fizyki.

Napięcie to jakby gotowość do wykonania pracy. Im jest wyższe, tym większą pracę można wykonać.

 

Napięcie pomiędzy punktami A i B wynosi 1 wolt, jeśli przemieszczenie ładunku 1 kulomba z punktu A do B wymaga wykonania pracy 1 dżula.

Niektóre materiały sprzyjają przepływowi prądu elektrycznego. Są to najczęściej metale, które wewnątrz swojej struktury krystalicznej zawierają elektrony będące nośnikami ładunku elektrycznego. Materiały takie nazywamy przewodnikami prądu elektrycznego.

Są również materiały, które nie posiadają swobodnych nośników ładunków elektrycznych. Materiały takie nazywamy izolatorami lub dielektrykami.

Parametrem charakteryzującym zdolność przewodzenia prądu elektrycznego jest oporność elektryczna. Im jest ona wyższa, tym gorzej dany materiał przewodzi prąd elektryczny. Przewodniki posiadają małą oporność elektryczną, a izolatory dużą.

Jednostką oporności elektrycznej jest om Ω.

 

Dany materiał posiada oporność 1 oma, jeśli po przyłożeniu do niego napięcia 1 wolta popłynie w nim prąd o natężeniu jednego ampera.

Oporność elektryczną oznaczamy symbolem R. Wyraża się wzorem:

 

Wzór ten zwany jest prawem Ohma.

Moc jest to ilość wykonanej pracy do czasu jej wykonania.

 

 

Jeśli przez pewien element płynie prąd elektryczny I pod wpływem przyłożonego do tego elementu napięcia U, to ten przepływający prąd wykonuje pracę W. Praca ta jest spożytkowana na przemieszczenie ładunku elektrycznego Q wewnątrz elementu. Otrzymujemy zatem:

 

 

Moc elektryczną wyrażamy w watach W, identycznie jak moc mechaniczną.

Poniższe wzory należy bezwzględnie znać (spróbuj niektóre z nich samodzielnie wyprowadzić):

 

napięcie U	[V]
prąd I	[A}
oporność R	[Ω]
moc P	[W]