Pomiar napięcia i natężenia prądu

Do pomiaru napięcia i natężenia prądu używa się specjalistycznych przyrządów. Pomiar napięcia wykonuje się za pomocą woltomierza, natomiast pomiar natężenia prądu przeprowadza się przy użyciu amperomierza. Istnieją również mierniki uniwersalne, które mogą mierzyć obie te wielkości.

Vocabulary: Amperogodzina $Ah$ i miliamperogodzina $mAh$ to jednostki ładunku używane do określenia pojemności baterii. 1 Ah = 1000 mAh = 3600 C $kulombów$.

Przy wykonywaniu pomiarów ważne jest odpowiednie dobranie zakresu pomiarowego. Jeśli znamy przybliżoną wartość mierzonej wielkości, wybieramy zakres nieco większy. W przypadku braku orientacyjnej wartości, zaczynamy od największego zakresu i stopniowo go zmniejszamy.

Highlight: Niepewność pomiaru miernikiem uniwersalnym wynosi zazwyczaj około 3% wartości wskazania.

Pomiar napięcia wykonuje się, podłączając końcówki przewodów miernika do interesujących nas punktów obwodu. Natomiast przy pomiarze natężenia prądu konieczne jest rozłączenie obwodu i włączenie amperomierza szeregowo.

Example: Wynik pomiaru napięcia 9,24 V z niepewnością 3% zapisujemy jako U = 9,2 ± 0,3 V.

Warto pamiętać, że im większe natężenie prądu płynie przez odbiornik energii elektrycznej, tym bardziej zmniejsza się napięcie baterii zasilającej obwód.

Połączenia szeregowe i równoległe w obwodach elektrycznych

Połączenie szeregowe i równoległe to dwa podstawowe sposoby łączenia elementów w obwodach elektrycznych. Każdy z nich ma swoje charakterystyczne cechy i wpływa na rozkład napięcia oraz natężenia prądu w obwodzie.

Definicja: Połączenie szeregowe to takie, w którym elementy są połączone jeden za drugim, tworząc pojedynczą ścieżkę dla przepływu prądu.

W połączeniu szeregowym wszystkie elektrony przepływają kolejno przez każdy z elementów. Natężenie prądu jest takie samo w każdym punkcie obwodu szeregowego. Napięcia na poszczególnych elementach sumują się, co jest zgodne z zasadą zachowania energii.

Highlight: Przy szeregowym łączeniu baterii ich napięcia się sumują: U = U₁ + U₂ + ... + Un.

Połączenie równoległe charakteryzuje się tym, że część elektronów przepływa przez jeden element, a pozostałe przez drugi. W tym przypadku napięcie na każdym z równolegle połączonych elementów jest takie samo.

Example: Gdy połączone równolegle żarówki podłączymy do baterii, między końcówkami każdej z nich jest takie samo napięcie.

Przy połączeniu równoległym, gdy prąd rozdziela się z jednego do dwóch przewodów, natężenie prądu przed podziałem jest równe sumie natężeń po podziale. Ta zasada jest podstawą pierwszego prawa Kirchhoffa.

Prawa rządzące przepływem prądu w obwodach

Zachowanie prądu w obwodach elektrycznych opisują fundamentalne prawa fizyki. Jednym z nich jest pierwsze prawo Kirchhoffa, które mówi, że suma natężeń prądów wpływających do węzła $połączenia przewodów$ jest równa sumie natężeń prądów z niego wypływających.

Highlight: Pierwsze prawo Kirchhoffa jest konsekwencją zasady zachowania ładunku elektrycznego.

Prawo Ohma to kolejna ważna zasada w elektrotechnice. Stwierdza ono, że natężenie prądu płynącego przez przewodnik jest wprost proporcjonalne do napięcia między końcami przewodnika. Prawo to obowiązuje tylko dla przewodników elektrycznych i w stałej temperaturze.

Definition: Opór elektryczny to wielkość charakteryzująca zdolność elementu obwodu do przewodzenia prądu. Im większy opór, tym gorzej ciało przewodzi prąd.

Opór elektryczny mierzony jest w omach $Ω$ i można go obliczyć, znając napięcie i natężenie prądu w danym elemencie obwodu. Do pomiaru oporu służy omomierz.

Vocabulary: Oporniki to proste elementy elektroniczne, umieszczone w obudowie z izolatora, często oznaczone kolorowymi paskami wskazującymi ich wartość.

Warto pamiętać, że opór metalu wzrasta wraz z jego temperaturą. Z tego powodu prawo Ohma jest spełnione tylko w stałej temperaturze. Przykładem elementu, który nie spełnia prawa Ohma, jest żarówka, której opór zmienia się znacząco wraz ze wzrostem temperatury.

Praktyczne aspekty obwodów elektrycznych

W praktyce, przy projektowaniu i analizie obwodów elektrycznych, należy uwzględnić wiele czynników. Jednym z nich jest wpływ temperatury na opór elektryczny elementów obwodu.

Highlight: Opór metalu wzrasta wraz z jego temperaturą, co może wpływać na działanie urządzeń elektrycznych.

Obwód elektryczny z żarówką jest dobrym przykładem, jak temperatura może wpływać na charakterystykę elementu. Żarówka nie spełnia prawa Ohma, ponieważ jej opór znacząco zmienia się wraz ze wzrostem temperatury włókna.

Example: Zimne włókno żarówki ma niższy opór niż rozgrzane, co wpływa na początkowy skok natężenia prądu przy włączaniu żarówki.

Przy projektowaniu obwodów elektrycznych ważne jest również uwzględnienie mocy elektrycznej w połączeniu szeregowym i równoległym. W połączeniu szeregowym moc całkowita jest sumą mocy poszczególnych elementów, podczas gdy w połączeniu równoległym suma odwrotności mocy elementów równa się odwrotności mocy całkowitej.

Definition: Moc elektryczna to ilość energii elektrycznej przetwarzanej w jednostce czasu. W obwodzie prądu stałego moc oblicza się jako iloczyn napięcia i natężenia prądu.

Napięcie w połączeniu równoległym jest takie samo dla wszystkich elementów, co ma istotne znaczenie przy projektowaniu systemów zasilania. Z kolei napięcie w połączeniu szeregowym rozkłada się na poszczególne elementy proporcjonalnie do ich oporów.

Vocabulary: Czym mierzymy natężenie prądu? Do pomiaru natężenia prądu służy amperomierz, który włącza się szeregowo w obwód.

Zrozumienie różnic między połączeniem równoległym a szeregowym jest kluczowe dla prawidłowego projektowania i analizy obwodów elektrycznych. Każdy typ połączenia ma swoje zalety i zastosowania w zależności od potrzeb konkretnego układu.

Obwody elektryczne i podstawy prądu

Obwód elektryczny to układ elementów umożliwiający przepływ prądu elektrycznego. Najprostszy obwód elektryczny składa się ze źródła napięcia $np. baterii$ oraz odbiornika energii elektrycznej $np. żarówki$. Prąd elektryczny to uporządkowany ruch ładunków elektrycznych, który w metalach przejawia się jako przepływ elektronów.

Definicja: Obwód elektryczny to zamknięty układ elementów elektrycznych, przez który może płynąć prąd.

Schematy elektryczne to uproszczone rysunki przedstawiające elementy obwodu i ich połączenia. Wykorzystują one standardowe symbole dla poszczególnych komponentów, takich jak źródła napięcia, przewody, żarówki czy oporniki.

Highlight: Umownie przyjmuje się, że prąd płynie od dodatniego do ujemnego bieguna baterii, choć faktyczny ruch elektronów jest przeciwny.

Napięcie elektryczne i natężenie prądu to dwie podstawowe wielkości charakteryzujące obwód elektryczny. Napięcie mierzone jest w woltach $V$ i określa różnicę potencjałów między dwoma punktami obwodu. Natężenie prądu, mierzone w amperach $A$, informuje o ilości ładunku przepływającego przez przekrój przewodu w jednostce czasu.

Przykład: Jeśli w ciągu 5 sekund przez dany punkt obwodu przepłynął ładunek 20 C, to natężenie prądu wynosi: I = 20 C / 5 s = 4 A.