O pr¹dzie elektrycznym

9

O pr¹dzie elektrycznym

160 Pr¹d elektryczny p³yn¹c przez odbiornik wykonuje pracê.

W których przypadkach wykorzystujemy pracê pr¹du elektrycznego g³ównie do zwiêkszenia energii wewnêtrznej jakiegoœ cia³a?

a Pr¹dem elektrycznym zasilamy suszarkê do w³osów.

b Pr¹dem elektrycznym zasilamy radio.

c Pr¹dem elektrycznym zasilamy ¿elazko.

d Pr¹dem elektrycznym zasilamy czajnik elektryczny.

e Pr¹dem elektrycznym zasilamy kosiarkê do trawy.

f Pr¹dem elektrycznym zasilamy siatkê bardzo cienkich drucików wtopio-

nych w szybê samochodow¹, powoduj¹cych, ¿e szyba nie zamarza.

g Pr¹dem elektrycznym zasilamy telefon.

161 Poszukaj w domu latarki elektrycznej. Roz³ó¿ j¹ na czêœci i porównaj z ni¿ej przedstawionym schematem.

wy³¹cznik

reflektor

metalowy

W

Y

Y

R

R

20A 5V

20A 5V

ATTE R 1,

ATTE R 1,

B

B

¿arówka

baterie

sprê¿yna

a Kolorowym pisakiem zaznacz na schemacie obwód elektryczny, przez któ-

ry p³ynie pr¹d.

b W któr¹ stronê poruszaj¹ siê elektrony, a w któr¹ umownie p³ynie pr¹d (zaznacz strza³k¹)?

c Zbadaj, jak dzia³a wy³¹cznik.

162* Jeden z twoich kolegów powiedzia³: Jeœli zbudujê obwód elektryczny

z ró¿nych kawa³ków drutu (rysunek), to przez grubszy drut bêdzie p³yn¹³ pr¹d o wiêkszym natê¿eniu, a przez cieñszy – pr¹d o mniejszym natê¿eniu. Co o tym my-

œlisz? Uzasadnij swoj¹ odpowiedŸ.

106

Rozwi¹zania na str. 252

Zadania

9

Wskazówka: Jeœli masz trudnoœci z od-

powiedzi¹, pomyœl o objêtoœci wody

przep³ywaj¹cej w jednostce czasu przez

przekrój poprzeczny rzeki w szerokim i

w¹skim miejscu.

163 Jakie s¹ zakresy i dok³adnoœci mierników, których skale narysowano

ni¿ej?

Uwaga: za dok³adnoœæ przyjmij wartoœæ, której odpowiada najmniejsza dzia³ka skali.

1

2

0

3

0,1

0,2

0,3

A

0

0,4A

a

b

164* Chc¹c zapobiec opuszczaniu pastwiska przez zwierzêta ca³y obszar

otacza siê drutem rozpiêtym na drewnianych podporach. Za pomoc¹ specjalnego generatora w drucie gromadzi siê du¿y ³adunek elektryczny. Gdy zwierzê dotknie drutu doznaje niegroŸnego, ale bardzo nieprzyjemnego pora¿enia.

Dlaczego ptaki siadaj¹ce na drucie (podobnie, jak na drutach linii energetycz-nych) nie doznaj¹ pora¿enia?

165* Bieguny baterii po³¹czono przewodnikiem.

Na podstawie modelu przep³ywu pr¹du elektrycznego w metalach, wpisz w

okienka numery poni¿szych zdañ w takiej kolejnoœci, by tworzy³y logicznie uporz¹dkowane wyjaœnienie zjawisk zachodz¹cych w tym przewodniku.

1. Wzrost energii ruchu drgaj¹cego jonów sieci krystalicznej metalu oznacza wzrost energii wewnêtrznej metalu.

Rozwi¹zania na str. 252, 253

107

O pr¹dzie elektrycznym

2. Energia kinetyczna elektronu poruszaj¹cego siê ruchem przyspieszonym

wzrasta.

3. Miêdzy koñcami przewodnika wytworzono napiêcie U.

4. Elektron, na który dzia³a niezrównowa¿ona si³a, porusza siê ruchem przyspieszonym.

5. Wzrost energii wewnêtrznej metalu oznacza wzrost jego temperatury.

6. Elektron zderza siê z jonem i przekazuje mu swoj¹ energiê.

7. W polu elektrostatycznym, na cz¹stkê na³adowan¹ dzia³a si³a elektryczna.

8. Wewn¹trz przewodnika powstaje pole elektrostatyczne.

166*

U

U

a Na jakie pytanie odpowiada wzór: R =

, a na jakie wzór: I =

?

I

R

b Jak nale¿y odczytaæ pierwszy z tych wzorów, a jak drugi?

c Ile wynosi opór przewodnika, gdy na skutek doprowadzenia do jego koñ-

ców napiêcia 12 V p³ynie w nim pr¹d o natê¿eniu 0,3 A? Ile wyniesie opór tego samego przewodnika, gdy do jego koñców doprowadzimy napiêcie 4 V? Jakie

bêdzie wówczas natê¿enie pr¹du w tym przewodniku? Jakie za³o¿enie musisz przyj¹æ, aby twoje odpowiedzi by³y poprawne?

167 Rysunki przedstawiaj¹ dwa sposoby ³¹czenia odbiorników energii elek-

trycznej.

A

B

R 1

R

R

R

1

2

3

R 2

R 3

U

U

Przyporz¹dkuj ka¿de ze stwierdzeñ temu sposobowi ³¹czenia oporów, którego to stwierdzenie dotyczy.

a Ca³kowity opór jest równy sumie oporów wszystkich odbiorników.

b Odwrotnoœæ ca³kowitego oporu jest równa sumie odwrotnoœci oporów po-

szczególnych odbiorników.

c Przez wszystkie odbiorniki p³ynie pr¹d o jednakowym natê¿eniu.

108

Rozwi¹zania na str. 253

Zadania

9

d Przez odbiorniki p³yn¹ pr¹dy o ró¿nych natê¿eniach, a w przewodach do-

prowadzaj¹cych napiêcie do odbiorników natê¿enie pr¹du jest równe sumie

natê¿eñ pr¹dów p³yn¹cych przez poszczególne odbiorniki.

e Napiêcie na ka¿dym odbiorniku jest jednakowe.

f Napiêcia na odbiornikach s¹ ró¿ne, a ich suma jest równa napiêciu U Ÿród³a.

g Odbiorniki po³¹czono szeregowo.

h Odbiorniki po³¹czono równolegle.

168 Nie zmieniaj¹c rozmieszczenia na rysunku

czterech jednakowych oporników i Ÿród³a napiêcia, do-

rysuj tak przewody, aby oporniki by³y ze sob¹ po³¹czo-

ne nastêpuj¹co:

a wszystkie równolegle,

b wszystkie szeregowo,

c* po dwa oporniki szeregowo i tak utworzone

dwie ga³êzie ze sob¹ równolegle,

d* po dwa oporniki równolegle i tak utworzone dwie czêœci ze sob¹ szeregowo, e** trzy z sob¹ szeregowo i tak utworzon¹ ga³¹Ÿ z czwartym opornikiem

równolegle,

f** trzy z sob¹ równolegle i z czwartym opornikiem szeregowo,

g** dwa po³¹czone z sob¹ równolegle, a potem z trzecim i czwartym szeregowo, h** dwa z sob¹ równolegle, do³aczone tak¿e równolegle do pozosta³ych

dwóch po³¹czonych z sob¹ szeregowo.

Tak po³aczone oporniki do³¹cz w ka¿dym przypadku do Ÿród³a napiêcia.

169* Mamy cztery jednakowe oporniki po 6 omów ka¿dy.

a Jak mo¿na je po³¹czyæ (narysuj schematy tych po³¹czeñ), aby otrzymaæ na-stêpuj¹ce opory: 1,5 W, 6 W, 8 W i 15 W?

b Jakie inne wartoœci oporów (oprócz tych, które wymieniono w punkcie a) mo¿na otrzymaæ przez po³¹czenie wszystkich czterech oporników? Narysuj schematy tych po³¹czeñ.

c Jakie dodatkowe wartoœci oporów mo¿na uzyskaæ, nie wykorzystuj¹c

wszystkich czterech posiadanych oporników?

d Ile ró¿nych oporów mo¿na zatem otrzymaæ wykorzystuj¹c te cztery oporniki?

Rozwi¹zania na str. 253, 254, 255, 256, 257

109

O pr¹dzie elektrycznym

170**

1. Do trzech identycznych oporników (ka¿dy o oporze R) po³¹czonych z sob¹

równolegle do³¹czono równolegle jeszcze jeden (czwarty) taki sam opornik.

2. Do dziesiêciu identycznych oporników po³¹czonych z sob¹ równolegle

do³¹czono równolegle jeszcze jeden (jedenasty) taki sam opornik.

3. Do stu identycznych oporników po³¹czonych z sob¹ równolegle do³¹czono równolegle jeszcze jeden (sto pierwszy) taki sam opornik.

a Oblicz, o ile procent zmaleje opór zastêpczy w ka¿dym z tych przy-

padków.

b W którym z tych przypadków natê¿enie pr¹du w przewodzie doprowa-

dzaj¹cym pr¹d do rozga³êzienia wzroœnie najbardziej?

171* Pude³ko zawiera 4 jednakowe, po³¹-

czone z sob¹ oporniki po 10 W ka¿dy. Po do³¹-

A

czeniu takiego samego napiêcia do dowolnej pary

przewodników, wystaj¹cych z tego samego boku,

A

odpowiedni amperomierz wskazuje natê¿enie

pr¹du 1 A.

a Narysuj, jak s¹ po³aczone te oporniki.

A

b Czy przez któryœ z oporników p³ynie

wówczas pr¹d o natê¿eniu 1 A? Jeœli tak, to

A

przez który? Jeœli nie, to ile wynosz¹ natê¿e-

nia pr¹dów w poszczególnych opornikach?

c Ile wynosi napiêcie, które do³¹czono do

zacisków?

172** Z trzech kawa³ków stali o jednakowych masach wyci¹gniêto trzy

przewody o d³ugoœciach: l, 2 l i 3 l, oczywiœcie ka¿dy z nich o innym polu przekro-ju poprzecznego, ale jednakowym na ca³ej d³ugoœci.

a Jeœli opór pierwszego przewodu wynosi R, to ile bêdzie wynosi³ opór dru-giego z nich, a ile trzeciego? Staraj siê nie wykonywaæ obliczeñ, lecz przedstaw s³owami odpowiednie rozumowanie.

b Ka¿dy z przewodów do³¹czono osobno do Ÿród³a o takim samym napiêciu

U. W jakim stosunku pozostan¹ do siebie natê¿enia pr¹dów, p³yn¹cych w tych przewodach: I : I : I ?

1

2

3

110

Rozwi¹zania na str. 257, 258, 259, 260

Zadania

9

c Jak nale¿a³oby po³¹czyæ z sob¹ te przewody, aby po do³¹czeniu ich do

Ÿród³a pop³ynê³y w nich pr¹dy o natê¿eniach, tworz¹cych taki stosunek, jak obliczy³eœ w punkcie b? Podaj uzasadnienie odpowiedzi.

173 Na ¿arówce, któr¹ zakupi³eœ (tak jak na ka¿dym innym urz¹dzeniu elektrycznym), podane s¹ tzw. wartoœci znamionowe: 220 V, 40 W.

a Jak¹ pracê wykona pr¹d elektryczny w tej ¿arówce w ka¿dej sekundzie, je-

œli do³¹czymy j¹ do napiêcia 220 V?

b Jakie jest natê¿enie pr¹du p³yn¹cego wówczas przez ¿arówkê?

c Ile wynosi opór tej ¿arówki?

d Jak¹ pracê wykona w tej ¿arówce pr¹d elektryczny w ci¹gu 24 h?

e Ile zap³acimy za zu¿yt¹ w tym czasie energiê elektryczn¹, jeœli 1 kWh kosz-tuje 0,14 z³ (tzn. cena wynosi 0,14 z³/kwh)?

174* Gdyby ¿arówkê z poprzedniego zadania wywieŸæ do USA, gdzie na-

piêcie w sieci wynosi nie 220 V tylko 110 V, to

a czy zmieni siê opór ¿arówki? Za³ó¿, ¿e opór drucika ¿arówki nie zale¿y od temperatury.

b jaka bêdzie moc tej ¿arówki, jeœli w³¹czymy j¹ pod napiêcie 110 V?

c ile razy zmniejszy siê moc tej ¿arówki po w³¹czeniu jej pod dwukrotnie mniejsze napiêcie?

d ile wyniesie natê¿enie pr¹du p³yn¹cego wóczas przez ¿arówkê?

175 Odszukaj w domu licznik elektryczny. Odczytaj wskazanie, odczekaj

10 dni i odczytaj ponownie. Oblicz, ile energii elektrycznej zu¿yto w twoim domu w ci¹gu 10 dni. Oblicz, ile trzeba bêdzie za ni¹ zap³aciæ.

176** Podstawowy wzór na moc pr¹du elektrycznego pozwala wyraziæ moc

przez natê¿enie pr¹du i napiêcie: P = U × I . Korzystaj¹c z wzoru U = I × R mo-

¿emy wyraziæ moc w odbiorniku przez

1. natê¿enie pr¹du I i opór odbiornika R : P = I × R× I, P = I 2 × R .

U

U 2

2. napiêcie U na zaciskach odbiornika i jego opór R : P = U ×

,

P =

.

R

R

Analizuj¹c otrzymane wzory trzej koledzy dyskutowali w klasie; ka¿dy z nich mia³ inne zdanie. Jarek twierdzi³, ¿e z pierwszego wzoru wynika, i¿ moc pr¹du Rozwi¹zania na str. 260, 261

111

O pr¹dzie elektrycznym

elektrycznego w odbiorniku jest wprost proporcjonalna do napiêcia pomiêdzy jego koñcami. Tak wiêc – zdaniem Jarka – jeœli napiêcie dwa razy wzroœnie, to moc tak¿e zwiêkszy siê dwa razy.

Rafa³ opiera³ swój pogl¹d na drugim z wzorów, w którym w ogóle nie wystêpuje napiêcie, zatem moc pr¹du w odbiorniku – zdaniem Rafa³a – wcale siê nie zmieni, gdy napiêcie na jego koñcach wzroœnie lub zmaleje.

Tomek s¹dzi³, i¿ z trzeciego wzoru wynika niezbicie, ¿e moc w odbiorniku jest wprost proporcjonalna do kwadratu napiêcia, wiêc gdy napiêcie wzroœnie dwa razy, to moc pr¹du w odbiorniku wzroœnie cztery razy.

A jak ty s¹dzisz? Który z kolegów mia³ racjê? Czy mo¿e tak byæ, ¿e z trzech wzorów, z których ka¿dy jest poprawny, wynikaj¹ sprzeczne wnioski? Wyjaœnij, jakie jest rozwi¹zanie tego problemu.

177 Do dwóch jednakowych ¿arówek, po³¹czonych szeregowo do³¹czono

napiêcie U = 6 V. Opór ka¿dej ¿arówki wynosi 5 W. Nastêpnie do drugiej z ¿aró-

wek do³¹czono równolegle jeszcze jedn¹ tak¹ sam¹ ¿arówkê.

6 V

6 V

1.

2.

1.

2.

a* Która z ¿arówek przygaœnie, a która rozb³yœnie jaœniej?

b** O ile procent zmaleje moc tej ¿arówki, która przygas³a? O ile procent wzroœnie moc tej, która rozb³ys³a jaœniej? (Pomijamy zale¿noœæ oporu ¿aró-

wek od temperatury).

178 Opór elektryczny przewodnika jest wprost proporcjonalny do jego

d³ugoœci. Fakt ten wykorzystano w konstrukcji tzw. oporników suwakowych.

Suwak S (blaszka metalowa) przesuwa siê po nie izolowanych zwojach drutu.

a Którymi dwoma zaciskami w³¹czysz opornik do obwodu, aby mo¿na by³o

zmieniaæ opór, przesuwaj¹c suwak?

112

Rozwi¹zania na str. 261, 262

Zadania

9

S

A, B, C - zaciski

S - suwak

A

B

C

b Jak zmieni siê natê¿enie pr¹du w trzech przypadkach przedstawionych na rysunkach, jeœli suwak opornika przesuniemy w prawo?

1.

2.

3.

W ka¿dym przypadku uzasadnij odpowiedŸ.

179

U = 3 V

W obwodzie przedstawionym na ry-

sunku (suwak opornika suwakowego ustawio-

ny w pozycji 0) miliamperomierz pokazuje na-

mA

R

tê¿enie pr¹du I = 5 mA. Gdy suwak opornika

0

suwakowego ustawimy w pozycji 1, 2, 3, 4, 5,

to miliamperomierz pokazuje odpowiednio:

1

2

3

4

5

6

0

4 mA, 3 mA, 2,5 mA, 2 mA, 1,5 mA.

Oblicz:

a opór R opornika, w³¹czonego na sta³e do obwodu (pomiñ opór miliampero-mierza),

b* opory R czêœci opornika suwakowego, w³¹czanych kolejno do obwodu.

x

c* Wpisz obliczone wartoœci R do tabeli i wykonaj wykres I ( R ).

x

x

pozycja suwaka

0

1

2

3

4

5

natê¿enie pr¹du (mA)

5,0

4,0

3,0

2,5

2,0

1,5

opór R (kW)

x

Rozwi¹zania na str. 262, 263

113

O pr¹dzie elektrycznym

d** Czy w przypadku ustawienia suwaka w pozycji 6 (patrz rysunek) miliamperomierz poka¿e zero? Podaj uzasadnienie odpowiedzi. Czy taka odpowiedŸ

wynika z narysowanego wykresu I ( R )?

x

180* Obecnie na ogó³ u¿ywa siê bezpieczników automatycznych, ale do nie-

dawna bezpiecznik by³ cienkim drucikiem, przez który dop³ywa³ pr¹d elektryczny do wszystkich urz¹dzeñ w naszym mieszkaniu. Jeœli przep³yn¹³ przez niego pr¹d elektryczny o zbyt du¿ym natê¿eniu, drucik topi³ siê i przerywa³ dop³yw pr¹du. Zadaniem nowoczesnych, automatycznych bezpieczników jest tak¿e prze-rywanie dop³ywu pr¹du. Dzieje siê to w dwóch przypadkach:

1. sieæ w naszym mieszkaniu jest przeci¹¿ona tzn. w³¹czyliœmy równoczeœnie za du¿o odbiorników,

2. w sieci nast¹pi³o zwarcie.

a Podaj przyk³ady ka¿dej z tych dwóch mo¿liwoœci.

1

1

1

1

b Zastosuj wzór

=

+

+

+K do przypadku zwarcia. Jeden

R

R

R

R

C

1

2

3

z oporów R , R , R , … staje siê wtedy bardzo ma³y, a jego odwrotnoœæ przyj-1

2

3

muje bardzo du¿¹ wartoœæ. Co mo¿esz wówczas powiedzieæ o ca³kowitym

oporze R ? Co mo¿esz wobec tego powiedzieæ o natê¿eniu pr¹du p³yn¹cego C

przez bezpiecznik?

6W

4A

0,5A

0,75W

D

A

2W

B

C

1W

12 V

181*

a „Rozwi¹¿ obwód” przedstawiony na rysunku, tzn. oblicz wszystkie bra-

kuj¹ce wartoœæ oporów, natê¿eñ pr¹dów i napiêæ.

b Oblicz opór zastêpczy miêdzy punktami A i D.

c Oblicz moc ka¿dego opornika.

114

Rozwi¹zania na str. 263, 264, 265

Zadania

9

182* Nalej do pustego czajnika elektrycznego 1 l wody i pozostaw na oko³o 1 h, aby temperatura wody i czajnika wyrówna³y siê z temperatur¹ otoczenia.

a Odczytaj temperaturê na termometrze pokojowym.

b W³¹cz czajnik i za pomoc¹ zegarka z sekundnikiem zmierz czas up³ywaja-

cy od chwili w³¹czenia czajnika do chwili, w której woda zaczyna wrzeæ.

c Odczytaj moc grza³ki czajnika i oblicz pobran¹ energiê elektryczn¹.

Oszacuj:

d ciep³o dostarczone wodzie, znaj¹c przyrost temperatury wody i jej ciep³o w³aœciwe (4200 J kg×K) ,

e ciep³o pobrane przez czajnik i otoczenie,

f jaki procent pobranej energii elektrycznej pobra³a woda, a jaki czajnik i otoczenie.

183* Do dwóch jednakowych ¿arówek po³¹czonych z sob¹ szeregowo do-

prowadzamy napiêcie 6 V. Ka¿da z tych ¿arówek ma moc 15 W, gdy jest sama pod³¹czona do napiêcia 6 V.

Oblicz:

a natê¿enie pr¹du, jaki p³ynie przez ¿arówki,

b napiêcia na zaciskach ka¿dej ¿arówki; czy ³atwo by³oby bez obliczania od-gadn¹æ odpowiedzi na pytania b i c? Uzasadnij odpowiedŸ,

c moc, jak¹ bêdzie mia³a teraz ka¿da z ¿arówek,

d natê¿enie pr¹du, jaki p³ynie przez ka¿d¹ ¿arówkê, gdy œwieci ona „normalnie” (tzn. wtedy, gdy na jej zaciskach panuje napiêcie 6 V).

184** Do dwóch niejednakowych ¿arówek po³¹czonych z sob¹ szeregowo

doprowadzamy napiêcie 6 V. Na oprawce pierwszej ¿arówki jest napisane: 6 V.

10 W, a na oprawce drugiej: 6 V, 15 W.

Oblicz:

a natê¿enie pr¹du, jaki w tym przypadku p³ynie przez ¿arówki,

b moc, jak¹ bêdzie teraz mia³a ka¿da z ¿arówek. Która ¿arówka bêdzie mia³a wiêksz¹ moc?

c napiêcie, jakie panuje na zaciskach ka¿dej ¿arówki (sprawdŸ, czy suma

tych napiêæ wynosi 6 V),

d natê¿enie pr¹du, jaki powinien p³yn¹æ przez ka¿d¹ ¿arówkê, aby œwieci³a

„normalnie” (tzn. wtedy, gdy na jej zaciskach panuje napiêcie 6 V).

Rozwi¹zania na str. 266, 267

115