W budowie
Pomiń nawigację
Prezentacja modułu

Moduł 03 — Natężenie prądu elektrycznego i pomiar amperomierzem — kurs Prąd elektryczny stały (kurs podstawowy)

Moduł 03 kursu Prąd elektryczny stały: definicja natężenia prądu I = q/t, jednostka amper (A), analogia hydrauliczna oraz zasady prawidłowego podłączania amperomierza.

  • 45 min
  • 17 slajdów
  • Notatki nauczyciela: N
  • Strona modułu: otwórz
Plan · 45 min

Co dziś robimy

  1. 8 minCzym jest natężenie prądu elektrycznego? $I$ — natężenie prądu elektrycznego,
  2. 5 minAnalogia hydrauliczna — prąd a płynąca woda Ładunek elektryczny $q$ odpowiada objętości wody (litrom wody w zbiorniku).
  3. 6 minJak mierzymy natężenie prądu: amperomierz Amperomierz działa jak bramka licząca na stadionie lub wodomierz w rurze: aby policzyć…
  4. 5 minRysunek: prawidłowe włączenie amperomierza do obwodu teza, kod i pytanie kontrolne
  5. 10 minAnimacja: przepływ ładunków a odczyt amperomierza W geografii natężenie przepływu rzeki podaje się w metrach sześciennych na sekundę, ale…
  6. 6 minPrzykłady obliczeniowe krok po kroku Wypisujemy dane i zamieniamy jednostki na układ SI: \[ I = 0{,}4\text{ A}, \quad t =…
  7. 5 minPodsumowanie bilet wyjściowy i zadanie domowe
Atom 1 z 7 · ~8 min

Czym jest natężenie prądu elektrycznego?

Wiemy już, że prąd elektryczny to uporządkowany ruch ładunków. Czas zadać fundamentalne pytanie fizyki: jak zmierzyć, ile tego prądu płynie? Czy przez cienki przewód ładowarki telefonu płynie tyle samo prądu, co przez gruby kabel…

  • $I$ — natężenie prądu elektrycznego,
  • $q$ — ładunek elektryczny, który przepłynął przez przekrój przewodnika (w kulombach, $\text{C}$),
  • $t$ — czas przepływu tego ładunku (w sekundach, $\text{s}$).
  • Natężenie prądu elektrycznego (oznaczane symbolem $I$) to wielkość fizyczna określająca ilość ładunku elektrycznego $q$, która przepływa przez poprzeczny przekrój…
Podstawowy wzór na natężenie prądu: \[ I = \frac{q}{t} \] gdzie:
  • $I$ — natężenie prądu elektrycznego,
  • $q$ — ładunek elektryczny, który przepłynął przez przekrój przewodnika (w kulombach, $\text{C}$),
  • $t$ — czas przepływu tego ładunku (w sekundach, $\text{s}$).
Ze wzoru tego możemy łatwo wyznaczyć całkowity ładunek: \[ q = I \cdot t \] oraz czas przepływu: \[ t = \frac{q}{I} \]
Zestawienie · atom 1 · ~3 min

Czym jest natężenie prądu elektrycznego?

Wiemy już, że prąd elektryczny to uporządkowany ruch ładunków. Czas zadać fundamentalne pytanie fizyki: jak zmierzyć, ile tego prądu płynie? Czy przez cienki przewód ładowarki telefonu płynie tyle samo prądu, co przez…

Nazwa jednostki Symbol Wartość w amperach Typowe zastosowanie
mikroamper $\mu\text{A}$ $1\ \mu\text{A} = 0{,}000001\text{ A} = 10^{-6}\text{ A}$ Zegarki na rękę, układy scalone w uśpieniu
miliamper $\text{mA}$ $1\text{ mA} = 0{,}001\text{ A} = 10^{-3}\text{ A}$ Dioda świecąca LED (10–20 mA), pilot TV
amper $\text{A}$ $1\text{ A}$ (jednostka podstawowa SI) Ładowarka telefonu (1–3 A), lodówka (1 A)
kiloamper $\text{kA}$ $1\text{ kA} = 1000\text{ A} = 10^3\text{ A}$ Błyskawica w czasie burzy (10–100 kA), huty metali
Sprawdzenie · atom 1 · ~2 min

Pytanie do klasy

Która wielkość fizyczna jest zdefiniowana jako iloraz ładunku przepływającego przez przekrój przewodnika i czasu jego przepływu?

Atom 2 z 7 · ~5 min

Analogia hydrauliczna — prąd a płynąca woda

Aby intuicyjnie zrozumieć natężenie prądu, wyobraź sobie wodociąg:

  • Ładunek elektryczny $q$ odpowiada objętości wody (litrom wody w zbiorniku).
  • Natężenie prądu $I = q/t$ odpowiada strumieniowi przepływu wody — czyli temu, ile litrów wody wypływa z rury w ciągu jednej sekundy ($\text{l/s}$).
  • Gdy kran jest odkręcony lekko, strumyk jest wąski (małe natężenie, np. $10\text{ mA}$). Gdy odkręcisz kran na maksa, płynie rwący strumień (duże natężenie, np. $10\text{…
  • Geografia: hydrolodzy opisują przepływ rzeki w metrach sześciennych na sekundę.
Sprawdzenie · atom 2 · ~2 min

Pytanie do klasy

W analogii hydraulicznej natężenie prądu odpowiada:

Atom 3 z 7 · ~6 min

Jak mierzymy natężenie prądu: amperomierz

Przyrządem służącym do pomiaru natężenia prądu elektrycznego jest amperomierz (na schematach oznaczany literą A w kółku). Prawidłowe posługiwanie się amperomierzem wymaga przestrzegania dwóch żelaznych zasad:

  • Amperomierz działa jak bramka licząca na stadionie lub wodomierz w rurze: aby policzyć przepływające ładunki, cały badany prąd musi przepłynąć przez wnętrze miernika .
  • Oznacza to, że musimy rozpiąć obwód i wpiąć amperomierz w powstałą przerwę („w szereg”).
  • Amperomierz ma bardzo mały opór wewnętrzny ($R_A \approx 0\ \Omega$), aby nie ograniczać prądu płynącego w obwodzie.
  • Podłączenie amperomierza bezpośrednio do zacisków baterii lub gniazdka wywołuje zwarcie — gwałtowny skok prądu, który zniszczy miernik, przepali bezpiecznik lub stopi…
Żelazna zasada 1: Amperomierz ZAWSZE włączamy SZEREGOWO!

Amperomierz działa jak bramka licząca na stadionie lub wodomierz w rurze: aby policzyć przepływające ładunki, cały badany prąd musi przepłynąć przez wnętrze miernika. Oznacza to, że musimy rozpiąć obwód i wpiąć amperomierz w powstałą przerwę („w szereg”).

Sprawdzenie · atom 3 · ~2 min

Pytanie do klasy

Jak należy włączyć amperomierz, aby zmierzyć prąd płynący przez żarówkę?

Ilustracja · atom 4 · ~3 min

Rysunek: prawidłowe włączenie amperomierza do obwodu

+ − Bateria A Amperomierz (szeregowo) I → Żarówka Wyłącznik (zamknięty)
Prawidłowe podłączenie amperomierza: miernik jest włączony szeregowo w jedną gałąź obwodu, mierząc prąd płynący przez żarówkę.
Sprawdzenie · atom 4 · ~2 min

Pytanie do klasy

Na schemacie amperomierz jest włączony szeregowo w górną gałąź obwodu. Co to oznacza dla przepływu prądu?

Atom 5 z 7 · ~10 min

Animacja: przepływ ładunków a odczyt amperomierza

Przesuwaj suwak natężenia prądu, aby zaobserwować, jak gęstość strumienia elektronów przekłada się na wskazania miernika i liczbę zliczanych kulombów:

  • W geografii natężenie przepływu rzeki podaje się w metrach sześciennych na sekundę, ale nie przez „liczenie kropli”, lecz przez przekrój i prędkość wody.
Symulacja · atom 5 · ~4 min

Animacja: przepływ ładunków a odczyt amperomierza

Sprawdzenie · atom 5 · ~2 min

Pytanie do klasy

W animacji zwiększasz natężenie prądu suwakiem. Co dzieje się ze strumieniem ładunków przechodzących przez przekrój przewodu?

Atom 6 z 7 · ~6 min

Przykłady obliczeniowe krok po kroku

Treść zadania: Przez żarnik lampki biurkowej płynie prąd o natężeniu $I = 0{,}4\text{ A}$. Jaki ładunek elektryczny $q$ przepłynie przez żarnik w czasie $t = 3\text{ minut}$? Ile swobodnych elektronów przeciśnie się przez żarnik w tym…

  • Wypisujemy dane i zamieniamy jednostki na układ SI: \[ I = 0{,}4\text{ A}, \quad t = 3\text{ min} = 3 \times 60\text{ s} = 180\text{ s}, \quad e = 1{,}6 \cdot…
  • Obliczamy całkowity ładunek ze wzoru $q = I \cdot t$: \[ q = 0{,}4\text{ A} \times 180\text{ s} = 0{,}4\ \frac{\text{C}}{\text{s}} \times 180\text{ s} = 72\text{ C} \]
  • Obliczamy liczbę elektronów $N = \frac{q}{e}$: \[ N = \frac{72\text{ C}}{1{,}6 \cdot 10^{-19}\text{ C}} = 45 \cdot 10^{19} = 4{,}5 \cdot 10^{20} \]
  • Zamiana jednostek: $I = 300\text{ mA} = 0{,}3\text{ A}$.
Rozwiązanie krok po kroku:
  1. Wypisujemy dane i zamieniamy jednostki na układ SI: \[ I = 0{,}4\text{ A}, \quad t = 3\text{ min} = 3 \times 60\text{ s} = 180\text{ s}, \quad e = 1{,}6 \cdot 10^{-19}\text{ C} \] Pamiętaj: Wzór $I = q/t$ wymaga podania czasu w sekundach!
  2. Obliczamy całkowity ładunek ze wzoru $q = I \cdot t$: \[ q = 0{,}4\text{ A} \times 180\text{ s} = 0{,}4\ \frac{\text{C}}{\text{s}} \times 180\text{ s} = 72\text{ C} \]
  3. Obliczamy liczbę elektronów $N = \frac{q}{e}$: \[ N = \frac{72\text{ C}}{1{,}6 \cdot 10^{-19}\text{ C}} = 45 \cdot 10^{19} = 4{,}5 \cdot 10^{20} \]
Odpowiedź: Przez żarnik przepłynie ładunek $72\text{ C}$, co odpowiada aż $450$ trylionom ($4{,}5 \cdot 10^{20}$) elektronów!
Sprawdzenie · atom 6 · ~2 min

Pytanie do klasy

Przez żarnik lampki biurkowej płynie prąd o natężeniu 0,4 A. Jaki ładunek przepłynie w ciągu 3 minut?

Zamknięcie · ~3 min

Co zabrać z lekcji

  • $I$ — natężenie prądu elektrycznego,
  • Ładunek elektryczny $q$ odpowiada objętości wody (litrom wody w zbiorniku).
  • Amperomierz działa jak bramka licząca na stadionie lub wodomierz w rurze: aby policzyć przepływające ładunki, cały badany prąd musi przepłynąć przez wnętrze…
  • Rysunek: prawidłowe włączenie amperomierza do obwodu
Bilet wyjściowy: Dlaczego liczba elektronów obliczona w przykładzie 1 jest tak ogromna i wynosi około $4{,}5 \cdot 10^{20}$?
Odpowiedź: a) Ponieważ ładunek jednego elektronu jest bardzo mały, więc na 72 C składa się ogromna liczba elektronów
Hyżyk· Moduł 03 — Natężenie prądu elektrycznego i pomiar amperomier moduł 1 / 1