Moduł 04 kursu Prąd elektryczny stały: definicja napięcia elektrycznego U = W/q, jednostka wolt (V), źródła energii, włączanie woltomierza oraz sprawdzian podsumowujący Blok I.
Dlaczego prąd płynie w obwodzie dopiero wtedy, gdy podłączymy baterię? Czym jest napięcie elektryczne, w jakich jednostkach je wyrażamy, czym różni się woltomierz od amperomierza i jak sprawdzić swoją wiedzę z całego Bloku I?
Czym jest napięcie elektryczne między dwoma punktami?
Poprawna: a) Definicja to $U = W/q$, czyli praca przypadająca na jednostkę ładunku. Iloraz ładunku i czasu opisuje natężenie prądu, a nie napięcie.
Jednostką napięcia w układzie SI jest wolt (symbol: $\text{V}$), nazwany tak na cześć włoskiego fizyka Alessandra Volty, konstruktora pierwszego ogniwa elektrycznego (1800 r.).
| Wartość napięcia | Przykłady ze świata realnego |
|---|---|
| $70\text{ mV} = 0{,}07\text{ V}$ | Potencjał spoczynkowy błony ludzkiej komórki nerwowej (neuron) |
| $1{,}5\text{ V}$ | Typowe ogniwo alkaliczne (paluszek AA lub AAA) |
| $3{,}7\text{ V}$ | Pojedyncze ogniwo litowo-jonowe w smartfonie lub laptopie |
| $9\text{ V}$ | Bateria blokowa 6LR61 (do czujników dymu i mierników) |
| $12\text{ V}$ | Akumulator kwasowo-ołowiowy w samochodzie osobowym |
| $230\text{ V}$ | Skuteczne napięcie w gniazdkach sieci domowej w Polsce i UE |
| $15\ 000\text{ V} = 15\text{ kV}$ | Napięcie w kolejowej sieci trakcyjnej prądu stałego (np. 3 kV w Polsce) |
| $110\text{ kV} - 400\text{ kV}$ | Napowietrzne linie przesyłowe najwyższych napięć |
| $100\ 000\ 000\text{ V} = 100\text{ MV}$ | Napięcie między chmurą burzową a ziemią podczas wyładowania piorunowego |
Która zależność poprawnie wyraża wolt przez jednostki podstawowe?
Poprawna: d) Wolt to dżul na kulomb, bo napięcie jest pracą na jednostkę ładunku. Odwrotny stosunek $1\text{ C}/1\text{ J}$ opisuje kulomb na dżul, a nie wolt.
Napięcie elektryczne doskonale obrazuje analogia z układem hydraulicznym:
W analogii hydraulicznej napięcie elektryczne odpowiada:
Poprawna: c) Napięcie jest przyczyną przepływu, tak jak różnica poziomów napędza wodę. Strumień wody odpowiada natężeniu prądu, a objętość ładunkowi.
Przyrządem służącym do pomiaru napięcia elektrycznego jest woltomierz (na schematach oznaczany literą V w kółku). Sposób posługiwania się woltomierzem różni się diametralnie od używania amperomierza:
Napięcie to różnica potencjałów między dwoma punktami. Aby je zmierzyć, nie rozpinamy obwodu! Końcówki pomiarowe woltomierza po prostu przykładamy do dwóch wybranych punktów układu (np. do dwóch zacisków żarówki lub biegunów baterii).
Jak należy włączyć woltomierz, aby zmierzyć napięcie na żarówce?
Poprawna: a) Napięcie mierzy się między dwoma punktami, więc woltomierz dołącza się równolegle do żarówki. Rozpinanie obwodu jest konieczne przy amperomierzu, nie przy woltomierzu.
Na schemacie woltomierz jest dołączony do górnego i dolnego zacisku żarówki. Co mierzy?
Poprawna: d) Końcówki miernika są przyłożone do wyprowadzeń żarówki, więc mierzy on różnicę potencjałów właśnie na niej. Natężenie mierzyłby amperomierz włączony szeregowo.
W animacji zwiększasz napięcie źródła przy stałym ładunku próbnym. Co dzieje się z pracą $W = U \cdot q$?
Poprawna: c) Przy stałym $q$ praca jest wprost proporcjonalna do napięcia, więc podwojenie napięcia podwaja pracę. Zależność odwrotna zachodziłaby przy dzieleniu przez napięcie.
Treść zadania: Akumulator wkrętarki o napięciu $U = 18\text{ V}$ zasila silnik. W czasie wiercenia otworu przez silnik przepłynął ładunek $q = 40\text{ C}$. Jaką pracę $W$ wykonały siły pola elektrycznego w tym czasie?
Akumulator wkrętarki ma napięcie 18 V, a przez silnik przepłynął ładunek 40 C. Jaką pracę wykonały siły pola?
Poprawna: b) Korzystamy z $W = U \cdot q$, czyli $18\text{ V} \times 40\text{ C} = 720\text{ J}$. Wynik 0,45 J to skutek podzielenia napięcia przez ładunek.