Elektrotechnika - to nie takie trudne! (część 1)

Obwód elektryczny

Najogólniej biorąc obwód elektryczny prądu stałego składa się ze źródeł prądu i przewodników. Najprostszy obwód prądu przedstawiony jest na rysunku poniżej.

Jest to tzw. oczko, składające się ze źródła prądu (generator, akumulator, bateria sucha, termoogniwo itd.), które charakteryzuje się tzw. siłą elektromotoryczną SEM i rezystancją wewnętrzną R_w. Przewodniki przyłączone do źródła prądu charakteryzują się rezystancją R. Nie czekając na zarzuty wyjaśniam, że darowałem sobie opis budowy i zasad działania źródeł prądu stałego, ponieważ zakładam, że zostało to w dostatecznym zakresie wyjaśnione na lekcjach fizyki. Pisałem o tym we wstępie. Zwracam też uwagę na bardzo często popełniany błąd - ponieważ napięcie jest różnicą potencjałów, nie można go zaznaczać jako linię zakończoną dwoma strzałkami. Powinna być tylko jedna, wskazująca punkt o wyższym potencjale.

Praca wykonana przy przenoszeniu jednostkowego ładunku elektrycznego wzdłuż zamkniętego obwodu jest równa zeru. Uwaga: litera E w poniższych wzorach oznacza siłę elektromotoryczną źródła prądu, a nie natężenie pola!

- E + U_R + U = - E + I*R_W + I*R = 0

Z tej zależności wynika prawo Ohma dla zamkniętego obwodu elektrycznego:

Natomiast wyrażenie U = E - I*R_W wskazuje, że siła elektromotoryczna źródła prądu jest równa napięciu na jego zaciskach, w sytuacji gdy obwód jest otwarty (brak przepływu prądu w obwodzie).

W tym momencie musicie zapamiętać najważniejszą rzecz dotyczącą obwodów elektrycznych: sposób zaznaczania spadków napięcia na rezystancjach obwodu. Zasada jest bardzo prosta: napięcia zaznaczamy wektorem (strzałką), której grot jest skierowany przeciwnie do kierunku przepływu prądu, wskazując punkt o wyższym napięciu. Wbrew faktycznemu kierunkowi przepływającego prądu (strumień ruchliwych elektronów) w obwodzie prądu stałego przyjęto, że prąd płynie od bieguna + do bieguna -. Prawdę powiedziawszy nie ma to żadnego znaczenia, jak chodzi o wszelkie skutki jego przepływu, natomiast znakomicie ułatwi posługiwanie się równaniami Kirchhoffa.

W praktyce elektrotechnicy posługują się tzw. schematami obwodów elektrycznych. Aby nieco przybliżyć do rzeczywistości bardzo suchą teorię przedstawiam schemat obwodu, z którym zetknął się chyba każdy.

To głupi i banalny przykład? Jak dla kogo! Wszak od czegoś trzeba zacząć! Wyłącznik W zamyka lub przerywa obwód prądu i żaróweczka Ż w latarce świeci się (lub nie) dzięki jej połączeniu przewodami P ze źródłem prądu, czyli baterią B. Proste? Mam nadzieję, że tak. Dodam, że symbole elementów są znormalizowane i zasadniczo takie same we wszystkich państwach. Ale... trzeba pamiętać o tzw. dopasowaniu napięciowym źródła prądu i obciążenia. O co chodzi? Jeżeli nasza bateria ma napięcie 3 V, to żarówka też musi być przystosowana do pracy przy napięciu 3 V. Mówimy wtedy, że nominalne napięcie jej pracy wynosi 3 V. Jeżeli nie dopełnimy tego warunku, to żarówka albo będzie świeciła zbyt słabo (za duże napięcie nominalne), albo przepali się (za małe napięcie nominalne). Ta zasada dotyczy wszystkich odbiorników prądu elektrycznego. Jeżeli, z różnych powodów, w skład obwodu wchodzą jedynie oporniki, to czynnikiem decydującym o dopasowaniu nie będzie wartość napięcia, ale moc, którą bez obawy jego zniszczenia, można wydzielić w oporniku. Będzie to tzw. moc nominalna opornika. Do jej określenia używa się prawa Ohma. Jeżeli opornik będzie pracował np. pod napięciem 12 V, a jego wartość wynosi 100 Ω, to jego moc nominalna powinna być większa lub równa P = U²/R = 1, 44 W. W praktyce dobiera się (z pewnym zapasem), opornik o mocy 2 W.