Gymnázium, Brno, Elgartova 3
GE - Vyšší kvalita výuky CZ.1.07/1.5.00/34.0925
III/2 Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT Téma: Elektřina a magnetismus
Autor: Název:
Alena Škárová Jednoduchý elektrický obvod, zdroj elektrického napětí
Datum vytvoření:
19. 11. 2013
Cílová skupina:
Střední školy
Vzdělávací obor:
Fyzika
Anotace: Tento učební materiál uvádí jednoduchý elektrický obvod a definuje zdroj elektrického napětí. Tyto pojmy jsou součástí tématu Elektřina a magnetismus, který je vyučován v předmětu fyzika na středních školách zpravidla ve třetím ročníku. V závěru textu jsou úkoly k procvičení.
Metodické pokyny: Prostudujte jednoduchý elektrický obvod a seznamte se s elektrickým zdrojem napětí. K procvičení vyřešte úkoly, které jsou uvedeny v závěru kapitoly.
Jednoduchý elektrický obvod Spínač Elektrický + zdroj napětí −
Spojovací vodiče
Elektrický spotřebič (žárovka)
Jednoduchý elektrický obvod obsahuje: ● Elektrický zdroj napětí = zařízení, které ve vodivých částech obvodu vytváří elektrické pole → volné částice s nábojem se uspořádaně pohybují → uzavřeným obvodem prochází elektrický proud. Zdroj napětí = aktivní část elektrického obvodu. ● ●
●
Spínač = zařízení pro spínání a rozpínání obvodu. Elektrický spotřebič = zařízení, které elektrickou energii převádí na jiný druh energie (např. žárovka → světelná, elektromotor → mechanická). Spojovací vodiče → propojují jednotlivá zařízení obvodu. Nejčastěji se používají vodiče z mědi a hliníku. Jsou chráněny izolačním materiálem.
Elektrický proud se měří ampérmetrem, který se zapojuje do obvodu vždy sériově. Elektrické napětí se měří voltmetrem, který se připojuje k měřené části obvodu (spotřebiči) vždy paralelně. A V
Elektrický zdroj napětí ●
●
●
přeměňuje jiný druh energie na energii elektrickou udržuje stálé napětí mezi svorkami uvnitř zdroje charakteristické vlastnosti zdroje: ➢
➢
elektromotorické napětí Ue uvnitř zdroje svorkové napětí U mezi venkovními svorkami zdroje
Schéma elektrického zdroje → vyznačení sil, které působí na kladné volné částice.
+
Fel
+ příjem energie
+
Ue
Fneel Fel
−
U
výdej energie
Ve vnější části obvodu se volné částice s nábojem pohybují ve směru působení elektrostatických sil. Ty při tomto pohybu konají práci:
W=U∙Q Uvnitř zdroje se ale volné částice pohybují proti směru elektrostatických sil → zde působí ještě jiné síly neelektrostatického původu. Tyto síly konají práci Wz uvnitř zdroje při přenesení náboje Q → na základě čehož se definuje elektromotorické napětí:
Wz U e= Q
K vnějším svorkám zdroje není připojen spotřebič → zdrojem neprochází proud (zdroj naprázdno) → elektrostatické a neelektrostatické síly jsou v rovnováze → napětí nezatíženého zdroje se nazývá napětí naprázdno U0 a platí:
U0 = U e Připojením spotřebiče → poruší se rovnováha elektrostatických a neelektrostatických sil → práce neelektrostatických sil se částečně spotřebuje uvnitř zdroje → pro zatížený zdroj platí:
U < Ue Svorkové napětí zatíženého zdroje je menší než elektromotorické napětí.
Druhy zdrojů napětí 1. chemické zdroje (galvanické články): a) jednorázové zdroje → Voltův článek, salmiakový článek, alkalický článek b) dobíjitelné zdroje → olověný akumulátor, alkalický akumulátor 2. mechanické zdroje → dynamo, alternátor 3. tepelné zdroje → termočlánek 4. fotoelektrické zdroje → fotoelektrický (sluneční) článek 5. palivové články 6. fyziologické zdroje → rejnok, paúhoř
Úkoly: 1. Baterie suchých článků do kapesní svítilny dodává po dobu 70 minut proud 20 mA při svorkovém napětí 4,5 V. Jaký náboj projde za tuto dobu průřezem vodiče? Jakou práci vykonají elektrické síly ve vnější části obvodu? 2. Na štítku akumulátoru je údaj 40 Ah, který znamená, že v elektrickém obvodu s tímto akumulátorem může procházet např. elektrický proud 0,5 A po dobu 80 h. Jakou veličinu představuje údaj 40 Ah? Jakou práci vykoná akumulátor při přenosu částic s celkovým nábojem 10 kC, jeli elektromotorické napětí akumulátoru 12 V?
Řešení: 1. Průřezem vodiče projde náboj 84 C, elektrické síly ve vnějším obvodu vykonají práci 378 J. 2. Údaj 40 Ah představuje elektrický náboj 144 kC, akumulátor vykoná práci 120 kJ.
Použitá literatura 1.LEPIL, Oldřich; ŠEDIVÝ, Přemysl. Elektřina a magnetismus. Fyzika pro gymnázia. Praha: Prometheus s.r.o, 2003, ISBN 80-7196-202-3. 2.SVOBODA, Emanuel a kol. Přehled středoškolské fyziky. Praha: Státní pedagogické nakladatelství, 1991, ISBN 80-04-22435-0. Pokud není uvedeno jinak jsou obrázky vlastním dílem autorky. Jsou vytvořeny v programu LibreOffice Impress. Elektrické obvody jsou kresleny ve freewarovém programu FidoCad.
