Prąd elektryczny prezentacja do wykładu 4. FIZYKA i BIOFIZYKA Prąd elektryczny prezentacja do wykładu 4. dr Dorota Wierzuchowska

        Prawo Coulomba Dwa punktowe i nieruchome ładunki elektryczne q i Q działają na siebie siłą wprost proporcjonalną do iloczynu tych ładunków, a odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości r między nimi: eo jest przenikalnością elektryczną próżni

Potencjał elektryczny Aby przesunąć ładunek w polu elektrycznym należy wykonać pracę przeciwko siłom pola. Potencjał w danym punkcie pola elektrycznego jest to praca, jaką należy wykonać, aby przesunąć jednostkowy ładunek dodatni z nieskończoności do danego punktu. Swobodny, dodatni ładunek elektryczny porusza się w polu z punktu o potencjale wyższym do punktu o potencjale niższym.

Prąd elektryczny Jest to uporządkowany (skierowany) ruch ładunków elektrycznych. Wielkością opisującą prąd elektryczny jest natężenie prądu elektrycznego I, które definiuje się jako ilość ładunku elektrycznego q, który przepływa przez poprzeczny przekrój przewodnika w jednostce czasu: I=dq/dt

Warunki przepływu prądu elektrycznego Ładunki elektryczne w przewodniku poruszają się pod wpływem pola elektrycznego. Warunkiem przepływu prądu w obwodzie jest istnienie różnicy potencjałów. Obwód musi być zamknięty.

Źródła napięcia elektrycznego Aby prąd w przewodniku mógł płynąć nieprzerwanie, konieczne są urządzenie podtrzymujące różnicę potencjałów. Ogniwo elektryczne (bateria) wytwarza różnicę potencjałów kosztem energii reakcji chemicznych i jest źródłem napięcia stałego. Prądnica jest źródłem napięcia zmiennego i działa w oparciu o zjawisko indukcji elektromagnetycznej.

Siła elektromotoryczna Siła elektromotoryczna e źródła to różnica potencjałów (napięcie) między biegunami źródła otwartego - gdy opór zewnętrzny jest nieskończenie duży.

Rodzaje prądu elektrycznego Prąd stały charakteryzuje się stałą wartością natężenia oraz stałym kierunkiem przepływu. Prąd zmienny to taki prąd elektryczny, którego wartość natężenia jest zmienna w czasie.

Różne rodzaje zmienności prądu

Ogniwo Volty Ogniwo Volty stanowią płytki - cynkowa i miedziana - zanurzone w roztworze wodnym kwasu siarkowego. Źródłem prądu są reakcje chemiczne zachodzące między elektrodą, a  elektrolitem. elektroda cynkowa: Zn --> Zn2+ + 2e elektroda miedziana: 2 H+ + 2e --> H2

Prawo Ohma Prawo Ohma mówi, że natężenie I prądu stałego jest proporcjonalne do całkowitej siły elektromotorycznej w obwodzie zamkniętym lub do różnicy potencjałów (napięcia elektrycznego) między końcami części obwodu nie zawierającej źródeł siły elektromotorycznej. Prawidłowość tę odkrył w 1827 Georg Simon Ohm. Można ją opisać jako: Współczynnik proporcjonalności w tej relacji to 1/R, gdzie R to opór przewodnika .

Warunki stosowalności prawa Ohma Prawo to jest prawem doświadczalnym. Materiały, które się do niego stosują, nazywamy przewodnikami omowymi lub "przewodnikami liniowymi" - w odróżnieniu od przewodników nieliniowych, w  których opór jest funkcją natężenia płynącego przez nie prądu. Prawo Ohma najlepiej jest spełnione dla metali. Prawo to nie jest spełnione, gdy zmieniają się parametry przewodnika, np. temperatura.

Pierwsze prawo Kirchhoffa wynika z zasady zachowania ładunku i dotyczy przepływu prądu w rozgałęzieniach obwodu elektrycznego. Suma algebraiczna natężeń prądów dopływających(+) i odpływających(-) z danego węzła jest równa 0 lub w innym sformułowaniu Suma natężeń prądów dopływających do węzła jest równa sumie natężeń prądów wypływających z tego węzła.

Drugie prawo Kirchhoffa wynika z zasady zachowania energii; dotyczy bilansu napięć w zamkniętym obwodzie elektrycznym. Suma wartości chwilowych sił elektromotorycznych występujących w  obwodzie zamkniętym równa jest sumie wartości chwilowych napięć elektrycznych na elementach tego obwodu: S Ei = S Uk

Prąd okresowo zmienny Jest szczególnym przypadkiem prądu zmiennego. Jego natężenie zmienia się w sposób okresowy. Wartości chwilowe natężenia I(t) i kierunek przepływu prądu powtarzają się w  jednakowych odstępach czasu (okresach T).

Prąd przemienny Stosunkowo największe znaczenie praktyczne mają prądy o sinusoidalnej zależności natężenia od czasu. Ich przepływ powodowany jest istnieniem w obwodzie sinusoidalnie zmiennej siły elektromotorycznej. W technice często nazwa prąd przemienny oznacza prąd sinusoidalny: I(t)=Iosin wt w = 2p/T

Siła magnetyczna Na ładunek poruszający się w polu magnetycznym (magnesu stałego lub prądu elektrycznego) działa (niezależnie od siły elektrycznej) siła prostopadła do jego prędkości. Wektor B to indukcja pola magnetycznego.

Strumień indukcji magnetycznej Strumień indukcji magnetycznej przepływający przez powierzchnię płaską o polu S, to iloczyn skalarny wektora indukcji magnetycznej B i normalnego do tej powierzchni wektora S, którego długość jest równa wielkości powierzchni. α - kąt między wektorami B i S

Indukcja elektromagnetyczna Jest to zjawisko powstawania siły elektromotorycznej e w przewodniku pod wpływem zmian strumienia indukcji pola magnetycznego FB na skutek zmian pola magnetycznego B lub ruchu przewodnika w polu magnetycznym:

Prądnica prądu zmiennego Do wytwarzania prądu elektrycznego stosuje się obecnie najczęściej prądnice prądu zmiennego (alternatory, generatory w elektrowniach). Podstawą ich działania, jak i wielu innych urządzeń elektrycznych, takich jak transformatory, piece indukcyjne itp., jest zjawisko indukcji elektromagnetycznej.

Siła elektrodynamiczna       Siła elektrodynamiczna to siła F, która działa na przewodnik elektryczny o długości l, przez który płynie prąd elektryczny o natężeniu I, znajdujący się w polu magnetycznym o indukcji B. Wartość tej siły określa równanie: F = B I l sina a- kąt między kierunkiem przepływu prądu a kierunkiem linii pola.

Silnik elektryczny Powstawanie siły elektrodynamicznej jest podstawą działania silników elektrycznych

Elektryczne właściwości materii Pod względem własności przewodzenia prądu elektrycznego substancje możemy podzielić na: przewodniki półprzewodniki izolatory

Pasmowa teoria ciała stałego W przypadku ciała stałego elektrony oddziałują nie tylko z jądrem i elektronami własnego atomu, lecz znajdują się w polu będącym wypadkową oddziaływań wszystkich jąder i elektronów. Dozwolone poziomy energetyczne elektronów tworzą tzw. pasma energetyczne przedzielone pasmami wzbronionymi. Pasma wzbronione, nazywane też przerwami energetycznymi, to zakresy energii, których elektronom nie wolno zajmować.

pasmo walencyjne (pasmo podstawowe) - zakres energii jaką posiadają elektrony walencyjne związane z jądrem atomu; pasmo przewodnictwa - zakres energii jaką posiadają elektrony walencyjne uwolnione z atomu, będące wówczas nośnikami swobodnymi w ciele stałym.

E Pasmo przewodnictwa Uproszczony schemat układu poziomów energetycznych elektronów w ciele stałym Pasmo wzbronione Pasmo walencyjne

Przewodniki W przewodnikach pasmo przewodnictwa i walencyjne zachodzą na siebie, w częściowo zapełnionym paśmie walencyjnym elektrony mogą zmieniać swoją energię. Występuje dużo elektronów swobodnych tworzących wewnątrz przewodnika tzw. gaz elektronowy i  możliwy jest przepływ prądu. Srebro, miedź, złoto, aluminium, stal, żelazo, grafit

Półprzewodniki Charakteryzują się pośrednią szerokością pasma wzbronionego. Część elektronów z pasma walencyjnego może przeskoczyć przez niewielką przerwę energetyczna do pasma przewodnictwa pod wpływem względnie niskiego napięcia zewnętrznego lub promieniowania elektromagnetycznego. German, krzem, arsenek galu, azotek galu

Izolatory Izolatory, np. dielektryki, charakteryzują się tym, że szerokość przerwy energetycznej jest duża, a przy tym wszystkie pasma są całkowicie zapełnione. W izolatorach występuje niska koncentracja nośników swobodnych. Szkło , porcelana, specjalna guma, pewne rodzaje plastików, suche drewno, olej transformatorowy, suche powietrze, próżnia, czysta chemicznie woda.

Mechanizm przewodzenia prądu Pod wpływem przyłożonego napięcia, elektrony są przyspieszane i zwiększają energię co na wykresie można przedstawić jako przemieszczanie się elektronu ku górze w obrębie pasma przewodnictwa (tylko elektrony z pasma przewodnictwa, bo pasma walencyjne są zapełnione). Elektrony zderzają się z jonami sieci krystalicznej tracąc przy tym energię, czyli "spadają" na dół pasma. Następnie znowu są przyspieszane itd. Elektrony mogą przemieszczać się w ramach pasma, a nie mogą przeskoczyć do następnego, gdyż to wymaga energii większej niż szerokość pasma.

Przepływ prądu w tkankach Pod wpływem napięcia elektrycznego w  organizmach żywych powstają jonowe prądy elektryczne. Natężenie tych prądów zależy od oporności tkanki. Opór tkanek wynika głównie z oporności błon komórkowych. Opór właściwy (opór jednostki długości przewodnika o jednostkowej powierzchni przekroju) tkanek zależy od warunków i rodzaju tkanki.

Oporności właściwe tkanek Tkanka Oporność właściwa [W m] Woda 106 skóra 1,6-4,75 tkanka tłuszczowa 12 wątroba 1,2-1,45 śledziona 0,86-1,05 płuca 0,96-1,05 mięśnie 0,8-1,0 mózg 1,64-2,28 Wartości oporności właściwych podawane w różnych źródłach bardzo się różnią, o kilka rzędów wielkości!!!

Oporności właściwe komórek Oporności właściwe komórek zwierzęcych i roślinnych dla prądów stałych wynoszą około 104-105 W m (wartości charakterystyczne dla półprzewodników) Pomiary eliminujące wpływy zewnętrzne (warstwa wody na powierzchni komórek, przepływ jonów w przestrzeni międzykomórkowej), dostarczają wyższych wartości, np. 1010 W m dla krwinek czerwonych (charakterystyczne dla izolatorów). W normalnych warunkach całkowita oporność ciała ludzkiego wynosi około 1 kΩ.

Wpływ prądów na organizmy Szkodliwy wpływ przepływu prądu zależy od jego rodzaju. Prąd stały jest mniej szkodliwy niż prąd przemienny, dlatego też dopuszczalne są około dwukrotnie większe wartości napięć bezpiecznych stałych niż przemiennych. Napięcie stałe do 12V nie jest odczuwalne, 24V powoduje mrowienie, do 120 V jest uznawane za bezpieczne.

Najbardziej drażniące działanie wywierają prądy zmienne o małej częstości 30-150 Hz, ich wpływu nie osłabiają efekty polaryzacyjne i dyfuzyjne. Prądy o dużych częstościach mają nawet korzystne działanie, stosowane są w terapii. Przepływ prądu przemiennego o wartości powyżej 50 mA zaczyna powodować nieodwracalne uszkodzenia w organizmie ludzkim. Z prawa Ohma wynika, że bezpieczna wartość napięcia przemiennego to: 1 kΩ · 50 mA = 50 V. W warunkach specjalnych (podwyższone zagrożenie np. praca w czasie deszczu) bezpieczna wartość napięcia wynosi 25V .

DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ