21. Sformułować i na przykładzie objaśnić II prawo Kirchhoffa.
II Prawo Kirchhoffa (Napięciowe), W dowolnym oczku obwodu elektrycznego prądu stałego suma algebraiczna napięć źródłowych „E” jest równa sumie algebraicznej napięć odbiornikowych „U”.
|
Np. |
|
(1) |
Jeśli oczko nie zawiera źródeł napięcia „E” to suma algebraiczna napięć odbiornikowych „U” równa się zeru, (Zasada Bilansu napięć).
|
Np. |
|
(2) |
22. Sformułować i na przykładzie objaśnić prawo Ohma.
Natężenie prądu „I” płynącego przez przewodnik „R” jest wprost proporcjonalny do napięcia „U” przyłożonego między jego końcami.
|
|
|
(3) |
23. Omówić dzielnik prądu w obwodach prądu stałego.
Dwa lub więcej pasywnych elementów elektrycznych (np. rezystory),które są połączone równolegle.
Prądy płynące przez rezystory połączone równolegle rozpływają się odwrotnie proporcjonalnie do wartości ich rezystancji:
|
|
|
(4) |
|
|
|
(5) |
24. Omówić dzielnik napięcia w obwodach prądu stałego.
Dwa elementy pasywne (np., rezystory), które są połączone szeregowo.
|
|
|
(6) |
Napięcia na rezystorach połączonych szeregowo mają się do napięcia zasilania jak ich rezystanacje do rezystancji zastępczej:
|
|
|
(7) |
25. Wyjaśnić fizycznie istotę prądu elektrycznego.
Jest to uporządkowany ruch ładunków elektrycznych. Prąd elektryczny możemy wyrazić zależnością:
|
|
|
(8) |
Natężenie prądu elektrycznego to stosunek ładunku elektrycznego „Q”, który przepływa przez przekrój przewodu w czasie „t”, do tego czasu.
Jeśli natężenie prądu elektrycznego w funkcji czasu nie ulega zmianie , to taki prąd nazwiemy prądem stałym.
Jeżeli prąd elektryczny w funkcji czasu zmienia swoją wartość, to taki prąd nazwiemy prądem zmiennym
26. Scharakteryzować rezystor idealny jako element obwodu elektrycznego.
Rezystor (Opornik) jest to element pasywny, w którym zachodzi zamiana energii elektrycznej na ciepło.
Rezystor Idealny to abstrakcyjny model matematyczny, służacy do opisu właściwości rezystora w prosty sposób. Cechy:
- Ohmowski charakter: Rezystor idealny jest ohmowski, co oznacza, że stosunek napięcia (V) do natężenia prądu (I) jest stały i niezależny od wartości napięcia i prądu. Zgodnie z prawem Ohma, rezystancja (R) jest stała i wynosi V/I.
- Brak indukcyjności i pojemności: Rezystor idealny jest pozbawiony indukcyjności (L) i pojemności (C). Oznacza to, że nie ma opóźnienia w reakcji prądu na zmiany napięcia oraz brak efektów pojemnościowych.
- Brak efektów termicznych: Rezystor idealny nie generuje ciepła w wyniku przepływającego przez niego prądu. W rzeczywistości rezystory rzeczywiste zawsze generują trochę ciepła z powodu oporu elektrycznego, ale model idealny pomija ten aspekt.
- Stała wartość rezystancji: Rezystor idealny posiada stałą wartość rezystancji niezależną od częstotliwości prądu przemiennego czy wartości napięcia.
- Bez wpływu temperatury: W rezystorze idealnym temperatura nie ma wpływu na jego rezystancję. W rzeczywistych rezystorach zmiany temperatury mogą wpływać na wartość rezystancji.
27. Scharakteryzować kondensator idealny jako element obwodu elektrycznego.
Kondensator jest to dwójnik pasywny zachowawczy, zdolny do akumulowania energii w polu elektrycznym
Kondensator idealny to abstrakcyjny model matematyczny, który opisuje właściwości kondensatora w sposób idealny. Cechy:
1. Brak strat energii: Kondensator idealny nie generuje strat energii w postaci ciepła ani innych form. W rzeczywistości kondensatory rzeczywiste zawsze mają pewne straty energetyczne związane z rezystancją wewnętrzną i innymi czynnikami.
2. Bez oporu: Kondensator idealny jest pozbawiony oporu elektrycznego, co oznacza, że prąd może swobodnie przepływać przez niego bez żadnych strat.
3. Bez indukcyjności: Kondensator idealny nie posiada indukcyjności, co oznacza, że nie ma oporu na zmiany prądu. W rzeczywistości kondensatory mają pewną indukcyjność, zwłaszcza te z długimi przewodami lub spiralne struktury.
4. Brak efektów rezystancyjnych i pojemnościowych: Kondensator idealny nie ma wpływu rezystancyjnego ani pojemnościowego na obwód. W rzeczywistych kondensatorach występują pewne efekty związane z rezystancją i pojemnością, ale model idealny pomija te aspekty.
5. Zależność ładunku i napięcia: Zgodnie z równaniem kondensatora Q = CV, gdzie Q to ładunek, C to pojemność kondensatora, a V to napięcie na kondensatorze, kondensator idealny utrzymuje stały stosunek ładunku do napięcia.
6. Bez wpływu temperatury: Kondensator idealny nie jest podatny na wpływ temperatury. W rzeczywistych warunkach zmiany temperatury mogą wpływać na właściwości dielektryka w kondensatorze.
28. Scharakteryzować cewkę idealną jako element obwodu elektrycznego.
Cewka (Induktor) jest to dwójnik pasywny zachowawczy, zdolny do gromadzenia energii w polu magnetycznym. Indukuje się w niej napięcie zwane siłą elektromotoryczną (SEM)
Cewka idealna to abstrakcyjny model matematyczny, który opisuje właściwości cewki w sposób idealny. Cechy:
1. Brak oporu: Cewka idealna jest pozbawiona oporu elektrycznego, co oznacza, że prąd może swobodnie przepływać przez nią bez żadnych strat na skutek oporu. W rzeczywistości cewki mają pewien opór, który generuje ciepło podczas przepływu prądu.
2. Indukcyjność: Główną cechą cewki idealnej jest jej zdolność do indukowania napięcia w odpowiedzi na zmiany prądu. Wzrost prądu przez cewkę powoduje wzrost strumienia magnetycznego, co z kolei indukuje napięcie w cewce zgodnie z prawem Faradaya.
3. Brak strat mocy: Cewka idealna nie generuje strat mocy, co oznacza, że nie zamienia energii elektrycznej na ciepło. W rzeczywistości cewki rzeczywiste mają pewne straty związane z oporem elektrycznym ich cewek.
4. Brak pojemności: Cewka idealna jest pozbawiona pojemności elektrycznej. W rzeczywistości, cewki mają pewną pojemność, zwłaszcza te z długimi przewodami lub skomplikowanymi konstrukcjami.
5. Brak wpływu temperatury: Cewka idealna nie jest podatna na wpływ temperatury. W rzeczywistości, zmiany temperatury mogą wpływać na właściwości magnetyczne rdzenia cewki i tym samym na jej indukcyjność.
6. Stała indukcyjność: Indukcyjność cewki idealnej jest stała i niezależna od wartości prądu czy napięcia. W rzeczywistości, indukcyjność cewki może się zmieniać w zależności od różnych czynników.
29. Parametry przebiegu sinusoidalnego (amplituda, wartość skuteczna, wartość średnia, przesunięcie fazowe, częstotliwość). Napięcia i prądy jako sygnały sinusoidalnie zmiennych wielkości fizycznych.
· Amplituda-
(amplituda funkcji) lub inaczej największa wartość, którą osiąga funkcja
sinusoidalna czyli 
· Częstotliwość- „f”, czyli liczba okresów na sekundę [Hz]
· Okres funkcji- „T”, [s]
· Pulsacja- „w”, [rad/s]
· Kąt fazowy (inaczej faza początkowa),[rad]
· Przesunięcie fazowe- różnica faz, dwóch przebiegów sinusoidalnych o jednakowej pulsacji. (!Napięcie wyprzeda w fazie prąd!)
· Wartość
skuteczna- wartość prądu stałego, który przepływając przez niezmienną
rezystancje R, w czasie odpowiadającym okresowi T, spowoduje wydzielenie na tej
rezystancji takiej samej ilości energii cieplnej, co prąd sinusoidalny w tym
samym czasie: 
· Wartość średnia- średnia arytmetyczna wartości w jednym okresie.
30. Podstawowe wielkości fizyczne obwodów elektrycznych w dziedzinie liczb zespolonych (prąd, napięcie, moc).
31. Podstawowe idealne elementy obwodów elektrycznych w dziedzinie liczb zespolonych.
32. Wyjaśnić spełnienie I prawa Kirchhoffa na podstawie wskazań trzech amperomierzy elektromagnetycznych, które są włączone w gałęziach połączonych w jednym węźle.
33. Wyjaśnić spełnienie II prawa Kirchhoffa na podstawie wskazań trzech woltomierzy elektromagnetycznych, które są włączone w przykładowym oczku obwodu elektrycznego.
34. Definicja pola magnetycznego. Podstawowe wielkości charakteryzujące to pole.
Polem magnetycznym nazywamy przestrzeń otaczającą magnes trwały lub przewodnik przewodzący prąd.
1. Indukcja magnetyczna (B): Indukcja magnetyczna to miara siły pola magnetycznego w danym punkcie. Oznacza się ją literą "B" i jednostką jest tesla (T) w układzie SI.
2. Natężenie pola magnetycznego (H): Natężenie pola magnetycznego, oznaczane jako "H", mierzy siłę pola magnetycznego wytwarzanego przez prąd elektryczny. Jego jednostką w układzie SI jest amper na metr (A/m).
3. Siła magnetyczna: Siła magnetyczna działa na poruszające się ładunki elektryczne w polu magnetycznym. Jest proporcjonalna do ładunku, prędkości i składowej prostopadłej do pola magnetycznego.
4. Strumień magnetyczny (Φ): Strumień magnetyczny to ilość linii pola magnetycznego przechodzących przez daną powierzchnię prostopadle do tej powierzchni. Oznacza się go jako "Φ" i jednostką jest weber (Wb) w układzie SI.
35. Definicja pola elektrycznego. Podstawowe wielkości charakteryzujące to pole.
Pole elektryczne to obszar wokół naładowanego ciała, w którym działa siła elektryczna na inne naładowane ciała. Pole elektryczne można opisać za pomocą koncepcji linii pola elektrycznego, które wskazują kierunek, w jakim działa siła elektryczna na dodatni ładunek próbny umieszczony w danym punkcie przestrzeni.
Podstawowe wielkości charakteryzujące pole elektryczne to:
1. Natężenie pola elektrycznego (E): Natężenie pola elektrycznego to ilość siły elektrycznej wywieranej na jednostkowy dodatni ładunek próbny umieszczony w danym punkcie pola. Oznacza się je jako E i jednostką w układzie SI jest volt na metr (V/m).
2. Napięcie elektryczne (V): Napięcie elektryczne między dwoma punktami w polu elektrycznym jest pracą wykonaną w przesuwaniu jednostkowego dodatniego ładunku od jednego punktu do drugiego w przeciwnym kierunku pola elektrycznego. Jednostką napięcia jest volt (V).
3. Praca elektryczna (W): Praca elektryczna wykonana nad ładunkiem w polu elektrycznym jest równa iloczynowi napięcia (V) i przemieszczenia (d) tego ładunku w kierunku przeciwnym do pola. Praca jest mierzona w dżulach (J).
4. Ładunek elektryczny (q): Ładunek elektryczny to właściwość materii, która jest nośnikiem oddziaływań elektromagnetycznych. Jednostką ładunku w układzie SI jest kulomb (C).
36. Przenikalność magnetyczna i jej fizyczne znaczenie.
Przenikalność magnetyczna to właściwość materiału, która określa, w jaki sposób materiał reaguje na pola magnetyczne. Jest to wskaźnik, jak łatwo dany materiał ulega namagnesowaniu w obecności pola magnetycznego. Oznacza się ją symbolem μ (mu) i mierzy się w jednostkach henrów na metr (H/m) lub tesli na amper (T/A).
1. Namagnesowanie materiału: W obecności pola magnetycznego materiały z przenikalnością magnetyczną różnią się w zdolności do zostania namagnesowanymi. Materiały ferromagnetyczne, takie jak żelazo, mają dużą przenikalność magnetyczną, co oznacza, że łatwo ulegają namagnesowaniu w silnych polach magnetycznych. Z kolei materiały paramagnetyczne i diamagnetyczne mają niższą przenikalność magnetyczną i słabiej reagują na pole magnetyczne.
2. Zachowanie w obwodach magnetycznych: Przenikalność magnetyczna wpływa na właściwości obwodów magnetycznych, takich jak cewki i transformatory. W cewkach, wartość przenikalności magnetycznej rdzenia wpływa na indukcyjność cewki i zdolność do przenoszenia energii magnetycznej. W transformatorach, wartość przenikalności magnetycznej również ma wpływ na przekazywanie energii między cewkami.
B=μ⋅H
3. Wpływ na właściwości magnetyczne materiałów: Przenikalność magnetyczna jest ściśle związana z magnetyzacją materiałów w obecności pola magnetycznego. Materiały o wysokiej przenikalności magnetycznej są przydatne w różnych aplikacjach, takich jak konstrukcja rdzeni transformatorów i cewek.
4. Wsparcie dla układów elektronicznych: Zrozumienie przenikalności magnetycznej jest kluczowe w projektowaniu układów elektronicznych, zwłaszcza tych, które wykorzystują pola magnetyczne, takie jak cewki indukcyjne i transformatory. Odpowiedni dobór materiałów magnetycznych może wpłynąć na wydajność tych urządzeń.
37. Indukcja elektromagnetyczna i jej fizyczne znaczenie. Reguła Lenza.
Zjawisko powstawania siły elektromotorycznej SEM w przewodniku na skutek zmian strumienia pola magnetycznego.
Reguła Lenza: Indukowany prąd elektryczny ma taki kierunek, że przeciwstawia się zmianie strumienia pola magnetycznego, który go wywołuje. ( a więc zmniejsza się strumień magnetyczny gdy jest w stanie narastania, a zwiększa się gdy jest on w stanie zanikania)
1. Generowanie prądu elektrycznego: Indukcja elektromagnetyczna jest podstawą dla generatorów elektrycznych. Kiedy przewodząca pętla porusza się w polu magnetycznym lub gdy zmienia się pole magnetyczne wokół przewodzącej pętli, wytwarzane jest napięcie elektryczne, co indukuje przepływ prądu elektrycznego w obwodzie.
2. Przeciwdziałanie zmianie pola magnetycznego: Reguła Lenza opisuje istotne zjawisko samoobrony w elektromagnetyzmie. Napięcie indukowane działa tak, aby przeciwdziałać zmianie pola magnetycznego, które je wywołało. To zachowanie jest zgodne z zasadą zachowania energii.
3. Zasada pracy i energia: Zjawisko indukcji elektromagnetycznej jest związane z przekształcaniem energii mechanicznej (ruchu) na energię elektryczną. Generatory prądu przemiennego są oparte na tym zjawisku i wykorzystują je do przekazywania energii mechanicznej w postaci ruchu obrotowego na energię elektryczną.
4. Transformatory: Indukcja elektromagnetyczna jest również używana w transformatorach do przekazywania energii elektrycznej między cewkami przy różnych poziomach napięcia. Zmiana prądu w jednej cewce indukuje napięcie w drugiej cewce, co umożliwia skuteczne przekazywanie energii elektrycznej.
38. Energia pola magnetycznego. ???
39. Pojemność elektryczna i energia pola elektrycznego.
Pojemność elektryczna (C):
Pojemność elektryczna kondensatora definiowana jest jako ilość ładunku (Q), który można zgromadzić na jednostkowym potencjale elektrycznym (V):
Jednostką pojemności w układzie SI jest farad (F), co odpowiada jednemu kulombowi ładunku zgromadzonemu na kondensatorze przy napięciu jednego wolta.
Energia pola elektrycznego (We):
Energia pola elektrycznego to energia przechowywana w polu elektrycznym w wyniku obecności ładunków elektrycznych. Dla kondensatora, energia pola elektrycznego (We) można wyrazić wzorem:
40. Prawo Coulomba.
Siła „F” wzajemnego oddziaływania dwóch punktowych ładunków elektrycznych „Q1”, „Q2”, jest wprost proporcjonalna do iloczynu tych ładunków i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości „r” między nimi.
|
|
|
(9) |
41. Przenikalność elektryczna i jej fizyczne znaczenie
Przenikalność elektryczna to właściwość materiałów, określająca zdolność danego materiału do przewodzenia prądu elektrycznego pod wpływem pola elektrycznego.
1. Pojemność kondensatora: Przenikalność elektryczna jest bezpośrednio związana z pojemnością kondensatora. Im wyższa przenikalność dielektryka, tym większa pojemność kondensatora. Wyraża to zdolność dielektryka do "przyciągania" i "przechowywania" ładunku elektrycznego między przewodzącymi płaszczyznami kondensatora.
2. Wpływ na indukcyjność cewki: Przenikalność elektryczna ma również wpływ na indukcyjność cewki, szczególnie w przypadku cewek zawierających rdzenie magnetyczne z dielektrykami o różnej przenikalności. Zmiana przenikalności może wpływać na ilość pola magnetycznego, co z kolei wpływa na indukcyjność cewki.
3. Dielektryki w kondensatorach: Materiały dielektryczne z różnymi wartościami przenikalności elektrycznej są używane w kondensatorach w celu optymalizacji ich właściwości. Wybór dielektryka może wpływać na temperaturową stabilność kondensatora, jego rozmiar, masę i inne parametry.
4. Właściwości izolacyjne: Materiały o wysokiej przenikalności elektrycznej często wykorzystuje się jako izolatory elektryczne, ponieważ mają zdolność do ograniczania przepływu prądu elektrycznego.