Na schemacie przedstawiono układ z otwartym włącznikiem. Którą wartość powinno mieć napięcie źródła, aby po zamknięciu łącznika pobierany prąd ze źródła pozostał bez zmian?
A. 10 V
B. 15 V
C. 5 V
D. 20 V
Pytanie z egzaminu CKE, czerwiec 2022 (arkusz EE.22-SG-22.06).
Poprawna odpowiedź to 10 V, ponieważ pozwala utrzymać stały prąd w obwodzie po zamknięciu łącznika. W początkowym stanie, kiedy łącznik jest otwarty, mamy do czynienia z dwoma rezystorami połączonymi szeregowo, co daje całkowity opór równy 20 Ω. Przy napięciu 20 V, zgodnie z prawem Ohma (V = I * R), prąd wynosi 1 A. Po zamknięciu łącznika dolny rezystor zostaje zwarty, zmniejszając opór całkowity do 10 Ω. Aby prąd pozostał na poziomie 1 A, stosujemy ponownie prawo Ohma: przy 10 Ω, napięcie musi wynosić 10 V (V = 1 A * 10 Ω). Przykład ten ilustruje zasadę zachowania energii i prądu w obwodach elektrycznych, co jest kluczowe w projektowaniu układów elektronicznych. W praktyce, taka wiedza jest istotna w przemyśle elektrotechnicznym i elektronicznym, gdzie wymagane jest precyzyjne dobieranie parametrów układów, aby zapewnić ich prawidłowe działanie i efektywność energetyczną.
Wybór innych wartości napięcia, takich jak 5 V, 15 V czy 20 V, prowadzi do błędnych wniosków dotyczących zachowania prądu w obwodzie po zamknięciu łącznika. Kiedy napięcie wynosi 5 V, to przy całkowitym oporze 20 Ω, prąd wyniesie jedynie 0,25 A. Zmiana oporu na 10 Ω po zamknięciu łącznika skutkuje większym prądem, co jest niezgodne z założeniem, że prąd ma pozostać taki sam. Podobnie, przy 20 V i 15 V sytuacja jest złożona – przy 20 V prąd początkowy wynosi 1 A, ale po zamknięciu łącznika, przy oporze 10 Ω, wymagałoby to napięcia 10 V dla utrzymania stałego prądu. Analogicznie, 15 V spowodowałoby zwiększenie prądu do 1,5 A, co również jest niezgodne z naszym celem. W praktyce, zrozumienie tych zasad jest kluczowe w projektowaniu układów elektrycznych i elektronicznych, aby uniknąć nieefektywności i uszkodzeń komponentów. Niezrozumienie zależności między napięciem, oporem a prądem często prowadzi do poważnych błędów w praktyce inżynierskiej, gdzie precyzyjne obliczenia są niezbędne dla optymalizacji funkcji systemów elektrycznych.