Dane informacyjne

2. Dane informacyjne • Nazwy szkół : • Gimnazjum w Manowie i Gimnazjum w Książu Wielkopolskim • ID grup : 98/20_mf_g1 i 98/80_mf_g1 • Opiekunowie: Angelika Kowalska - Kowalik i Barbara Staszak • Kompetencja : matematyka i fizyka • Temat projektowy : ”Przez co płynie prąd elektryczny” • Semestr/rok szkolny : semestr 5 / 2011/2012

3. „Przez co płynie prąd elektryczny”

4. Co to jest? Prąd elektryczny – uporządkowany ruch ładunków elektrycznych. W naturze przykładami są wyładowania atmosferyczne, wiatr słoneczny, czy czynność komórek nerwowych, którym również towarzyszy przepływ prądu. W technice obwody prądu elektrycznego są masowo wykorzystywane w elektrotechnice i elektronice.

5. Doświadczenie –czym jest prąd elektryczny w metalach ? (1) Elektryzujemy różnoimiennie dwa jednakowe elektroskopy tak, aby ich wskazówki były wychylone z położenia pionowego o taki sam kąt. Następnie kulki elektroskopów łączymy metalowym przewodem. Po połączeniu kulek przewodnikiem obserwujemy rozładowanie elektroskopów, ich wskazówki powracają do położenia pionowego.

6. Doświadczenie – czym jest prąd elektryczny w metalach ? (2) W metalowym przewodzie powstaje pole elektryczne wytworzone przez naelektryzowane różnoimiennie kulki elektroskopu. Pole to oddziałuje na znajdują się w przewodzie ładunki. Jony dodatnie metalu, „zamocowane” w sieci krystalicznej, pod wpływem działania tych sił nie mogą się przemieszczać. Natomiast elektrony swobodne przemieszczają się w stronę elektroskopu na elektryzowanego dodatnio. Tak więc oprócz ruchu chaotycznego elektrony swobodne w przewodzie poruszają się w sposób uporządkowany – w przewodzie płynie prąd elektryczny.

7. W jakim kierunku płynie prąd elektryczny? Prąd elektryczny jest w istocie ruchem cząstek obdarzonych ładunkiem, zwanych nośnikami ładunku. Umownie przyjęło się określać kierunek przepływu prądu poprzez opisanie ruchu ładunków dodatnich, niezależnie od tego jaki jest rzeczywisty znak i kierunek ruchu nośników w danym materiale.

8. Skutki przepływu prądu elektrycznego • Skutkami przepływu prądu mogą być m. in. : • wzrost temperatury przewodnika, • wysyłanie światła, • wykonywanie pracy mechanicznej, • reakcje chemiczne, • oddziaływanie magnetyczne.

9. Potencjał elektryczny – wielkość fizycza charakteryzująca punkt w przestrzeni, równa ilorazowi energii potencjalnej , jaką posiadałby dowolny ładunek q umieszczony w tym punkcie i wartości tego ładunku . Jednostką potencjału elektrycznego jest Wolt ( 1V= 1J/1C). Napięcie elektryczne – różnica potencjałów elektrycznych . Jego jednostką jest wolt ( 1V). Natężenie prądu elektrycznego – iloraz wielkości ładunku przepływającego przez poprzeczny przekrój przewodnika i czasu przepływu tego ładunku . Jego jednostką jest amper (1A).

10. Alessandro Volta (1745-1827) włoski fizyk, wynalazca i konstruktor. Dokonał wielu odkryć z dziedziny elektryczności, zbudował elektroskop, maszynę elektrostatyczną, kondensator oraz pierwsze ogniwo elektryczne i słynny stos, nazwany jego nazwiskiem.

11. Stos Volty • Pierwsze doświadczenie, które doprowadziło do budowy źródeł napięcia stałego, przeprowadził w roku 1800 włoski fizyk Aleksander Volta. • Słynny stos Volty składał się z połączonych ze sobą kilkudziesięciu par płyt z dwóch różnych metali (miedź i cynk) oddzielonych warstwą tektury nasączonej przewodzącą cieczą (słona woda).

12. Doświadczenie Volty. • Aby powtórzyć słynne doświadczenie Volty należy: • Wziąć kilka blaszek cynkowych i taką samą ilość blaszek miedzianych oraz bibułę (ligninę, chusteczki higieniczne) i bibułę nasączoną słoną wodą. • Ułożyć na przemian blaszki cynkowe i miedziane, wkładając między nie bibułę nasączoną roztworem. Po obu stronach powstałego stosu powinny być blaszki z różnych metali. • Mierzymy napięcie między nimi.

13. Źródła napięcia elektrycznego • Ogniwa galwaniczne to chemiczne źródła napięcia, w których następuje przemiana energii chemicznej w energię elektryczną. Najprostsze ogniwo składa się z dwóch płytek z różnych metali zanurzonych w elektrolicie (cieczy przewodzącej prąd elektryczny). Przykładem jest ogniwo Volty – dwie płytki: cynkowa i miedziana, zanurzone w słabym rozworze H2SO4.

14. Butelka lejdejska • W XVIII wieku, zanim skonstruowano pierwsze ogniwo galwaniczne, butelki lejdejskie były stosowane jako źródła „płynącej elektryczności”. Były to pierwsze kondensatory, niezbędne elementy wielu obwodów elektrycznych i elektronicznych. Bateria butelek lejdejskich z 1789 r. - Muzeum w Harlemie koło Amsterdamu Schemat butelki lejdejskiej

15. Kondensator Najprostszy kondensator składa się z dwóch metalowych płytek, zwanych okładkami kondensatora, między którymi znajduje się warstwa izolatora. Po wprowadzeniu ładunków na okładki kondensatora w przestrzeni między nimi wytwarza się pole elektryczne, ale warstwa izolatora uniemożliwia przepływ ładunków między okładkami wewnątrz kondensatora. Kondensator płaski - dwie metalowe płyty, wewnątrz izolator

16. Kondensator • Pojemnością kondensatora (C) nazywamy stosunek ładunku (Q) zgromadzonego w kondensatorze (na jednej okładce) do napięcia między okładkami (U). • Jednostką pojemności w układzie SI jest farad (F). • Kondensatory mogą mieć różną wielkość i pojemność.

17. Doświadczenie Ładowanie i rozładowanie kondensatora • Aby zbudować obwody elektryczne , potrzebujesz: kondensatora o dużej pojemności (np. 0,3 farada), żaróweczki (np. 3,8 V, 0,3 A), bateryjki 4,5 V, wyłącznika i przewodów łączących. Połącz za pomocą przewodów kondensator, żaróweczkę, bateryjkę i wyłącznik tak, aby powstał obwód . Dodatni biegun baterii powinien być połączony z dodatnim zaciskiem kondensatora. Obserwuj, co się dzieje z żarówką po zamknięciu wyłącznika. • Ładowanie kondensatora z bateryjki • A teraz odłącz bateryjkę. Kondensator połącz z żarówką i wyłącznikiem. Uważaj, żeby nie dotknąć zacisków kondensatora. Zamknij obwód i znowu obserwuj zachowanie żarówki. • Kondensator jako źródło napięcia

18. „Naturalna” bateria Cytryna, kartofel a nawet ludzkie dłonie z dwoma różnymi metalami tworzą tzw. ogniwo galwaniczne. Miliony takich ogniw jest codziennie zużywanych w telefonach, komputerach, walkmanach i zegarkach. Cytrynowa bateria jest przykładem takiego ogniwa galwanicznego: prąd elektryczny powstaje w wyniku reakcji elektrochemicznych. Elektrody stanowią płytki - cynkowa i miedziana; elektrolitem jest wodny roztwór różnych kwasów znajdujących się w każdym warzywie lub owocu. Ale nic za nic - płytka cynkowa z czasem się w cytrynie "rozpuści" a na miedzianej uzbiera się brudny nalot. Pierwszy zauważył to medyk, Luigi Galvani, na żabich udkach, zawieszanych na żelaznych haczykach, kiedy dotykały miedzianego drutu. Zauważył, ale wierzył do końca, że to żaba jest źródłem elektryczności, a nie energia chemiczna z żelaza i miedzi.

19. źródła energii elektrycznej • Rodzaj źródła: Owocowe - wartość uzyskanego napięcia wynosi 0,1 V.Budowa: • Opis wykonania: Umieść dwa druty: żelazny i miedziany w cytrynie, jabłku lub ogórku kwaszonym. Ogniwa mogą być łączone w baterie dla uzyskania wyższej wartości napięcia wypadkowego.

20. źródła energii elektrycznej • Rodzaj źródła: Elektro-chemiczne – wartość uzyskanego napięcia wynosi 0,1VBudowa: • Opis wykonania: Przymocuj do podkładki izolacyjnej dwa kątowniki: stalowy i miedziany. Przedziel je pojedynczą warstwą bibuły (15x40mm), zwilżonej wodą z kranu lub śliną. Lepsze rozwiązanie to kątownik miedziany(+) i cynkowy lub cynowy (-) oraz roztwór zrobiony z pół łyżeczki od herbaty soli kuchennej rozpuszczonej w małej szklance wody.

21. źródła energii elektrycznej • Rodzaj źródła: Biologiczne - wartość uzyskanego napięcia z 12 naczyń wynosi 6V przy prądzie ok. 40mABudowa: • Opis wykonania: Do niewielkiego naczynia z tworzywa sztucznego (średnica 50x100mm) wsyp sproszkowane łuski ryżowe i włóż anodę oraz katodę. Wlej wodę. Wymieniona pożywka dla bakterii wystarcza na pół roku ciągłej pracy. Inny rodzaj pożywki o nieco krótszym działaniu to: banany i sole nieorganiczne lub winogrona.

22. źródła energii elektrycznej • Rodzaj źródła: Monetarne - wartość uzyskanego napięcia wynosi 0,1VBudowa: • Opis wykonania: Umieść w spinaczu (do bielizny) drewnianym lub z tworzywa sztucznego monetę miedzianą (+), monetę srebrną lub niklową (-) oraz przekładkę ze zwilżonego papieru gazetowego. Ogniwa te można łączyć w baterie.

23. źródła energii elektrycznej • Rodzaj źródła: Ziemne - wartość uzyskanego napięcia przy glebie suchej 0,5V/0,25mA; przy mokrej 0,75V/0,9mA lub 1,1VBudowa: • Opis wykonania: Umieść elektrody ogniwa typu cynk -węgiel (+), aluminium - miedź (+) lub cynk - miedź powyżej 1m w ziemi. Płytka cynkowa może mieć wymiary 170x210mm. Elektrody węglowe mogą pochodzić ze zużytych ogniw baterii. Odprowadzenia od elektrod dodatnich robimy gołym lub w izolacji drutem z miedzi. Odprowadzenia z elektrod ujemnych wykonujemy izolowanym drutem z miedzi lub aluminium. Połączenia przewodów z elektrodami lutujemy lub spawamy. Najlepsze rezultaty uzyskujemy gdy gleba jest wilgotna.Gdybyśmy nie dysponowali tymi materiałami to sporządzamy ogniwo z dwóch prętów stalowego (średnica 2,5x400mm) i miedzianego (średnica 4x400mm) wciskając je w ziemię w rozstępie 50mm.

24. Niezwykłe „źródło napięcia elektrycznego” • Niezwykłym „źródłem napięcia elektrycznego” jest węgorz elektryczny. Napięcie, jakie w razie grożącego mu niebezpieczeństwa powstaje między jego głową a ogonem, wynosi około 600 V.

25. Jakie warunki muszą być spełnione, aby płynął prąd? • W obwodzie elektrycznym musi być źródło prądu. • Poszczególne końce przewodu muszą być podłączone do przeciwnych biegunów źródła prądu. • W obwodzie elektrycznym muszą być elektrony albo jony. • Musi być odbiornik prądu.

26. Budowa obwodu elektrycznego Najprostszy obwód elektrycznyskłada się z: • źródła napięcia elektrycznego (np. bateria), • przewodów elektrycznych, • odbiornika energii elektrycznej (np. żarówka, silniczek).

27. Obwody elektryczne • W sytuacji przedstawionej na rysunku prąd nie płynie, ponieważ obwód jest otwarty.

28. Obwody elektryczne • W sytuacji przedstawionej na rysunku prąd płynie ponieważ, obwód jest zamknięty.

29. Co wchodzi w skład obwodu elektrycznego? Obwodem elektrycznym nazywa się pewien układ, w skład którego wchodzą źródła prądu, przewody przewodzące prąd oraz inne elementy. Mogą to być: oporniki, cewki , kondensatory, diody czy wzmacniacze. Te wszystkie składniki mogą być łączone szeregowo, równolegle bądź szeregowo - równolegle. Najbardziej ogólny podział obwodów wyróżnia obwody liniowe i obwody nieliniowe. Obwody liniowe to takie, w których spełnione jest prawo Ohma, niezależnie od tego czy prąd jest stały czy zmienny. Natomiast w obwodach nieliniowych występuje nieliniowa zależność między natężeniem a napięciem prądu. W inny sposób można podzielić obwody na : obwody prądu stałego i obwody prądu zmiennego.

30. Rodzaje obwodów elektrycznych Źródło prądu elektrycznego wraz z przewodami łączącymi je z odbiornikiem w zamknięty tor tworzą obwód elektryczny, w którym płynie prąd elektryczny. Obwód elektryczny może być nie rozgałęziony, albo rozgałęziony. W obwodzie nie rozgałęzionym na całej jego długości płynie prąd o tej samej wartości. W obwodzie rozgałęzionym w każdej jego gałęzi może płynąć prąd o innej wartości. Przy obliczaniu obwodu elektrycznego (obliczanie wartości prądu w poszczególnych gałęziach i napięć między punktami obwodu) korzysta się z podanego wyżej prawa Ohma oraz z dwóch praw Kirchhoffa. Pierwsze prawo Kirchhoffa (zwane też bilansem prądów w węźle), mówi, że w każdym punkcie rozgałęzienia obwodu, zwanym węzłem, suma prądów dopływających do węzła równa się sumie prądów odpływających od węzła Opatrując prąd dopływający do węzła znakiem ,, + ", odpływający zaś znakiem ,, —" można pierwsze prawo Kirchhoffa zapisać w postaci : Drugie prawo Kirchhoffa (zwane też bilansem napięć w oczku) mówi, że w każdym zamkniętym obwodzie elektrycznym, zwanym oczkiem, suma algebraiczna napięć źródłowych (sił elektromotorycznych) Ei równa się sumie algebraicznej napięć odbiornikowych U = Rj Ik, tj. spadków napięć na rezystancjach.

31. Obwód prądu stałego: Prąd stały charakteryzuje się stałą wartością natężenia oraz kierunkiem przepływu.

32. Obwód prądu zmiennego: • Prąd zmienny – prąd elektryczny, dla którego wartość natężenia zmienia się w czasie w dowolny sposób. • W zależności od charakteru tych zmian można wyróżnić następujące rodzaje prądu: • prąd okresowo zmienny • prąd tętniący • prąd przemienny • prąd nieokresowy

33. Połączenia baterii równoległe i szeregowe Górny schemat przedstawia połączenie równoległe baterii gdzie nie zwiększamy napięcia ale zwiększamy dostępne natężenie prądu. Dolny schemat przedstawia szeregowe połączenie baterii gdzie napięcie poszczególnych ogniw sumują się dając nam napięcie 6 woltów.

34. Natężenie prądu elektrycznego Natężenie prądu jest wielkością fizyczną charakteryzującą przepływ prądu elektrycznego zdefiniowaną jako stosunek wartości ładunku elektrycznego przepływającego przez wyznaczoną powierzchnię do czasu przepływu ładunku. Pomiar natężenia Przyrządy służące do pomiaru natężenia prądu elektrycznego to amperomierze. Urządzeniem do definicyjnego wyznaczania jednostki jest waga prądowa. Do kontroli działania mierników oraz ich kalibrowania używa się kalibratorów prądu.

35. Andre Marie Ampere (1745 – 1836) • Nazwa jednostki natężenia prądu pochodzi od nazwiska francuskiego fizyka Andre Marie Ampere’a. Zajmował się on m. in. wzajemnym oddziaływaniem przewodników, przez który płynie prąd elektryczny.

36. Amperomierz Urządzenie służące do pomiaru natężenia prądu w danym miejscu obwodu nazywamy amperomierzem. Amperomierze zawsze włączamy do obwodu szeregowo. Rysując schematy obwodów elektrycznych amperomierze przedstawiamy graficznie

37. Jak zbudować amperomierz ? • Potrzebne materiały: - Kompas, - "Szufladka" z pudełka po zapałkach, - Cienki pasek folii aluminiowej o długości 50cm lub dłuższy. • Sposób wykonania: 1. Kompas włóż do "szufladki".

38. 2. Owiń całość paskiem folii tak, aby kompas pozostał widoczny. Aby sprawdzić czy amperomierz działanależy do baterii (najlepiej nowej) z obu stron przyłóż dwa końce folii (jednym końcem dotknąć + a drugim -) Jeżeli igła kompasu wychyliła się ze swojego pierwotnego położenia to znaczy, że amperomierz działa. Wyjaśnienie: Dotykając końców baterii folią, zamykamy obwód. Gdy to zrobimy wokół przewodnika z prądem (folii aluminiowej przyłączonej do baterii) powstaje pole magnetyczne i to ono zaburzy działanie kompasu.

39. Tabela przykładowych wartości prądu, z którymi spotykamy się w życiu codziennym

40. Wartości ładunków elektrycznych związanych z przepływem prądu elektrycznego przez różne urządzenia elektryczne i odpowiadające im liczby elektronów

41. Analogia hydrodynamiczna • Wyobraźmy sobie, że prąd elektryczny jest jak wodaprzepływająca przez rurę…oraz że: • ładunek o wartości 1 kulomba jest jak 1 litr wody, • amper jest jak przepływ 1 litra wody na sekundę, • bateria/źródło jest jak pompa, • napięcie jest jak ciśnienie w pompie, • drut jest jak rura, • opornik jest jak odcinek rury • wypełniony żwirem.

42. Prawo Ohma Prawo Ohma to prawo głoszące proporcjonalność natężenia prądu płynącego przez przewodnik do napięcia panującego między końcami przewodnika. Prawidłowość odkrył w latach 1825-1826 roku niemiecki fizyk, profesor politechniki w Norymberdze i uniwersytetu w Monachium Georg Simon Ohm.

43. Opór elektryczny, opór właściwy Opór elektryczny związany jest z zaburzeniem swobodnego przepływu prądu w przewodniku.Czynnikiem zaburzającym ten ruch w metalach są zderzenia elektronówz drgającymi jonami sieci krystalicznej. Opór elektryczny jest oznaczany literą R, a jego jednostką jest om [Ω].• Wartość oporu zależy od długości przewodnika (im dłuższy przewodnik, tym większy opór), pola przekroju poprzecznego (większe pole – mniejszy opór) oraz od rodzaju materiału, z którego wykonany jest przewodnik. Wartość oporu można obliczyć ze wzoru: gdzie: ρjest oporem właściwym, jego wartość zależy od rodzaju materiału, l – długość przewodnika, S – pole przekroju poprzecznego.Jednostką oporu właściwego jest [Ωּm] lub (jednostka używana w praktyce).Wartość oporu zależy także od temperatury przewodnika. Wraz ze wzrostem temperatury rośnie energia drgań jonów dodatnich, co powoduje silniejsze zaburzenie swobodnego przepływu elektronów. Opór przewodników rośnie więc wraz ze wzrostem temperatury.Im mniejszy opór właściwy posiada dany materiał, tym jest lepszym przewodnikiem elektryczności.

44. Tabela oporu właściwego

45. Co przewodzi prąd? Materiały, które dobrze przewodzą prąd elektryczny to przewodniki. Oporność właściwa dobrych przewodników jest rzędu 10−8–10−6Ωm. Dielektryk (izolator elektryczny) to materiał, w którym bardzo słabo przewodzony jest prąd elektryczny. Może to być rezultatem niskiej koncentracji ładunków swobodnych, niskiej ich ruchliwości, lub obu tych czynników równocześnie. Oporność właściwa dielektryków jest większa od 106Ωm. Półprzewodniki mają oporność właściwą pośrednią między metalami a izolatorami. Ich przewodnictwo zwykle mocno rośnie ze wzrostem temperatury. Specyficzną formą przewodnictwa jest nadprzewodnictwo – występujący w niektórych materiałach efekt prowadzący do tego, że w odpowiednio niskiej temperaturze ma on zerową rezystancję. W nadprzewodnikach zachodzą również inne zjawiska, na przykład efekt Meissnera. Większość materiałów wykazuje nadprzewodnictwo dopiero w bardzo niskiej temperaturze.

46. Przewodniki Prądu Elektrycznego

47. Woda Chociaż formalnie nie spełnia podanej definicji przewodnika, to jednak, w zależności od zawartości elektrolitów (która jest najmniejsza w wodzie dejonizowanej, większa w pitnej a jeszcze większa w wodzie morskiej) oraz przyłożonego napięcia, może zachowywać się jak izolator, bądź też słaby, a nawet dobry przewodnik. W związku z tym należy unikać kontaktu urządzeń pod napięciem z wodą, gdyż grozi to porażeniem.

48. Grafit Miękki, średnio dobry jako przewodnik, stosowany wszędzie tam, gdzie trzeba doprowadzić napięcie do części wirujących (szczotki).

49. Żelazo Tańsze od aluminium, ale posiada gorsze własności elektryczne, kruche i nieodporne na korozję, obecnie nie stosowane jako przewodnik.

50. Stal Własności podobne do żelaza, stosowana w elementach przewodzących aparatów elektrycznych, wymagające równocześnie większej wytrzymałości mechanicznej.