Dane INFORMACYJNE (do uzupełnienia) Nazwa szkoły: Zespół Szkół Ponadgimnazjalnych w Trzebiatowie ID grupy: 97/72_MF_G1 Opiekun: Adam Kupczyk Kompetencja: matematyczno-fizyczna Temat projektowy: Gdy płynie prąd Semestr/rok szkolny: Sem. I, rok szk. 2010/11

Elektryczność zauważył już w V w. p. n. e Elektryczność zauważył już w V w. p.n.e. Tales z Miletu, przeprowadził on proste doświadczenie - pocierał suknem bursztyn, który uzyskiwał w ten sposób zdolność przyciągania drobnych ciał. Później dopiero, po upływie ponad 2000 lat, angielski filozof i fizyk William Gilbert, stwierdził, że nie tylko bursztyn, ale i wiele innych ciał posiada taką właściwość. Badania i upór wielu wielkich dziś już ludzi doprowadziło do odnalezienia prądu elektrycznego... Jak to się zaczęło?

Ładunek elektryczny jest to elementarna cząstka atomu stanowiąca źródło pola elektrycznego (elektromagnetycznego). Wszystkie zjawiska elektryczne tłumaczy się jako przejaw obecności, ruchu i oddziaływania ładunków elektrycznych. W przyrodzie występują dwa rodzaje ładunków elektrycznych, umownie nazywanych dodatnimi i ujemnymi. Stwierdza się, że ładunki elektryczne jednoimienne (o tym samym znaku) odpychają się, a różnoimienne - przyciągają. Wielkość ładunku elektrycznego jest miarą elektryczności. Ładunek elektryczny oznacza się literą q

o r, znajdujących się w ośrodku o stałej elektrycznej, jest równa: Prawo Coulomba Siła wzajemnego oddziaływania (odpychania lub przyciągania) dwóch punktowych ładunków elektrycznych q1 i q2, odległych od siebie o r, znajdujących się w ośrodku o stałej elektrycznej, jest równa:

q i wartości tego ładunku: Potencjałem pola elektrycznego nazywa się iloraz energii potencjalnej punktowego ciała naelektryzowanego ładunkiem q i wartości tego ładunku: Jednostką potencjału jest 1 wolt (1 V).Pole w danym punkcie ma potencjał 1 V, jeżeli umieszczony w nim ładunek 1 C ma energię potencjalną 1 J (1 V = 1 J/1 C).

Napięcie elektryczne między dwoma punktami (A i B) pola jest równe różnicy potencjałów VA - VB w tych punktach: Napięcie mierzy się w voltach, [V].

Po przyłożeniu napięcia, na bezładny ruch elektronów nakłada się ruch uporządkowany w kierunku oddziaływania sił pola. Mamy wtedy do czynienia z prądem elektrycznym. W metalach nośnikami ładunku elektrycznego są elektrony. Ten rodzaj przewodnictwa nazywa się przewodnictwem elektronowym, a ciała wykazujące takie właściwości - przewodnikami elektrycznymi. Tego rodzaju przewodniki przy przepływie prądu elektrycznego nie ulegają żadnym zmianom chemicznym. Do najbardziej znanych, powszechnie stosowanych przewodników należy miedź i aluminium.

W płynach natomiast powstają odpowiednio jony dodatnie i ujemne, między którymi występuje siła przyciągania elektrycznego. W ciałach stałych jony nie mogą się przemieszczać, czyli ciała te nie przewodzą. Jeżeli jednak takie ciała o strukturze jonowej zostaną rozpuszczone w odpowiedniej cieczy, stają się przewodnikami elektrycznymi (niektóre wystarczy roztopić lub ogrzać do wysokiej temperatury). Przewodnictwo tego typu nazywa się przewodnictwem jonowym i polega ono na rozszczepieniu cząsteczek na jony i przemieszczaniu się jonów dodatnich w kierunku ujemnego pola, a jonów ujemnych w kierunku przeciwnym. Przewodnictwu jonowemu towarzyszą zmiany chemiczne. Przewodniki, w których przy przepływie prądu elektrycznego zachodzą zmiany chemiczne, nazywane są powszechnie elektrolitami.

Prąd elektryczny jest to uporządkowany ruch (przepływ) ładunków elektrycznych. Warunkiem przepływu prądu elektrycznego w przewodniku jest istnienie pola elektrycznego, czyli istnienie na końcach przewodnika różnicy potencjałów. Z chwilą wyrównania się potencjałów na obu końcach przewodnika ustaje przenoszenie ładunku, zatem żeby zachować w przewodniku ciągły przepływ prądu, do obu jego końców musi być przyłożone źródło napięcia (źródło energii elektrycznej utrzymujące w sposób ciągły różnicę potencjałów) i musi być zapewniona zamknięta droga przepływu prądu, czyli obwód elektryczny.

Obwód elektryczny 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.

Obwody elektryczne ze względu na sposób połączenia dzielimy na: - obwody nierozgałęzione - obwody rozgałęzione

Źródło prądu elektrycznego - jest to źródło które dostarcza zasilania prądem elektrycznym, może nim być bateria, akumulator, lub prądnica elektryczna.

Odbiornik - urządzenia, które zamieniają energię elektryczną na inny rodzaj energii (ciepło, światło).

Charakterystyczną wielkością fizyczną każdego przewodnika jest rezystancja (zwana dawniej opornością lub oporem elektrycznym), która decyduje o stopniu trudności przepływania prądu przez przewodnik. Im więcej wolnych elektronów w przewodniku (np. w przewodniku wykonanym z miedzi jest więcej wolnych elektronów niż w wykonanym z żelaza), tym większe natężenie płynącego prądu, wywołane napięciem o tej samej wartości. Opór przewodu zależy od rodzaju materiału, długości i przekroju poprzecznego :

Większość materiałów stosowanych w elektrotechnice to materiały krystaliczne, które ze względu na zdolność przewodzenia prądu elektrycznego można zakwalifikować do jednej z grup: izolatory, półprzewodniki i przewodniki. Izolatory praktycznie nie przewodzą prądu elektrycznego. Półprzewodniki i przewodniki przewodzą.

Przewodnik – substancja, która dobrze przewodzi prąd elektryczny, a przewodzenie prądu ma charakter elektronowy. Atomy przewodnika tworzą wiązania, w których elektrony walencyjne (jeden, lub więcej) pozostają swobodne (nie związane z żadnym z atomów), tworząc w ten sposób tzw. gaz elektronowy. Do najpopularniejszych przewodników należą: woda, grafit, stal, aluminium, miedź, srebro, złoto,,.

Półprzewodniki - najczęściej substancje krystaliczne, których konduktywność (przewodnictwo właściwe) może być zmieniana w szerokim zakresie poprzez domieszkowanie, ogrzewanie, oświetlenie bądź inne czynniki. Przewodnictwo typowego półprzewodnika plasuje się między przewodnictwem metali i dielektryków. Wartość rezystancji półprzewodnika maleje na ogół ze wzrostem temperatury. Rozróżniamy: - półprzewodniki samoistne, - półprzewodniki domieszkowe. Choć te kolorowe grudki przypominają cukierki, to są to w istocie półprzewodniki złożone z drobnych kryształków - magnetycznych kropek kwantowych.

Dielektryk, izolator elektryczny – 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.

Rodzaje prądu elektrycznego: Prąd stały jest to prąd, którego wartość natężenia jest stała w funkcji czasu. W obwodzie elektrony poruszają się w sposób ciągły, w jednym kierunku.

Prąd zmienny jest to prąd, którego wartość natężenia jest zmienna w funkcji czasu. Elektrony poruszają się na przemian w jednym i drugim kierunku w przewodzie i we wszystkich elementach składowych obwodu.

Prąd sinusoidalny jest to prąd przemienny, którego wartość i kierunek natężenia, zmieniają się jak funkcja sinus (cosinus)

I- natężenie prądu [A], q – ładunek [C], t – czas [s]. Wielkością fizyczną charakteryzującą prąd elektryczny jest natężenie prądu elektrycznego. Miarą natężenia prądu jest iloraz ładunku przepływającego przez przewodnik i czasu jego przepływu: przy czym: I- natężenie prądu [A], q – ładunek [C], t – czas [s]. Natężenie prądu określa, jak wielki ładunek przepływa przez przekrój poprzeczny przewodnika w jednostce czasu. Jednostką natężenia prądu jest amper [A] - 1 A = 1 C / 1 s

I - natężenie prądu, U – napięcie, R - rezystancja Zależność między wartością natężenia prądu płynącego przez przewodnik a wartością napięcia na jego końcach wyraża prawo Ohma: I = U / R przy czym: I - natężenie prądu, U – napięcie, R - rezystancja

Z prawa Ohma wynika, że napięcie U na rezystancji R jest równe iloczynowi prądu I, płynącego przez tę rezystancję i wartości rezystancji R D U = I x R Często określenia się to jako spadek napięcia na rezystancji i zapisuje symbolem D U. Ma to swoje uzasadnienie przy określeniu zmniejszenia napięcia wzdłuż obwodu elektrycznego o określonej rezystancji wskutek przepływu prądu

W = U * I * t Prawo Joule'a Lenza Pracę wykonaną przez siły elektryczne przy przenoszeniu ładunku podczas przepływu prądu nazywamy pracą prądu elektrycznego. Jest ona równa iloczynowi napięcia, natężenia prądu i czasu jego przepływu. W = U * I * t

Pierwsze Prawo Kirchhoffa Mówi o tym, że w każdym węźle obwodu elektrycznego suma algebraiczna wszystkich prądów jest równa 0. Umownie możemy przyjąć, że prądy wpływające do węzła zapisujemy ze znakiem "+" a wypływające "-". Powyższą treść wzorując się na rysunku zapisujemy wzorem: I1+I2−I3−I4=0

Drugie prawo Kirchhoffa Dotyczy bilansu napięć w zamkniętej części obwodu elektrycznego. Mówi o fakcie że w dowolnym oczku obwodu elektrycznego suma algebraiczna wszystkich napięć (zarówno źródłowych jak i spadków napięcia na odbiornikach) równa jest 0. Znaczymy umowny kierunek obiegu oczka przez co wszystkie napięcia zgodne z tym zwrotem piszemy ze znakiem "+" a przeciwne z "-". Powyższą treść wzorując się na rysunku zapisujemy wzorem: E1 - U1 - U2 + E3 - U3 - E2 = 0

Pole magnetyczne wokół przewodnika z prądem Przewodnik prostoliniowy, przez który płynie prąd elektryczny, wytwarza wokół siebie pole magnetyczne, którego linie tworzą okręgi leżące w płaszczyźnie prostopadłej do przewodnika o środkach leżących na przewodniku. Zjawisko indukcji elektromagnetycznej - mówi o tym, że zmienne pole magnetyczne przenikające przewodnik indukuje (wytwarza) w nim siłę elektromotoryczną (napięcie, prąd).

Wyładowania atmosferyczne. Początek wyładowaniom atmosferycznym dają zakłócenia cyrkulacji atmosfery, które pojawiają się w zależności od pory roku i miejsca na kuli ziemskiej, z większą lub mniejszą częstotliwością. Ogromne rozmiary chmur burzowych, powodują szybkie skraplanie się zgromadzonej w nich pary wodnej. W tych groźnych chmurach ścierają się ze sobą prądy ciepłego i zimnego powietrza, czego oznaką są porywiste wiatry, ulewne deszcze, grzmoty, błyskawice, a nawet grad. Wiemy, że wyładowania atmosferyczne, mimo swej spektakularności oraz często niszczycielskiej siły, są również źródłem wielkiej energii.

W czasie burzy napięcie pomiędzy Ziemią a chmurą dochodzi do 100 000 000V. Prąd płynący w błyskawicy ma natężenie w szczycie około 10 000A a czasami i więcej. Zwykła letnia burza wyzwala energię o mocy trzynastokrotnie większej niż energia bomby atomowej zrzuconej na Hiroszimę, której ładunek odpowiadał 20 000 ton TNT (trotylu - trójnitrotoluenu).