DANE INFORMACYJNE Nazwa szkoły: Gimnazjum w Pomorsku ID grupy: 98/41_MF_G2 Opiekun: Marek Wądołowski Kompetencja: Matematyczno - fizyczna Temat projektowy: Przez co płynie prąd Semestr/rok szkolny: semestr IV rok 2011/2012

Prąd elektryczny Prąd elektryczny jest to uporządkowany ruch ładunków elektrycznych. W polu elektrycznym na ładunki zaczyna działać siła elektryczna, której zwrot zależy od kierunku tego pola. Jeżeli działa na ładunki ujemne jej zwrot jest przeciwny. Takie uporządkowanie przesuwania się ładunków w jednym kierunku tworzy prąd elektryczny.

Ładunek elektryczny Ładunek elektryczny jest podstawową cechą materii. Wszelka znana jej postać musi występować w w jednym trzech następujących stanów: może mieć ładunek dodatni (+) może być obojętne elektrycznie (ładunek zerowy) może mieć ładunek ujemny (-) Zarówno dodatnie, jak i ujemne ładunki mogą mieć różne - większe, lub mniejsze - wartości. Najczęściej wartość ładunku oznaczana jest literą q lub Q.  Ładunki elektryczne oddziaływują ze sobą siłą elektrostatyczną ( Prawo Coulomba), lub (jeśli są w ruchu) siłą magnetyczną.

Jednostka ładunku elektrycznego Jednostką ładunku elektrycznego jest kulomb (C). [q] = C

Ładunek elementarny Ładunki znanych w przyrodzie obiektów są "skwantowane„. Formułując tę myśl jeszcze inaczej: ładunki występują tylko w ściśle określonych porcjach. Tą najmniejszą porcją ładunku jest tzw. ładunek elementarny, oznaczany najczęściej literą e.  Najważniejsze w przyrodzie cząstki mają właśnie ładunki równe (z różnym znakiem) ładunkowi elementarnemu: elektron - ma ładunek -e proton - ma ładunek +e neutron - ma ładunek zero (jak sam nazwa wskazuje jest "neutralny")

Kationy i aniony W elektrochemii ładunki powiązane są jonami. Jon stanowi przekształcony atom, lub cząsteczka, tak że zyskuje on(a) różny od zera ładunek elektryczny. W większości sytuacji jony pojawiają się w elektrolitach (choć spotyka się też jony np. w gazach). Jony występują w dwóch rodzajach zależnych od znaku ładunku: kation - jon o dodatnim  (+) ładunku elektrycznym - np. jon wodorowy H+ anion -  jon o ujemnym (-) ładunku elektrycznym - np. jon OH- Jony w elektrolicie poruszają się w kierunku elektrod. Ich nazwy pochodzą od nazw jonów: katoda - jest elektrodą ujemną, bo przyciąga (dodatnie) kationy; anoda - jest elektrodą dodatnią, bo przyciąga (ujemne) aniony.

Budowa atomu ATOM WĘGLA

Przewodnictwo elektryczne Przewodnictwo elektryczne to zjawisko przepływu ładunków elektrycznych (prąd elektryczny) pod wpływem pola elektrycznego. Ze względu na wielkość oporności elektrycznej właściwej materiały dzieli się na izolatory (dielektryki), półprzewodniki i przewodniki.

Przewodniki Przewodnikami nazywamy ciała,których ładunki mogą poruszać się z miejsca na miejsce. Należą do nich: metale (srebro, złoto,miedź,aluminium), półprzewodniki np.: grafit, oraz elektrolity czyli wodne roztwory kwasów, zasad, i soli i gazy zjonizowane (w których istnieją jony i elektrony swobodne) Swobodne cząstki naładowane nazywamy nośnikami ładunku elektrycznego. I tak , w metalu są nimi elektrony swobodne, w elektrolitach jony dodatnie i ujemne nie mogłyby się swobodnie poruszać w ich wnętrzu.

Półprzewodniki Półprzewodniki są to substancje zachowujące się w pewnych warunkach tak jak dielektryk, czyli przedmiot nie przewodzący prądu elektrycznego, ze względu na brak wolnych elektronów, a w pewnym zakresie półprzewodnik staje się przewodnikiem, czyli posiada małą oporność i wolne elektrony, które umożliwiają przepływ prądu elektrycznego. Istota przewodnictwa elektrycznego w półprzewodnikach polega na przemieszczaniu się elektronów swobodnych pod wpływem pola elektrycznego. Ważną cechą półprzewodników jest to, że ich zdolność przewodzenia zależy od wielu czynników, w tym głównie od zawartości domieszek i temperatury. Typowymi materiałami na półprzewodniki są: krzem, german, arsenek galu, lub antymonek galu które w czystej postaci nie przewodzą prądu. Wszystkie półmetale są półprzewodnikami.

Izolatory Izolatory izolują ładunek zgromadzony w pewnym miejscu na swej powierzchni i nie dopuszczają do tego rozprzestrzeniania się. W izolatorze elektryzuje się tylko jego część zewnętrzna , która w danej chwili elektryzowania ( pocierania) styka się z drugim ciałem. Do izolatorów zaliczamy : szkło, papier, porcelanę, tworzywo sztuczne PCV

Opór przewodnika R=U/J Stosunek napięcia do natężenia prądu jest określany mianem oporu elektrycznego. Jest on oznaczany literą R  (gdyż inne jego określenie to rezystancja).   W takim układzie „wzór na prawo Ohma” (przypominam, że sam wzór nie wyraża jeszcze prawidłowo tego prawa) ma postać: R=U/J R - opór elektryczny (w omach - Ω ) I  - natężenie prądu (w układzie SI w amperach – A) U - napięcie między końcami przewodnika (w układzie SI w woltach – V) Jednostką oporu jest 1 om. Om oznaczany jest grecką literą „duże omega” – Ω. [R] = Ω = V/A

Praca prądu elektrycznego Przepływ prądu w obwodzie elektrycznym związany jest z wykonywaniem pracy przez pole elektryczne. Praca prądu zamieniana jest w obwodzie elektrycznym na odpowiedni rodzaj energii (ciepło, promieniowanie itp.).

Pracę obliczamy za pomocą następujących wzorów: W = Uּ I ּ t W = I2ּ R ּ t Jednostką pracy prądu jest dżul [J]. Korzystając z podanego wzoru, możemy wyrazić jednostkę pracy za pomocą jednostek wielkości elektrycznych: [J = VּAּs]. W praktyce używa się także jednostki pracy zwanej kilowatogodziną [kWh]. 1 kWh = 3 600 000 J

Moc prądu elektrycznego Moc urządzeń elektrycznych jest równa stosunkowi pracy wykonanej przez dane urządzenie do czasu, w którym ta praca została wykonana. P = W/t Moc prądu możemy obliczać z następujących wzorów: P = U * I P = I2ּ*R Jednostką mocy urządzeń elektrycznych jest wat [W=V*A].

Przepływ prądu przez ciała stałe Pierwsze doświadczenie polegało na analizie przewodnictwa prądu przez różne ciała stałe. Do prostego układu elektrycznego z żarówką podłączano kolejno drewno, szkło, aluminium, miedź, żeliwo, cynę, blachę ocynkowaną oraz grafit. Grupa na przykładzie żarówki w widoczny sposób mogła analizować moc świecenia w zależności od materiału, który został użyty jako przewodnik. Dodatkowym elementem było podłączenie miernika elektrycznego do układu co stanowiło niepodważalny dowód zmiany parametrów prądu dla różnych badanych ciał.

Przepływ prądu przez ciecze Grupa analizowała przepływ prądu przez różne ciecze na układzie z poprzedniego zadania. Tym razem do szklanej zlewki wlewano kolejno wodę demineralizowaną, destylowaną, źródlaną, mineralną, kwas, zasadę. W zlewce zanurzono końce przewodników układu tak by się nie stykały i była zachowana stała odległość między przewodnikami w kolejnych próbach doświadczeń. Wnioski z doświadczenia opierały się na wskazaniach miernika elektrycznego, który potwierdzał różną przewodność dla różnych cieczy.

Doświadczenie pokazuje że kwasy, zasady oraz woda mineralna są dobrymi przewodnikami prądu. Woda źródlana o podobnych właściwościach do kranowej jest mniej wydajnym przewodnikiem zaś woda zdemineralizowana ze względy na usunięte z niej jony jest typowym izolatorem. Słabym Przewodnikiem jest również „ woda czarna „ stosowana w akwarystyce w odtworzeniu biotopu lasów tropikalnych dopływów Amazonki.

Woda zdemineralizowana W kolejnym doświadczeniu wykorzystaliśmy układ elektryczny przepuszczony przez wodę zdemineralizowaną. Jak wiemy z poprzedniego doświadczenia prąd w tym układzie nie popłynie ale stopniowo do zlewki dolewaliśmy roztwór wcześniej wykonany z małej ilości wody zdemineralizowanej oraz siarczanu miedzi pięciowodnej. Okazało się że wraz ze zwiększający się stężeniem tego roztworu zwiększa się przenikalność elektryczna.

Przepływ prądu w gazach W normalnych warunkach gazy nie są dobrymi przewodnikami. Działając na gaz różnymi czynnikami można wywołać jego jonizację. Dostarczają one elektronom energii, która umożliwia ich oderwanie od cząsteczki. Cząsteczki zostają wówczas jednokrotnie lub wielokrotnie zjonizowane. Z uwagi na fakt, że w warunkach ziemskich, niektóre z wymienionych wyżej czynników, nieustannie oddziaływują na gaz, atmosfera jest częściowo zjonizowana. Zjonizowany gaz jest bardzo dobrym przewodnikiem. Jednym ze skutków przepływu prądu elektrycznego jest świecenie gazu. Może to być zjawisko iskry elektrycznej, jarzenia lub wyładowania atmosferycznego.

Przepływ prądu w gazach Doświadczenie zostało przeprowadzone na maszynie elektrostatycznej gdzie zebrane ładunki na główce w widoczny sposób przeskakiwały na drugą główkę maszyny w popularnym dla nas gazie czyli powietrzu.

Podobne wyładowania można zauważyć podczas wyładowań atmosferycznych.

Zadanie 1 Oblicz oporność przewodu, przez który w czasie 40s pod napięciem 230V przepływa ładunek 1840 C. R=U/J J=Q/t OBLICZAM NATĘŻENIE J=1840C/40s J=46A R=230V/46A R=5 Ohm

W=P*t, więc: t=W/P Zatem: t=1kWh/60 Zadanie 2 Moc procesora Pentium wynosi 60W. W jakim czasie, podczas pracy, procesor pobiera 1 kWh energii? W=P*t, więc: t=W/P Zatem: t=1kWh/60 W=1000 Wh/60 W=16 h 40 min.

Zadanie 3 Żarówka o mocy 20W przystosowana do napięcia 200V została włączona do napięcia 100V. Jaką posiada ona moc przy niezmienionej oporności włókna?

Autorzy Dawid Kowaluk Kamil Kołodziejczyk Bartosz Hoffman Karolina Michalska Natalia Bajon Bartosz Wołongiewicz Paulina Szostak Dominika Wachelka Monika Styś Agnieszka Pyka Arkadiusz Kuryluk