DANE INFORMACYJNE Nazwa szkoły: Gimnazjum nr 2 im. Marii Skłodowskiej - Curie w Gostyniu Gimnazjum w Pomorsku ID grupy: 98/41_MF_G2 Marek Wądołowski ID grupy: 98/55_MF_G2 Józef Gerowski Kompetencja: Matematyczno-Fizyczna Temat projektowy: Ładunki wokół nas Semestr/rok szkolny: Semestr IV 2011/2012

CZĘŚĆ TEORETYCZNA

MATERIA Materia jest to wszystko, co posiada masę. Jest ona zbudowana z atomów, które składają się z cząsteczek elementarnych: neutronów, protonów i elektronów.

BUDOWA ATOMU Elektrony krążą wokół jądra. Pomiędzy jądrem a elektronami działa siła elektrostatycznego przyciągania. Elektrony są niejednakowo oddalone od jądra.

Atom jest obojętny elektrycznie, bo liczba elektronów i protonów jest taka sama. Atomy różnych pierwiastków różnię się między sobą właśnie liczbą protonów i elektronów. Jeśli jednak do obojętnego elektrycznie atomu zostanie przyłączony lub od niego oderwany jeden lub kilka elektronów, to staje się on jonem, który nie jest już obojętny elektrycznie: atom + elektron = jon ujemny, atom - elektron = jon dodatni.

ŁADUNKI ELEKTRYCZNE Istnieją dwa rodzaje ładunku elektrycznego: · Dodatni · Ujemny Neutron jest cząstką, która nie posiada ładunku, więc jest elektrycznie obojętny. Ładunek protonu i elektronu są sobie równe, co do wartości bezwzględnej. Wartość ich ładunków nosi nazwę ładunku elementarnego. Ciała, w których znajdują się te same ilości protonów i elektronów (które się wzajemnie zobojętniają), są elektrycznie obojętne. Jeżeli ciało jest naelektryzowane, oznacza to, że nastąpiło zachwianie równowagi pomiędzy ilością ładunków poszczególnych elektronów.

Ładunki elektryczne oddziaływają na siebie wzajemnie. Rodzaj tego oddziaływania ( przyciąganie lub odpychanie) zależy od znaku oddziaływujących na siebie ładunków. Przyciąganie będzie występowało wtedy, gdy ładunki mają przeciwne znaki ( ładunki różnoimienne ). Odpychanie będzie występować wtedy, gdy ładunki mają te same znaki ( ładunki jednoimienne ). Jednostką ładunku elektrycznego jest kulomb. 1 kulomb (1C) jest to ładunek przepływający w czasie 1 sekundy przez poprzeczny przekrój przewodnik, w którym płynie prąd o natężeniu 1 ampera (1A) Q = I * t Q - ładunek elektryczny [C], t - czas przepływu prądu [s], I - natężenie prądu [A]

PRZEWODNIKI I IZOLATORY Przewodniki są to substancje przewodzące ładunek elektryczny (organizmy żywe, elektrolity, grafit, metale, zjonizowane gazy). Dobre przewodniki to: · grafit · żelazo · stal · aluminium · złoto · miedź · srebro Nośnikami ładunku elektrycznego w przewodnikach są: · elektrony swobodne - w metalach i graficie · jony dodatnie i ujemne - w elektrolitach · jony dodatnie i ujemne oraz elektrony swobodne w zjonizowanych gazach

Ciała, w których nie występują elektrony swobodne, ani jony dodatnie czy ujemne, które mogłyby się swobodnie poruszać w ich wnętrzu. Dobrymi izolatorami prądu elektrycznego są: · tworzywa sztuczne · szkło · drewno

PRĄD ELEKTRYCZNY 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. Umownym kierunkiem prądu jest kierunek ruchu ładunków dodatnich. W zamkniętym obwodzie elektrycznym, jest to kierunek od plusa do minusa.

NAPIĘCIE PRĄDU ELEKTRYCZNEGO Napięcie prądu jest to różnica potencjałów pomiędzy dwoma punktami, określa przepływ prądu elektrycznego w obwodzie, im większe napięcie tym większy będzie przepływ prądu elektrycznego. U = J * R U- napięcie elektryczne [V], I- natężenie prądu [A], R- oporność [1Ω] Pomiaru napięcia prądu dokonujemy woltomierzem

NATĘŻENIE PRĄDU ELEKTRYCZNEGO Natężenie prądu jest to stosunek ładunku przepływającego przez przekrój poprzeczny przewodnika do czasu jego przepływu. J = q / t I - natężenie prądu [A], q - wielkość ładunku przepływającego przez poprzeczny przekrój przewodnika [C], t - czas przepływu danej porcji ładunku [s] Pomiaru natężenia prądu dokonujemy amperomierzem

OBWODY ELEKTRYCZNE Obwód elektryczny jest to zespół połączonych elektrycznie elementów, tworzących zamkniętą drogę dla przepływu prądu. W skład obwodu elektrycznego wchodzą: · źródło napięcia, · odbiorniki, · przewody łączące

PRAWO COULOMBA Prawo Coulomba określa wartość siły elektrostatycznej działającej między dwoma ładunkami. W podstawowej formie są to tzw. ładunki punktowe, jednak prawo można też zastosować w odniesieniu do równomiernie naładowanych kul.

k  - stała elektrostatyczna (k = 9 ∙ 109 Nm2/C2)  Q1 – ładunek elektryczny pierwszego obiektu – jednostka w układzie SI – kulomb C = A ∙ s Q2 – ładunek elektryczny drugiego obiektu – jednostka w układzie SI – kulomb C = A ∙ s R - odległość między ładunkami, lub między środkami kul równomiernie naładowanych – jednostka w układzie SI – metr m.

CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA

DOŚWIADCZENIE Przyrządy: 2 arkusiki folii np. z woreczków śniadaniowych i 2 tej samej wielkości kartki cienkiego papieru. Przebieg: Kładziemy na stoliku jedną z folii, a na niej kartkę papieru. Pocieramy je o siebie przez chwilę, a następnie podnosimy każdy arkusik w jednej ręce i zbliż do siebie. Następnie kładziemy dwie folie na stoliku, a na nich dwie kartki papieru i pocieraj je o siebie, po czym zbliżamy do siebie najpierw dwie kartki , a następnie dwie folie. Obserwacje i wnioski: Ciała wykonane z różnych substancji elektryzują się w różny sposób. Istnieją dwa rodzaje ładunków elektrycznych: dodatni i ujemny. Dwa te same ładunki się odpychają, a różne przyciągają się. Dwie folie i dwie kartki papieru odpychają się, a kartka i folia przyciągają się.

DOŚWIADCZENIE (elektryzowanie przez tarcie) Przyrządy: Maszyna elektrostatyczna. Przebieg: Wprowadzamy w ruch maszynę elektrostatyczną i zbliżamy do siebie kulki biegunów. Obserwacje i wnioski: Obserwujemy przeskok iskry elektrycznej i głośny trzask.

Gęstość nabojów na ostrzach Elektryczny wiatr Działanie elektrycznego ostrza. Jeśli przewodnik ma ostre, wystające części, to gęstość powierzchniowa nabojów na tych częściach może być tak znaczna, a w związku z tym pole elektryczne w ich pobliżu tak silne, że sąsiadujące cząsteczki powietrza zaczną podlegać jonizacji. W rezultacie tego powstanie strumień jonów odpychanych od ostrza. Możemy to zaobserwować biorąc kulkę metalową z ostrzem. Przed ostrzem umieszczamy płomień świecy. Kulkę łączymy z biegunem maszyny elektrostatycznej. Wprowadziwszy maszynę w ruch stwierdzamy, że strumień jonów nachyla płomień świecy.

Gęstość nabojów na ostrzach Elektryczny wiatr

Przyspieszacz elektrostatyczny W oparciu o zasadę działania silnika elektrostatycznego B. Franklina skonstruowano urządzenie, w którym za pomocą sił elektrostatycznych wprawia się w ruch kołowy metalowe kule o masach dochodzących do 0,3 kg. Budowa przyspieszacza jest następująca: Na krążku z dobrego izolatora (metapleksu) wykonano odpowiednio wyprofilowane pierścieniowe wgłębienie. Jest to tor kołowy, po którym poruszają się rozpędzone metalowe kule, bądź grafitowana piłeczka ping-pongowa. W odległości równej średnicy krążka umocowane są dwa pionowe słupki metalowe, do których z kolei przytwierdzone są elektrody zakończone kulkami. Kulki elektrod znajdują się nad kołowym torem. Wysokość elektrod względem toru można regulować w sposób ciągły.

Przyspieszacz elektrostatyczny. Uruchomienie przyrządu Do pokazu używamy maszyny elektrostatycznej lub szkolnego generatora Van de Graaffa. Bieguny źródła wysokiego napięcia stałego podłączamy do słupków. Na torze tuż pod kulą jednej elektrody ustawiamy stalową kulkę o promieniu np. 25 mm. Do tego celu nadają się dobrze kule z łożysk tocznych

Przyspieszacz elektrostatyczny. Podsumowanie Szczelina jaka tworzy się między kulą, która ma być rozpędzona, a kulą elektrody powinna wynosić od 0,5 mm do 1 mm. Przy większej szczelinie efekty przyspieszenia są małe. Po uruchomieniu źródła wysokiego napięcia kula zostaje odepchnięta od elektrody, a następnie przyciągnięta przez drugą elektrodę i przez nią odepchnięta. Przy kolejnych zbliżeniach się kuli do elektrod uzyskuję ona coraz to większe przyspieszenie aż do momentu ustalenia się prędkości. Liczne próby wykazały, że zamiast jednej kuli można przyspieszać jednocześnie nawet trzy kule.

Przyspieszacz elektrostatyczny. Podsumowanie

Oddziaływanie wzajemne ciał naelektryzowanych. Pałeczki ebonitowe potarte futrem (ładunki jednoimienne odpychają się). Pałeczka ebonitowa potarta futrem i szklana potarta folią (ładunki różnoimienne przyciągają się).

Oddziaływanie wzajemne ciał naelektryzowanych. Kulki o średnicy ok. 10 mm. ze styropianu pometalizowane (lub cylinderki z folii aluminiowej o średnicy ok. 10 mm i długości 60 mm) zawieszamy na izolującej nici. Kulki ładujemy potartym prętem, lub elektroforem - obserwujemy odpychanie.

Oddziaływanie wzajemne ciał naelektryzowanych. 1 - elektroskop, 2 - pręt ebonitowy, 3 - futro, 4 - izolator. Elektryzowanie przez tarcie powoduje rozdział ładunków - na jednym z pocieranych ciał powstaje ładunek ujemny, na drugim dodatni. Pokaz: po potarciu dotykamy kulkę elektroskopu prętem ebonitowym (przeciągamy go po kulce zbierając z pręta ładunek) - wskazówka elektroskopu wychyla się. Dotknięcie z kolei futrem rozładowuje elektroskop.

Elektryzowanie przez tarcie Przyrządy: Balon, włosy lub wełna, elektroskop. Przebieg: Nadmuchany balon zbliżamy do włosów (sukno) i pocieramy o nie powierzchnią balonu. Obserwacje i wnioski: Włosy „chodzą” za balonem. Dotknięty balonem elektroskop powoduje wychylenie się listków elektroskopu.

Elektryzowanie przez tarcie

Elektryzowanie przez indukcję Przyrządy: Pieprz, sól, laska ebonitowa. Przebieg: Mieszamy dokładnie sól i pieprz, po czym zbliżamy do mieszanki naelektryzowaną laskę ebonitową. Obserwacje i wnioski: Laska ebonitowa przyciąga pieprz, pozostawiając sól.

Elektryzowanie przez indukcję

Elektryzowanie przez indukcję Przyrządy: Puszka aluminiowa, laska ebonitowa. Przebieg: Do puszki aluminiowej kolejno zbliżamy naelektryzowaną laskę ebonitową. Obserwacje i wnioski: Pod wpływem naelektryzowanej laski ebonitowej puszka aluminiowa zaczyna się toczyć za laską.

Elektryzowanie przez indukcję

badanie rozmieszczenia ładunku Przyrządy: Laska ebonitowa, neonówka, wełna. Przebieg: Jeden koniec laski ebonitowej pocieramy wełną. Neonówką dotykamy w różnych jej punktach. Obserwacje i wnioski: Neonówka zapala się tylko w tych punktach laski, w których była ona pocierana.

zasada zachowania ładunku Przyrządy: Dwa elektroskopy z osadzonymi na ich prętach płytkami metalowymi, metalowy łącznik o izolowanym uchwycie, laska ebonitowa, sukno. Przebieg: Pręty dwóch elektroskopów z osadzonymi na ich prętach płytkami metalowymi łączymy metalowym łącznikiem. Do płytki jednego elektroskopy zbliżamy bez dotykania ujemnie naładowaną laskę ebonitową. Odejmujemy łącznik, a następnie oddalamy laskę.

zasada zachowania ładunku Obserwacje i wnioski: Elektroskop położony bliżej laski ebonitowej został naelektryzowany dodatnio, czyli ładunkiem przeciwnego znaku do ładunku laski. Elektroskop położony dalej został naelektryzowany ujemnie.

Prawo Coulomba Przyrządy: Laska ebonitowa, elektroskop. Przebieg: Elektryzujemy laskę ebonitową i miarowo zbliżamy ją oraz oddalamy od elektroskopu. Obserwacje i wnioski: Im większa jest odległość między naelektryzowaną laską, a elektroskopem, tym mniejsza jest siła wzajemnego oddziaływania.

Ruch kulki metalowej w polu elektrostatycznym. Pometalizowana kulka styropianowa, zawieszona na izolacyjnej nici, porusza się tam i z powrotem pomiędzy naładowanymi płytami metalowymi. Po dotknięciu jednej z płyt kulka ładuje się jej ładunkiem np. ujemnym i odpychana porusza się do drugiej płyty; tam ładuje się ładunkiem dodatnim i odpychana biegnie z powrotem.

Ruch kulki metalowej w polu elektrostatycznym. Przyrządy: Dwie metalowe płyty, maszyna elektrostatyczna, piłeczka owinięta folią aluminiową, trzy statywy, nić, laska ebonitowa, tkanina wełniana Przebieg: Metalowe płyty umieszczamy równolegle na statywach i łączymy z kulkami maszyny elektrostatycznej. Na nici zawieszamy piłeczkę i umieszczamy ją na statywie, między metalowymi płytami. Elektryzujemy metalowe płyty elektroforu, obracając kilka razy tarczami maszyny elektrostatycznej. Następnie powtarzamy doświadczenie obracając tarczami maszyny elektrostatycznej dłużej. Obserwacje i wnioski: Po jednym naelektryzowaniu płyt piłeczka zaczyna poruszać się, uderzając raz o jedną, raz o druga płytę. Częstotliwość uderzeń maleje aż do zatrzymania się piłeczki. Jeśli elektryzowanie płyt trwa, to również przez cały czas obserwujemy ruch piłeczki.

Ruch kulki metalowej w polu elektrostatycznym.

Ruch kulki metalowej w polu elektrostatycznym.

Polaryzacja w strumieniu wody. Z naczynia A wypływa cienka struga zabarwionej wody (regulacja kranem K). Po zbliżeniu do strugi naelektryzowanej ujemnie pałeczki P (ebonitowa potarta futrem) stwierdzimy odchylenie strugi w kierunku pałeczki. Powtarzamy to z pałeczką szklaną potartą folią (naładowana dodatnio). Również teraz struga jest przyciągana.

Polaryzacja w strumieniu wody.

Cała grupa

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

Autorzy Fabianowski Jakub Grześkowiak Estera Piecuch Dorota Majewski Tomasz Pluta Alicja Skorupska Adrianna Szymańska Joanna Wichliński Jakub Wojciechowska Ola Zagata Krzysztof