DANE INFORMACYJNE Nazwa szkoły: Gimnazjum nr 43 Gimnazjum z Oddziałami Integracyjnymi im. Jana Pawła II ID grupy: 98/38_MF_G1 98/34_MF_G1 Opiekun: Anna Brzózka Jolanta Lis Kompetencja: matematyczno - fizyczna Temat projektowy: Prąd elektryczny Semestr/rok szkolny: IV/2011-2012

ELEKTRYCZNOŚĆ W NATURZE

PRĄD ELEKTRYCZNY Prądem elektrycznym nazywamy zjawisko uporządkowanego ruchu ładunków elektrycznych. Ładunek elektryczny to pewna właściwość materii czyli ładunek elektryczny musi być przemieszany razem z materią. Nośnikami ładunku elektrycznego są: elektrony; jony dodatnie; jony ujemne.

PRĄD ELEKTRYCZNY A TRZY STANY SKUPIENIA W metalach ( ciała stałe ) jest to ruch elektronów. W cieczach ruch jonów -nośnikami prądu są dodatnie i ujemne jony (odpowiednio kationy i aniony). W gazach ruch zarówno jonów jak i swobodnych elektronów.

KIERUNEK PRĄDU Przyjęto umownie, że kierunek płynącego prądu w obwodzie jest zgodny z kierunkiem ruchu ładunków dodatnich. [ umowa ta powstała w czasie, kiedy nie znano jeszcze elektronu i jego roli rzeczywistego nośnika prądu elektrycznego w metalach ] Wniosek: umowny kierunek prądu jest przeciwny do kierunku ruchu elektronów.

KIERUNEK PRĄDU

DOMOWA INSTALACJA PRĄDU, GAZU I WODY W CENTRUM NAUKI KOPERNIK

POCIĄGAJĄCE PRZEWODY W CENTRUM NAUKI KOPERNIK

WYTWARZANIE PRĄDU

ŹRÓDŁA PRĄDU ELEKTRYCZNEGO Źródła prądu, to różnego rodzaju baterie, akumulatory lub prądnice. Każde źródło prądu posiada dwa bieguny – dodatni i ujemny. Pomiędzy tymi biegunami występuje różnica potencjałów (nazywana napięciem elektrycznym), która wymusza przepływ ładunków.

OGNIWO Pierwsze ogniwo skonstruował w 1800 roku, włoski fizyk Alessandro Volta (1745-1827). Ogniwo jest to źródło stałego prądu elektrycznego, przetwarzające energię w reakcji chemicznej na energię elektryczną. budowa

INNE PRZYKŁADY WYTWARZANIA PRĄDU Dynamo ręczne Dynamo rowerowe

BATERIA SŁONECZNA Na dachu budynku Na polach

WARUNKI PRZEPŁYWU PRĄDU Opis obwodu schemat Zamknięta droga dla przepływających ładunków (nazywana obwodem elektrycznym). Konieczna obecność źródła energii elektrycznej (np. bateria).

OBWODY ELEKTRYCZNE W obwodzie elektrycznym zachodzą ciągłe przemiany energii – energia chemiczna źródła zamieniana jest na energie odbiornika (mechaniczną to silnik; promieniowania to żarówka; cieplną to spirala żelazka). Skutki przepływu prądu: optyczne (świecenie), mechaniczne (obraca się wirnik), magnetyczne (igła kompasu wychyla się w pobliżu obwodu z prądem), cieplne (spirala w grzejniku ogrzewa powietrze).

NASZ PROSTY OBWÓD ELEKTRYCZNY

Prawo Ohma Stosunek natężenia prądu płynącego przez przewodnik do napięcia pomiędzy jego końcami jest wielkością stałą, niezależną od napięcia i natężenia prądu. I - natężenie prądu (A) U - napięcie między końcami przewodnika (V) R - opór elektryczny (Ω )

PRAWO OHMA- ZADANIE Na końcówkach rezystora zmierzono napięcie 4V. Jaki jest jego opór R jeśli jednocześnie wiadomo, że płynie przez niego prąd o natężeniu 2A? Rozwiązanie Korzystając z prawa Ohma otrzymujemy: R=U/I = 4V/2A=2 Ω

WARTO WIEDZIEĆ W powyższym obwodzie amperomierz A mierzy w rzeczywistości sumę prądu I oraz prądu płynącego przez woltomierz V, Jednak ze względu na to, że rezystancja wewnętrzna woltomierza (w porównaniu do rezystancji R) jest bardzo duża (zwykle kilkaset k Ω) to prąd płynący przez woltomierz jest pomijalny.

Opór elektryczny U - napięcie między końcami przewodnika [V], I - natężenie prądu [A] R - opór elektryczny (Ω )

ZAPAMIĘTAJ Napięcie w obwodzie mierzy się woltomierzem przyłączonym do obwodu równolegle, w przeciwieństwie do amperomierza. Opór woltomierza jest bardzo duży, aby prąd przez niego płynący był pomijalnie mały (tzn. aby prąd płynący przez odbiornik się nie zmienił po podłączeniu woltomierza).

OPÓR ELEKTRYCZNY Opór elektryczny to zaburzenie przepływu prądu w przewodniku (również celowe). Zaburzenia te wywoływane są przez zderzanie się elektronów z drgającymi jonami sieci krystalicznej przewodnika. Pamiętajmy, że im dłuższy przewodnik, tym większy jest jego opór, odwrotnie natomiast z wielkością pola poprzecznego przekroju przewodnika. Najważniejszy jest jednak opór właściwy przewodnika, czyli opór, który stawia prądowi materiał, z którego wykonany jest przewodnik.

OD CZEGO ZALEŻY OPÓR? R - opór [Ω] ρ - opór właściwy [Ωּm] l - długość przewodnika [m] S - pole poprzecznego przekroju przewodnika [m2 ] (πr2 dla przewodnika o kołowym przekroju poprzecznym)

I prawo kirchhoffa Suma natężeń prądów wpływających do węzła jest równa sumie natężeń prądów z niego wypływających. I1 + I2 = I3 Pierwsze prawo Kirchhoffa wynika z zasady zachowania ładunku. Mamy: Q1 + Q2 = Q3 Q1 / t + Q2 / t = Q3 / t

II PRAWO KIRCHHOFFA Suma napięć źródłowych w dowolnym obwodzie zamkniętym prądu stałego równa jest sumie napięć na odbiornikach (tzw. oczkach).

PRACA PRĄDU ELEKTRYCZNEGO Praca prądu elektrycznego w obwodzie prądu stałego jest równa iloczynowi napięcia źródła energii elektrycznej, natężenia prądu przepływającego przez odbiornik oraz czasu przepływu prądu. W przypadku zmian natężenia prądu lub napięcia praca jest sumą prac elementarnych podobnie jak w przypadku zmian siły.

WZÓR NA PRACĘ PRĄDU Pracę obliczamy za pomocą następujących wzorów W = Uּ I ּ t W = I2ּ R ּ t Jednostką pracy prądu jest dżul [J]. Możemy wyrazić jednostkę pracy za pomocą jednostek wielkości elektrycznych: [J = VּAּs]

MOC PRĄDU ELEKTRYCZNEGO Moc wydzielająca się przy przepływie przez przewodnik prądu o natężeniu I, przy napięciu U panującym na jego końcach wyraża się wzorem: P- moc (W) U- napięcie (V) I- natężenie (A)

MOC PRĄDU STAŁEGO Stosując prawo Ohma można wyznaczyć wzory na na moc przy znanej rezystancji i napięciu: Analogicznie można wyznaczyć wzór na moc w zależności od rezystancji i natężenia prądu:

MOC PRĄDU STAŁEGO- ZADANIE Na końcach rezystora 10 Ω zmierzono napięcie 5V. Jaka moc wydziela się na nim? Rozwiązanie Stosujemy drugi wzór: P=52/10=25/10=2,5 W

Łączenie oporników prądu elektrycznego Obwód szeregowy: U = U1 + U2 + U3 I = I1 = I2 = I3 Rc = R1 + R2 + R3 Obwód równoległy: U = U1 = U2 = U3 I = I1 + I2 + I3

PRZEWODNIKI I IZOLATORY 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.

CZY JABŁKA MOGĄ BYĆ ŹRÓDŁEM PRĄDU?

NASZE DOŚWIADCZENIE

WNIOSEK: JABŁKA MOGĄ PRZEWODZIĆ PRĄD

NASZ PLAKAT

RODZAJE ŻARÓWEK

ROZWIĄŻ ZADANIE W tabeli podano wyniki pomiarów natężenia prądu w przewodniku od napięcia przyłożonego do jego końców. Odczytaj z tabeli wartość napięcia dla którego natężenie było maksymalne. Odczytaj z tabeli wartość natężenia dla którego napięcie było minimalne. Czy zależność I(U) jest rosnąca, czy malejąca? Odpowiedzi : U=18V; I=0,1A; rosnąca. U(V) 18 9 12 3 I(A) 0,6 0,3 0,5 0,1

WAŻNA SPRAWA – UWAGA ! Znasz język chiński ? Podstawka czajnika elektrycznego Napis na obudowie czajnika. Nie ,ale znam jednostki miary wielkości fizycznych, dlatego odczytam moc, napięcie, częstotliwość i pojemności urządzenia zrobionego w Chinach.

PRĄD STAŁY A PRĄD ZMIENNY Prąd stały (galwaniczny) - jest to prąd jednokierunkowy, przeważnie niskiego napięcia (do 80 woltów). Prąd zmienny sinusoidalny - jest to prąd zmienny o częstotliwości 50-90 Hz (poszczególne impulsy trwają około 0,02-0,01 s);

AC/DC – PRĄD ZMIENNY CZY PRĄD STAŁY? Prąd stały, jako ustalona wartość, nie niesie ze sobą żadnej informacji, jest wciąż taki sam. Prąd zmienny stale się zmienia, można go modyfikować, przesyłać za jego pomocą ogromne ilości informacji. Wiek XXI już teraz jest wiekiem informacji. Prąd zmienny to bardzo ważna wielkość, która umożliwia zapisywanie, odczytywanie i przesyłanie informacji na olbrzymie odległości. Urządzenie elektryczne zawierające prostownik przetwarzający prąd zmienny na prąd stały AC/DC- (alternating current / direct current).

TRANSFORMATOR jest to urządzenie elektryczne służące do przenoszenia energii elektrycznej prądu przemiennego drogą indukcji z jednego obwodu elektrycznego do drugiego, z zachowaniem pierwotnej częstotliwości.

BUDOWA TRANSORMATORA Transformator zbudowany jest z dwóch lub więcej cewek (zwanych uzwojeniami), nawiniętych na wspólny rdzeń magnetyczny wykonany zazwyczaj z materiału ferromagnetycznego. Oba obwody są zazwyczaj odseparowane galwanicznie, co oznacza, że nie ma połączenia elektrycznego pomiędzy uzwojeniami, a energia przekazywana jest przez pole magnetyczne.

SCHEMAT TRANSFORMATORA

PODZIAŁ TRANSORMATORÓW Transformatory ze względu na rodzaj budowy dzielimy na: - Transformatory olejowe - Transformatory suche i kompozytowe

Transformatory olejowe małej mocy - przykłady

TRANSFORMATORY SUCHE I KOMPOZYTOWE- PRZYKŁADY

PRĄD W NASZYM DOMU W naszych gniazdkach stale jest dostępny prąd, który wytwarzany jest setki kilometrów od naszego domu. Za pomocą transformatorów można przekształcać prąd zmienny o dużym natężeniu i małym napięciu na prąd o małym natężeniu i dużym napięciu, i na odwrót. Prąd o wysokim napięciu jest za pomocą transformatorów przetwarzany w miejscu użytkowania na prąd o dużym natężeniu i napięciu takim, które dla używających go ludzi staje się użyteczny. Napięcia występujące w domowych sieciach elektrycznych to napięcia rzędu 220 - 230 Voltów.

WPŁYW PRĄDU ELEKTRYCZNEGO NA ORGANIZM LUDZKI Skutkami przepływu prądu przez ludzki organizm są: (a) skurcze mięśni, zwłaszcza mięśni zginających, (b) oparzenia ciała (zewnętrzne) i wewnętrzne, (c) utrata świadomości, (d) zatrzymanie i zaburzenia oddychania, (e) zaburzenia pracy serca, występują one szczególnie przy przepływie prądów o częstotliwościach 50 lub 60 Hz - ich skutkiem jest migotanie komór serca.

ZASADA OSTROŻNIE Z PRĄDEM ELEKTRYCZNYM Należy pamiętać aby: nigdy nie manipulować przy urządzeniach włączonych do sieci, nie naprawiać samodzielnie urządzeń zasilanych prądem elektrycznym, nie wolno dotykać pracujących urządzeń elektrycznych mokrymi rękoma, nie pozostawiać urządzeń grzewczych bez kontroli.

ENERGIA ELEKTRYCZNA To najczęściej wykorzystywany rodzaj energii we współczesnym świecie. Piorun na zdjęciu obok jest jej naturalną formą, ale niestety nikomu nie udało się wykorzystać jego potężnej mocy w sposób kontrolowany.

WYTWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ Energię elektryczną wytwarza się w elektrowniach cieplnych, przetwarzając inne rodzaje energii pochodzące z węgla kamiennego lub gazu (w elektrowniach konwencjonalnych) lub uranu (w elektrowniach jądrowych). Do produkowania energii elektrycznej wykorzystywana jest również energia słoneczna , wiatrowa i wodna. Generator elektryczny to ogromny wirnik, który obraca się z dużą prędkością wewnątrz cewki (zwojnicy) z drutu miedzianego zwanej (stojanem),wytwarzając w ten sposób prąd elektryczny.

JAK FUNKCJONUJE KONWENCJONALNA ELEKTROWNIA CIEPLNA W takich elektrowniach wykorzystuje się energię cieplną pochodzącą ze spalania paliwa (węgiel kamienny lub gaz) w kotle parowym. Ciepło służy do podgrzania i odparowania wody, a wytworzona para wodna porusza turbinę, która uruchamia generator elektryczny. Skraplacz (zamknięty obieg schłodzonej wody) zamienia parę wodna z powrotem w wodę, aby mogła wrócić do kotłów parowych. W kominie chłodzącym następuje schłodzenie wody ze skraplacza, która podgrzała się poprzez kontakt z gorącą parą wodną.

JAK DZIAŁA ELEKTROWNIA JĄDROWA W elektrowni jądrowej rozczepieniu jąder uranu towarzyszą duże ilości ciepła, które podgrzewa wodę (jest tu ona napromieniowana czyli radioaktywna) w zamkniętym obiegu pierwotnym. Woda ta przepływa przez generator pary i oddaje ciepło wodzie z obiegu wtórnego, sama powraca do reaktora. Para wodna z obiegu wtórnego napędza turbinę parową, połączoną z generatorem elektrycznym.

ELEKTROWNIE konwencjonalna jądrowa

ENERGIA WIATRU Wiatraki, które produkują energie elektryczną, nazywamy turbinami wiatrowymi. Można je spotkać stojące samotnie i zaopatrujące w prąd pojedyncze gospodarstwo domowe. Buduje się także „farmy wiatrowe”, czyli zespoły takich turbin, które produkują prąd na skalę przemysłową. Mogą się składać nawet z 6000 wiatraków. Doprowadzenie prądu elektrycznego do niektórych zakątków świata metodą konwencjonalną byłoby zbyt drogie, co wymusza budowę mini-elektrowni wiatrowych.

ENERGIA WODNA Ogromna siła płynącej wody jest istotnym źródłem energii mechanicznej. Dzisiaj wykorzystuje się ją głównie do produkcji energii elektrycznej. Hydroenergia jest całkowicie czysta i odnawialna. Tamy i elektrownie wodne buduje się głównie na rzekach, ale morza także stanowią potencjalne źródło energii ze swoimi pływami, prądami i falami.

ELEKTROWNIE wiatrowa wodna

ENERGIA SŁOŃCA Słońce zapewnia nam ogromne ilości energii w postaci ciepła i światła. Wykorzystujemy jego energie do ogrzewania mieszkań, wody bieżącej oraz produkcji elektryczności. Jest to energia całkowicie ekologiczna, niezanieczyszczająca środowiska. Elektrownie słoneczne (helioelektrownie)- ułożone w okręgi współśrodkowe ruchome zwierciadła (heliostaty), odbijają promieniowanie słoneczne stale w tym samym kierunku – w stronę turbiny parowej umieszczonej na wieży w centrum okręgów. Podgrzana woda zmienia się w parę wodną i uruchamia turbinę produkującą elektryczność.

ELEKTROWNIA SŁONECZNA

PRZESYŁANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ Energia elektryczna jest przesyłana liniami wysokiego napięcia zawieszonymi na słupach o wysokości 30 do 60 metrów. Transport odbywa się na bardzo dużych odległościach sięgających setek kilometrów i aby uniknąć start energii są pod tak dużym napięciem. Przewody nagrzewają się i wydzielane ciepło jest tym większe im większe jest natężenie prądu (ciepło jest proporcjonalne do kwadratu natężenia) i dlatego przy przesyłaniu energii natężenie powinno być możliwie małe.

PRĄD ELEKTRYCZNY W MEDYCYNIE Leczenie prądem elektrycznym określa się mianem elektroterapii. Spośród zabiegów wchodzących w skład elektroterapii najważniejsze to: Galwanizacja - zabieg przeprowadzany z wykorzystaniem prądu stałego. Polega on na umieszczeniu na ciele pacjenta dwóch elektrod, z których jedna znajduje się w pobliżu chorego miejsca. Przez elektrody przepływa prąd, który działa rozluźniająco. Galwanizacja ma także działanie przeciwzapalne i przeciwbólowe.

PRĄD ELEKTRYCZNY W MEDYCYNIE Jonoforeza - zabieg z wykorzystaniem prądu stałego. W wyniku przepływającego prądu i wytworzonego potencjału, wprowadzony do ciała chorego lek jest kierowany w odpowiednie miejsce - do chorych tkanek. Lek jest zazwyczaj wprowadzany do ciała wraz z jedną z elektrod, którą umieszcza się w chorym miejscu. Cząsteczki leku odrywają się od elektrody i dostają się do chorych tkanek. Jonoforeza jest wykorzystywana w lecznictwie bólów nerwowych, zapaleń stawów, a także bardzo trudno zrastających się złamań kostnych.

PRĄD ELEKTRYCZNY W MEDYCYNIE Prądy diadynamiczne - jest to metoda leczenia oparta o prąd zmienny o bardzo małej częstości. Zabiegi z wykorzystaniem prądów diadynamicznych działają przeciwbólowo oraz mają dodatni wpływ na ukrwienie. Wykorzystywane są do leczenia silnych bólów oraz skurczy mięśniowych. Podobnie jak w innych zabiegach, prąd elektryczny jest przepuszczany pomiędzy dwoma elektrodami umieszczonymi w ciele pacjenta.

PRĄD ELEKTRYCZNY W MEDYCYNIE Elektrostymulacja - metoda z wykorzystaniem prądu zmiennego o bardzo małej częstości. Przepuszczanie prądu powoduje stymulację mięśni - naprzemienne skurcze i rozkurcze. Jest to pewien rodzaj gimnastyki mięśniowej. Elektrostymulację stosuje się do leczenia porażeń, niedowładów mięśni, takich jak porażenie nerwu twarzowego, a także inne urazy mięśniowe.

ZAKOŃCZENIE Codziennie korzystamy z wielu urządzeń zasilanych energią elektryczną. Trudno sobie wyobrazić współczesne życie bez oświetlenia elektrycznego, lodówki, telewizora czy komputera. Telefon komórkowy, cyfrowy aparat fotograficzny, zegarek elektroniczny czy odtwarzacz muzyki najczęściej jest zasilany baterią lub akumulatorkiem, które wytwarzają energię elektryczną dzięki reakcjom chemicznym.

BIBLIOGRAFIA G.Francuz-Ornat, T. Kulawik, M. Nowotny-Różańska, Spotkania z fizyką – podręcznik do gimnazjum – część 2, Nowa Era: Warszawa; R.Sosiński, (1987), Fizyka i My, WSiP:Warszawa; S.Ziemicki, K. Puchowska, (2009), Bliżej fizyki, WSiP: Warszawa E. Beaumont, Energia, Olesiejuk: Ożarów Mazowiecki Źródła internetowe: http://pl.wikipedia.org http://www.kochamyfizyke.net http://www.bazywiedzy.com/moc-pradu-stalego.php

MOŻNA JESZCZE WIELE OPOWIADAĆ O PRĄDZIE Dziękujemy za poświęcony czas i uwagę.