Doświadczenie Żarnik z grafitu

Hipoteza Czy żarnik w żarówce mógłby być wykonany z grafitu? Dlaczego rysik zaświeci po podłączeniu do źródła prądu?

Historia żarówki Pierwsze światło elektryczne rozbłysło w 1801r. kiedy to Anglik Humphry Davy podłączył do prądu platynowy drut. Niestety był to zły pomysł, ponieważ drut się szybko spalał, a platyna była droga. Uważa się, że pierwszą prawdziwą żarówkę zbudował Niemiec – Heinrich Gobel w 1854r. W zamkniętej szklanej bańce umieścił żarnik ze zwęglonego bambusa. Jego pomysł jednak nie nadawał się do codziennego użytku, gdyż świeciła zbyt krótko. Wreszcie w 1850r Joseph Wilson Swan wykonał żarówkę z żarnikiem z grafitu, było to bardzo duże odkrycie. Natomiast w 1879r. Thomas Alva Edison opatentował żarówkę o podobnej konstrukcji żarówki Swana, lecz do swojego wynalazku użył żarnika ze zwęglonego włókna bawełnianego. Dopiero w 1880r Aleksander Łodygin wykorzystał wolframowy drucik jako żarnik. W późniejszych latach Swan i Edison założyli firmę produkującą żarówki. Joseph Wilson Swan Thomas Alva Edison

Opór materiału z którego wykonany jest żarnik W żarówce wykorzystywano żarniki wykonane z materiałów posiadających duży opór elektryczny. Opór elektryczny jest to odwrotność przewodności elektrycznej, czyli stosunek napięcia do natężenia prądu. Opór zawsze ma wartość stałą. Każdy materiał posiada charakterystyczną oporność omową, czyli wielkość charakteryzującą reakcję ośrodka na przepływ prądu elektrycznego. Opór przewodnika zależy od jego długości i pola powierzchni przekroju oraz rodzaju użytego materiału (jego oporu właściwego ς).

Dlaczego dziś nie ma żarówek z żarnikiem grafitowym? Aby na to odpowiedzieć przeprowadziłyśmy następujące doświadczenie:

Potrzebne materiały: Do doświadczenia użyliśmy następujących materiałów: Rysiki z ołówka Akumulator Kable zapłonowe lub kable z głośnika Miernik

Opis Doświadczenia Na początku rysik owinęłyśmy rozdwojonym kablem zapłonowym. Następnie kabel podłączyłyśmy do akumulatora. Zbadałyśmy miernikiem natężenie prądu przepływającego przez grafit oraz napięcie elektryczne występujące na jego końcach - na początku doświadczenia i w jego trakcie. W wyniku przepływu prądu przez rysik, zaczął się on palić. Po przepaleniu ołówka bezpiecznie odłączyłyśmy kabel.

Przebieg Doświadczenia

Obserwacje Po podłączeniu do akumulatora rysik zaczął się palić i świecić. Wydobywał się z niego gaz, mający białą barwę i charakterystyczny zapach. Był to CO2 . C + O2 → CO2 ↑ Po 10 s rysik się przepalił i został zwęglony.

Wyniki pomiaru dokonanego w trakcie doświadczenia: Natężenie: I1 = 11,43A I2 = 11,56A Napięcie: U1 = 0,22V U2 = 0,18V I1 , U1 - przy załączeniu I2 , U2 – przy rozżarzeniu

Niepewność pomiaru Różnica pomiędzy wartością pewnej wielkości uzyskaną w wyniku pomiaru a rzeczywistą wartością tej wielkości. Niepewność pomiaru miernika uniwersalnego dla pomiaru natężenia 10 mA Niepewność pomiaru miernika uniwersalnego dla pomiaru napięcia 100 µV Pomiary mierzyłyśmy miernikiem firmy Master. Niepewność pomiaru dla długości rysika 1 mm

Wyniki pomiaru Pomiary R (Ω) U (V) I (A) l (cm) I pomiar 0,019 0,015 0,22 0,18 11,43 11,56 3 II pomiar 0,28 0,23 11,64 11,78 III pomiar 0,19 0,15 11,23 11,36 Średnia wyników

Obliczenia W = I ∙ U ∙ t W = Eel W1 = 11,43A ∙ 0,22V ∙ 10s = 25,146J W2 =11,56A ∙ 0,18V ∙ 10s = 20,808J R = R1= R2 = R = ς ∙ /∙ ς = ∙ R U I 0,22 V = 0,019Ω 11,43 A 0,18 V = 0,015Ω 11,56 A I s s I s I

ςC = ∙ 0,019Ω = 0,0023 Ω*mm ςW = 0,00054 Ω*mm I = / ∙ t q = I ∙ t q = 11, 43A ∙ 10s = 114,3 C q W = U ∙ I ∙ t = U ( ) ∙ t t W = Eel Eel = U ∙ q E = 0,18V ∙ 114,3C = 20,574J ▲Eel = ▲Ew E w = 25,146J – 20,808J = 4,338J

Wnioski Rysik jest substancją słabo przewodzącą prąd. Przez rysik przepływa prąd (Eel). Dzięki oporowi rysika 0,019Ω, zaczyna się nagrzewać, a następnie palić (Q), przez co Eel zmniejsza się, za to wzrasta Ew. Energia elektryczna zmienia się w energię cieplną wysyłając fale elektromagnetyczne. Gdy atomy metali przez ogrzanie zostaną wprowadzone w stan pobudzenia, wtedy emitują promieniowanie o różnej długości fal. Jest to promieniowanie obejmujące szeroki zakres częstotliwości, przy czym maksimum widmowe w tym zakresie przypada na tym większe częstotliwości (mniejsze długości fal), im wyższa jest temperatura danego ciała. Człowiek widzi falę o częstotliwości 1014 – 1015Hz

Wszystkie ciała o temperaturze wyższej od 0 K emitują promieniowanie cieplne. Światło emitowane jest kosztem Ew drucika rozgrzanego na skutek przepływu prądu elektrycznego. Energia elektryczna przechodzi w energię cieplną. Grafit nie może zastąpić żarnika wykonanego z wolframu, gdyż wolfram ma wysoką temp. topnienia (3665 K), niewielką prędkość parowania i korzystny skład widmowy emitowanego promieniowania, dzięki czemu żarówka wolniej się przepala niż w przypadku żarnika z grafitu (temp. Topnienia 1000K) W żarówce żarnik szybko stygnie dzięki transportu ciepła przez promieniowanie.

Bibliografia: „Bardzo ilustrowana historia wynalazków” Anna Claybourne, Adam Larkum. Wyd. Papilion, Poznań 2007 „Nowa Encyklopedia powszechna PWN” , wyd. PWN, Warszawa 1995 Fizyka dla szkół średnich, A. Czerwnińska, B. Sagnowska wydawnictwo ZamKor Kraków 1999 Szkolny słownik fizyczny wydawnictwo Wideograf II Katowice wrzesień 2001  Krzysztof Wójcik i Jerzy Stasz Historia fizyki wydawnictwo naukowe PWN, Andrzej Kajetan Wróblewski warszawa 2006 fizyka i a astronomia dla każdego wydawnictwo ZamKor, pod redakcją Barbary Sagnowskiej, Kraków 2007 www.info.fuw.edu.pl www.uczenzklasa.gazeta.pl/ www.sciaga.pl www.brasil.cel.agh.edu.pl http://www.fizykon.org

Dziękujemy za uwagę Wykonały: Patrycja Szklarz, Agnieszka Harkabuz Uczennice klasy IIa Gimnazjum nr 1 im. Ojca Świętego Jana Pawła II 34-721 Raba Wyżna 65 Nauczyciel mgr Wiesława Wiatrak