elektryczność. Gimnazjum Towarzystwa Salezjańskiego 98/84_MF_G2 Nazwy szkół: Gimnazjum nr 58 Poznań Gimnazjum Towarzystwa Salezjańskiego ID grup: 98/62_MF_G2 98/84_MF_G2 Temat projektowy: Wiwat elektryczność. Semestr V / rok szkolny: 2011/2012

Spis treści Jak to się rozpoczęło? Budowa atomu Sposoby elektryzowania ciał. Oddziaływanie ciał naelektryzowanych. Pole elektrostatyczne. Jak odkryto prąd elektryczny? Wynalezienie piorunochronu. Podział substancji ze względu na zdolność do przewodzenia prądu.

Jak to się rozpoczęło? Pierwsze zjawiska elektrostatyczne zostały zaobserwowane w Starożytnej Grecji przez Talesa z Miletu w VI w.p.n.e. Zauważył on, że bursztyn potarty suknem przyciągał kawałki nitek, suche trawy i inne drobne ciała. Wszystkie ciała mające takie same własności jak potarty bursztyn nazywa się ciałami naelektryzowanymi. Dziś wiemy, że naelektryzować można wiele ciał w bardzo ławy sposób, jednakże dla Starożytnych było to odkrycie przypadkowe i przez wieki stanowiło tylko ciekawostkę.

Jak to się rozpoczęło? Dopiero w II połowie XVI wieku William Gilbert na podstawie licznych doświadczeń stwierdził, że przez tarcie można naelektryzować różne ciała. Wynalazł też prosty przyrząd - versorium, za pomocą którego badał przyciąganie ciał naładowanych. Gilbert wprowadził też do fizyki termin „elektryczność”. Nazwa elektryczność pochodzi od greckiego słowa ήλεκτρον (ēlektron) oznaczającego bursztyn.

Atom i jego budowa Atom zbudowany jest z : protonów - posiadających ładunek dodatni elektronów - posiadających ładunek ujemny neutronów - elektrycznie obojętnych.

Wartości ładunków protonów i elektronu są takie same, różnią się tylko znakami. Centralną częścią atomu jest bardzo małe jądro, w skład którego wchodzą protony i neutrony. Elektrony w atomie poruszają się wokół jądra w różnych od niego odległościach, tworząc tzw. powłoki elektronowe, w których prawdopodobieństwo znalezienia elektronu jest największe.

Atom jest elektrycznie obojętny, co oznacza, że suma ładunków protonów w jądrze równy jest sumie ładunków elektronów krążących wokół jądra, czyli liczba protonów równa jest liczbie elektronów.

Atom, który posiada na powłokach nadmierną liczbę elektronów w stosunku do liczby potrzebnej do zobojętnienia dodatniego jądra, ma wypadkowy ładunek ujemny. Nazywamy go jonem ujemnym. Atom, który posiada na powłokach niedomiar elektronów, ma wypadkowy ładunek dodatni. Nazywamy go jonem dodatnim.

Sposoby elektryzowania ciał Elektryzowanie ciał przez tarcie: Elektryzowanie przez tarcie polega na przepływie elektronów z jednego ciała do drugiego podczas pocierania ich jedno o drugie. W ten sposób jedno ciało uzyskuje ładunek dodatni, a drugie ujemny. 

Sposoby elektryzowania ciał Elektryzowanie ciał przez dotyk: Naelektryzowanym ciałem dotykamy ciało obojętne elektrycznie. Po zetknięciu się dwóch ciał elektrony z jednego ciała przemieszczają się na drugie, w wyniku czego oba ciała uzyskują ładunek tego samego rodzaju.

Sposoby elektryzowania ciał Elektryzowanie ciał przez indukcję: Indukcja elektrostatyczna jest to zjawisko przemieszczania się ładunku elektrycznego w obrębie ciała pod wpływem ciała naelektryzowanego. 

Sposoby elektryzowania ciał Każde ciało naelektryzowane przyciąga ciało elektrycznie obojętne. Dzieje się tak, dlatego, że w każdym ciele elektrony mają większą lub mniejszą zdolność przemieszczania się. Zbliżając ciało naelektryzowane do ciała obojętnego siły elektryczne mogą powodować przesunięcie się elektronów w obrębie tego ciała.

Elektryzowanie ciał

Oddziaływanie ciał naelektryzowanych Siły działające między ciałami naelektryzowanymi nazywamy siłami elektrycznymi. Ciała mogą być naelektryzowane dodatnio lub ujemnie. Ciała naelektryzowane różnoimiennie przyciągają się, natomiast odpychają się ciała naelektryzowane jednoimiennie. Badaniem sił oddziaływań elektrycznych zajmował się Charles Coulomb.

Kim był Charles Coulomb?

Charles Augustin de Coulomb Charles Coulomb Charles Augustin de Coulomb ur. 14 czerwca 1736 w Angoulême, zm. 2 sierpnia 1806 w Paryżu– francuski fizyk, od którego nazwiska pochodzi prawo Coulomba i jednostka ładunku elektrycznego – kulomb.  Poświęcił się pracom badawczym dotyczącym magnetyzmu, teorii maszyn prostych i elektrostatyki. W 1785 na podstawie wielu precyzyjnych eksperymentów, przeprowadzonych za pomocą wagi skręceń sformułował prawo nazwane od jego nazwiska prawem Coulomba, będące podstawowym prawem elektrostatyki. Później rozwinął teorię elektryzowania powierzchniowego przewodników. W 1786 odkrył zjawisko ekranowania elektrycznego, a w 1789 wprowadził pojęcie momentu magnetycznego.

Prawo Coulomba W 1785 Coulomb eksperymentalnie wyznaczył siłę wzajemnego oddziaływania dwóch ładunków używając do tego wagi skręceń. 

Prawo Coulomba Dwa ładunki punktowe działają na siebie siłą, która jest wprost proporcjonalna do iloczynu wartości tych ładunków, a odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi.

Prawo Coulomba Siłę tą nazywamy siłą Coulomba. Zależy ona jeszcze od otoczenia, w jakim znajdują się te ładunki. Prawo to można przedstawić za pomocą wzoru: w którym: F - siła wzajemnego oddziaływania dwóch punktowych ładunków elektrycznych, q1 , q2 - punktowe ładunki elektryczne, r - odległość między ładunkami, k - współczynnik proporcjonalności:

pole elektrostatyczne

Pole elektrostatyczne Pole elektrostatyczne to przestrzeń wokół nieruchomych ładunków lub ciał naelektryzowanych, w której na ładunki elektryczny działają siły. Pole elektrostatyczne przedstawia się graficznie za pomocą linii pola elektrycznego. Linie pola mają sens fizyczny torów, po których poruszałby się w danym polu próbny ładunek dodatni.

Pole elektrostatyczne Pole centralne to pole wytworzone przez dodatni lub ujemny ładunek punktowy. Linie pola centralnego rozchodzą się promieniście i przecinają się w miejscu, w którym znajduje się ładunek będący źródłem tego pola. Linie te są zwrócone tak jak siły, które działałyby na umieszczony w tym polu ładunek próbny.

Pole elektrostatyczne Między dwiema równoległymi płytkami naelektryzowanymi różnoimiennie powstaje pole elektrostatyczne, które nazywamy polem jednorodnym. Jednorodne pole elektrostatyczne ma taką właściwość, że na określony ładunek umieszczony w różnych punktach tego pola działa jednakowa siła.

Pole elektrostatyczne

Ruch w polu elektrostatycznym w wykonanym przez nas układzie . Na dwóch metalowych puszkach zbierają się ładunki różnoimienne. Dna tych puszek są do siebie równoległe i powstaje pomiędzy nimi pole elektrostatyczne, w przybliżeniu jednorodne. Kulka znajdująca się w tym polu elektrostatycznym elektryzuje się i zostaje przyciągnięta przez dno jednej z metalowych puszek ponieważ znajduje się bliżej niej niż drugiej. Po dotknięciu dna tej puszki ładuje się ładunkiem o takim samym znaku i zostaje odepchnięta. Kulka porusza się ruchem jednostajnie przyspieszonym pomiędzy metalowymi puszkami. Proces powtarza się aż do zobojętnienia ładunków w całym układzie

Jak odkryto prąd elektryczny/ Żaby dr Galvaniego

W 1786 roku, kiedy  żona doktora zachorowała, Luigi Galvani przygotował jej na wzmocnienie udka żabie duszone w tłuszczu. W tym celu oddzielił od tułowia udka z niewielką częścią grzbietu i ściągnął z nich skórę. Odsłonił przy tym nerwy połączone z niewielką częścią kręgosłupa. Rzecz działa się w laboratorium. Asystenci wytwarzali w tym czasie na drugim końcu stołu długie iskry za pomocą maszyny elektrostatycznej.

Nagle rozległ się krzyk: "Przecież żaba żyje  Nagle rozległ się krzyk: "Przecież żaba żyje!" Wyjaśnieniem było to, iż Galvani dotknął nerwów preparowanej żaby, trzymając jednocześnie ostrze, był więc również połączony z nerwami. Przypadek sprawił, że w tej samej chwili jeden z asystentów obrócił maszynę elektrostatyczną i wytworzył długą iskrę. W tym momencie "wszystkie mięśnie na przegubach żaby skurczyły się kilkakrotnie w taki sposób, jak gdyby działały na nie silne skurcze" - napisał o tym Galvani.

Galvani nie znał jeszcze przyczyny tego zjawiska, ale stwierdził istnienie czegoś nowego i nie znanego, zabrał się więc do bliższego zbadania tego zjawiska. Po "okresie zdziwienia" badacz rozpoczął systematyczne obserwacje.

Galvani szybko wpadł na pomysł, aby zamiast iskier ze swej maszyny elektrostatycznej wykorzystać błyskawicę. Doktor rozciągną nad swoim domem żelazny drut i odizolował go w miejscach zamocowania. Na tym drucie zawiesił na nerwach udka żab za pomocą mosiężnych haczyków.

Nogi żab połączył za pomocą innego drutu żelaznego z ziemią; drut ten prowadził do wody w studni. Doświadczenie udało się. Przy każdej błyskawicy mięśnie żab doznały natychmiast silnych, wielokrotnych skurczów. Dalsze doświadczenia Galvaniego z żabimi udkami doprowadziły go do przekonania, że udka muszą znajdować się pomiędzy dwoma różnymi, połączonymi ze sobą metalami. W ten sposób Galvani odkrył pierwowzór ogniwa galwanicznego i zaobserwował po raz pierwszy przepływ prądu elektrycznego ze źródła prądu, jakim jest ogniwo.  

Galvani dokonał wielkiego odkrycia Galvani dokonał wielkiego odkrycia. Nie mógł go jednak wyjaśnić ani spowodować rozwoju jego technicznych zastosowań. Dokonał tego jego rodak Aleksander Volta, którego ciekawość pobudziły eksperymenty Galvaniego i który w konsekwencji zbudował pierwsze ogniwo. Aleksander Volta – włoski fizyk, wynalazca, konstruktor, fizjolog (1745 – 1827)

Aleksander Volta Zainteresowany pracami Galvaniego, na temat elektryczności zwierzęcej, sam długo eksperymentował. Doszedł do wniosku, że mięśnie żaby w doświadczeniach Galvaniego odgrywają rolę uboczną. Wyprowadził wniosek, że dwa różne metale oraz ciało pośrednie w postaci cieczy dają możność wytworzenia prądu, inną metodą niż potarcie. Innymi słowy, Volta zbudował pierwsze źródło prądu, zwane ogniwem elektrycznym.

Oryginalne ogniwo Volty - to pionowa kolumna monet dwóch rodzajów, ułożonych na przemian i oddzielonych (co druga) papierem nawilżonym w słonej wodzie, aż do stu takich par. Na wystawie w Paryżu w 1800 roku Volta pokazał zarówno stos, jak i ciąg ogniw z dwoma płytkami zanurzonymi w kwasie 

Poszeregował także metale, uzależniając ich miejsce w szeregu od ilości wytwarzanej elektryczności. Na początku w szeregu Volty znalazł się cynk, w środku miedź, na końcu zaś srebro. Metale nazwał Volta przewodnikami pierwszej klasy, natomiast ciecze przewodnikami drugiej klasy (elektrolity). Niezmordowany badacz zbudował baterię elektryczną. Powstała ona na skutek złożenia szeregu płytek metalowych (miedź i cynk) na przemian z elektrolitem, zawartym w nasączonym wojłoku.

Zalety źródła prądu Volty nie były wykorzystywane natychmiast Zalety źródła prądu Volty nie były wykorzystywane natychmiast. Przez wiele lat eksperymenty z elektrycznością wykonywano nie tylko w celach poznawczych, często stawały się rozrywką, zabawiały wytworne towarzystwo salonowe.

Nasze ogniwo

Wynalezienie piorunochronu Za wynalazcę piorunochronu uważa się Benjamina Franklina Benjamin Franklin był jednym z najwybitniejszych uczonych XVIII wieku. Zajmował się głównie fizyką i filozofią. W dziedzinie fizyki prowadził m.in. badania nad elektrycznością, jako pierwszy wprowadził pojęcie elektryczności dodatniej i ujemnej. Odkrył i sformułował zasadę przyciągania się i oddalania ciał w zależności od znaku ładunku elektrycznego.

Wynalezienie piorunochronu Franklin przeprowadził szereg doświadczeń z latawcami, udowadniając, że ładunki elektryczne spływające z chmur burzowych po wilgotnym sznurze mogą naładować butelkę lejdejską. To on wymyślił zabezpieczenie przed wyładowaniami elektrycznymi poprzez uziemienie. Uważany jest więc za wynalazcę piorunochronu, choć w podobnym czasie tego samego odkrycia dokonał w Europie czeski uczony Václav Prokop Diviš.

Prąd elektryczny Prąd elektryczny to uporządkowany ruch ładunków elektrycznych. Cząstki naładowane, które wewnątrz przewodników mogą się swobodnie poruszać, nazywamy nośnikami ładunku elektrycznego. -w metalach i graficie są to elektrony swobodne -w elektrolitach są jony dodatnie i ujemne -w zjonizowanych gazach są to jony dodatnie i ujemne oraz elektrony swobodne

Przewodniki elektryczne Przewodniki elektryczne to substancje, które dobrze przewodzą prąd elektryczny, a samo przewodzenie ma charakter elektronowy. Przewodniki znajdują szerokie zastosowanie do wykonywania elementów urządzeń elektrycznych. Do najpopularniejszych przewodników należą m.in.: grafit, żelazo, aluminium, - stal.

DIELEKTRYKI Dielektryki, inaczej izolatory elektryczne to materiały, w których bardzo słabo przewodzony jest prąd elektryczny. Może to być rezultatem niskiej koncentracji ładunków swobodnych, niskiej ich ruchliwości, lub obu tych czynników równocześnie. Do dielektryków zaliczamy: -kreda, -guma, -porcelana, -drewno, -lateks,

Półprzewodniki Półprzewodniki to najczęściej substancje krystaliczne, których konduktywność (przewodnictwo właściwe) może być zmieniana w szerokim zakresie (np. 10-8 do 103 S/cm) poprzez domieszkowanie, ogrzewanie, oświetlenie bądź inne czynniki. Przewodnictwo typowego półprzewodnika plasuje się między przewodnictwem metali i dielektryków. Półprzewodnikami są m.in.: -krzem, -german, -azotek galu, -arsenek galu

Bibliografia dydaktyka.fizyka.umk.pl www.ap.krakow.pl/fizyka elektrostatykaiprad.republika.pl edukacja.gazeta.pl www.wikipedia.pl http://dydaktyka.fizyka.umk.pl/Volta/historiazab.htm Hans Backe „Z fizyką za pan brat”