Projekt: AS KOMPETENCJI NAZWA SZKOŁY: Zespół Szkół Ponadgimnazjalnych nr 1 w Krotoszynie ID grupy: 97_66_mf_gl Kompetencja: Matematyczno-fizyczna Temat projektowy: Gdy płynie prąd. Semestr/rok szkolny: 2011/2012

Prąd elektryczny, elektryczność Przecież na co dzień mamy do czynienia z prądem, a elektryczność wprost nas otacza. Nie tylko jest wytwarzana w elektrowniach, lecz występuje także w przyrodzie (np. błyskawice). Jednak czy kiedykolwiek zastanawialiśmy się, czym jest i skąd się bierze „rzecz”, bez której nie wyobrażamy sobie normalnego funkcjonowania?

I co to jest prąd? Przepływ ładunku elektrycznego zaobserwował po raz pierwszy około 1663 roku niemiecki uczony Otto von Guericke. Zauważył on, że ciało obojętne połączone struną metalową z ciałem naładowanym zyskuje ładunek elektryczny. Tak więc prąd elektryczny to uporządkowany ruch ładunków elektrycznych

OTRZYMYWANIE PRĄDU Elektryczność pojawia się wtedy, gdy do przewodnika jest stale dostarczana energia, co zapobiega hamowaniu ruchu ładunków wywołanemu oporem elektrycznym przewodnika. Urządzenie wytwarzające elektryczność nazywamy generatorem. Maszynami takimi są silniki, prądnice i baterie.

Są to urządzenia służące do przekształcania energii mechanicznej w elektryczną Silnik elektryczny Prądnica Bateria

ELEMENTY PRĄDU ELEKTRYCZNEGO NATEŻENIE OPÓR ELEKTRYCZNY NAPIĘCIE

NATĘŻENIE PRĄDU Natężenie prądu to nic innego, jak stosunek ładunku q przepływającego przez przekrój przewodnika do czasu t, w którym ładunek przepływa.

AMPER Jednostką natężenia prądu jest amper [A]. Jest to natężenie prądu polegającego na przepływie ładunku jednego kulomba w czasie jednej sekundy.

AMPEROMIERZ Do pomiaru natężenia służy AMPEROMIERZ. Działanie amperomierza opiera się na pomiarach efektów elektromagnetycznych, cieplnych itp., wywołanych przepływającym prądem.

NAPIĘCIE Napięcie elektryczne jest to stosunek pracy wykonanej podczas przenoszenia ładunku elektrycznego między punktami, dla których określa się napięcie, do wartości tego ładunku. Symbolem napięcia jest [U]

WOLT, WOLTOMIERZ Jednostką napięcia jest WOLT [V]. Między dwoma punktami pola występuje różnica potencjałów (napięcie elektryczne) 1 V. Do badania napięcia służy WOLTOMIERZ. Włączony równolegle do obwodu elektrycznego. Zbudowany jest z odpowiednio wyskalowanego mikroamperomierza i dużego opornika elektrycznego. Pomiar odbywa się poprzez wyznaczenie natężenia prądu płynącego przez woltomierz, który charakteryzuje się znaczną opornością wewnętrzną. W zależności od zastosowania rozróżnia się woltomierze prądu zmiennego i woltomierze prądu stałego.

PRAWO OHMA Prawo Ohma opisuje sytuację, najprostszego przypadku związku między napięciem przyłożonym do przewodnika (opornika), a natężeniem prądu przez ten przewodnik płynącego

Prawo Ohma brzmi następująco: Stosunek natężenia prądu płynącego przez przewodnik do napięcia pomiędzy jego końcami jest stały.

OPORNIKI W elektromechanice do montowania obwodów elektrycznych stosuje się druty( najczęściej miedziane lub aluminiowe), których opór jest niewielki. Elementami mającymi realny opór bywają najczęściej fabrycznie wykonane kawałki przewodnika- oporniki. Przy przepływie prądu zamienia energię elektryczną w ciepło. W obwodzie służy do ograniczenia prądu w nim płynącego

OBWODY PRĄDU STAŁEGO Wiele obwodów to kombinacje oporów połączonych szeregowo oraz/lub równolegle. Zasady takiego łączenia poznaliśmy w gimnazjum. Tutaj w skrócie je przypomnimy. POŁĄCZENIE SZEREGOWE:

Całkowita różnica oporów wynosi: U= U1+U2+U3 Na rysunku przedstawiono trzy oporniki połączone szeregowo. W obwodzie takim przez wszystkie oporniki musi płynąć prąd o takim samym natężeniu I Całkowita różnica oporów wynosi: U= U1+U2+U3 R=R1+R2+…+Rn

Widzimy, że opór całkowity trzech oporników połączonych szeregowo jest równy sumie opór poszczególnych oporników. Ten sumaryczny opór nazywamy OPOREM ZASTĘPCZYM, gdyż podłączenie opornika o takim oporze zamiast tych trzech nie zmienia ani natężenia prądu, ani napięcia. R=R1+R2+…+Rn OPÓR ZASTĘPCZY POŁĄCZONYCH SZEREGOWO OPORNIKÓW JEST RÓWNY SUMUIE POSZCEFGÓLNYCH OPORÓW.

I PRAWO KIRCHHOFFA Jest to prawo dotyczące przepływu prądu w rozgałęzieniach obwodu elektrycznego. Sprawdza się do stwierdzenia, że suma nagromadzonych prądów wpływających do danego węzła( a więc do dowolnego fragmentu obwodu połączonego z resztą obwodu pewną liczbą przewodników) jest równa sumie natężeń prądów wypływających z tego węzła.

II PRAWO KIRCHHOFFA Zwane również prawem napięciowym Dotyczy bilansu napięć w zamkniętym obwodzie elektrycznym prądu stałego II prawo brzmi: suma spadków potencjałów zliczana wzdłuż dowolnej zamkniętej pętli obwodu, równa jest zero.

Oblicz natężenie prądów jakie przepływają przez opory: R1=10Ω i R2=5Ω Oblicz natężenie prądów jakie przepływają przez opory: R1=10Ω i R2=5Ω. W obwodzie pokazanym na rysunku: I1 Io=10A R1=10Ω R2=5Ω I2

Dane:. Szukane: R1=10Ω I1=. R2=5Ω I2= Dane: Szukane: R1=10Ω I1=? R2=5Ω I2=? Io= 10A Z I prawa Kirchhoff’a: I1+ I2= Io Io= 3,33A Z II prawa Kirchhoff’a: I1R1- I2R2 =0 I2 = Io-I1 pisemnie mnożymy przez R2 I2 = 10-3,33=6,67A I1R2+ I2R2 = IoR2 I1R1- I2R2 =0 Odp. Natężenie prądu dodajemy stronami: wynosi 6,67 A I1R2+ I2R2 + I1R1- I2R2 = IoR2 I1(R1+R2)= IoR2 /: (R1+R2)

CIEPŁO JOULE’A- LENZA Pozwala określić ilość ciepła, które wydziela się podczas przepływu prądu elektrycznego przez przewodnik elektryczny. Brzmi następująco: Ilość ciepła wydzielanego w czasie przepływu prądu elektrycznego przez przewodnik elektryczny jest wprost proporcjonalna do iloczynu oporu elektrycznego przewodnika, kwadratu natężenia prądu i czasu jego przepływu.

Zależność tę można wyrazić wzorem: Q=RI2t gdzie Q – ilość wydzielonego ciepła; I – natężenie prądu elektrycznego; R – opór elektryczny przewodnika; t – czas przepływu prądu.

PRZEWODNIKI To substancje, które dobrze przewodzą prąd elektryczny, a przewodzenie prądu ma charakter elektronowy. Atomy przewodnika tworzą wiązania, w których elektrony walencyjne (jeden, lub więcej) pozostają swobodne (nie związane z żadnym z atomów), tworząc w ten sposób tzw. gaz elektronowy.

H2O GRAFIT ŻELAZO STAL PRZEWODNIKI MIEDŹ SREBRO ZŁOTO ALUMINUM

IZOLATOR ELEKTRYCZNY Jest to materiał, który nie przewodzi prądu elektrycznego. Ogólnie izolatory elektryczne to substancje lub wyroby z nich wykonane w których nie występują elektrony swobodne albo inne cząstki naładowane lub zdysocjowane, które mogłyby się swobodnie poruszać w ich wnętrzu lub po ich powierzchni. Najistotniejszymi parametrami charakteryzującymi izolatory elektryczne są: napięcie przebicia - zwane czasem wytrzymałością elektryczną, prąd upływu współczynnik strat dielektrycznych

GUMA SZKŁO PLASTIK SUCHE DREWNO IZOLATOR OLEJ TRANS. PORCELANA POWIETRZE

PÓŁPRZEWODNIKI Substancje zachowujące się w pewnych warunkach jak dielektryk, a w innych jak przewodnik Arsenek galu Antymonek glinu KRZEM German

MODEL GAZU ELEKTRONOWEGO W metalicznym przewodniku większość elektronów jest związana ze swoimi atomami sieci krystalicznej. Istnieją także swobodne elektrony, które mogą swobodnie przemieszczać się po całym obszarze przewodnika. Elektrony te poruszają się podobnie jak cząsteczki w zwykłym gazie. Zbiór swobodnych elektronów w metalu traktujemy jako gaz doskonały.

W modelu tym poruszające się elektrony (niebieskie) zderzają się z jonami sieci krystalicznej (czerwone).

ELEKTRYCZNOŚĆ W NASZYM DOMU Warto zastanowić się na tym jaką drogę przebywa prąd zanim znajdzie się w gniazdku elektrycznym naszego domu. I tak wiadomo, że do domowych instalacji elektrycznych prąd przesyłany jest z elektrowni. Po drodze przepływa przez kila charakterystycznych odcinków, które rozmieszczone są na przestrzeni : linia energetyczna - odbiornik.

Najpierw od sieci elektrycznej prąd płynie przez tzw. przyłącze Najpierw od sieci elektrycznej prąd płynie przez tzw. przyłącze. Może być ono prowadzone drogą powietrzną albo drogą podziemną. Przyłącze kontaktuje się ze złączem, w którym znajdują się główne bezpieczniki. Następnie zaraz za tym elementem znajduje się licznik energii elektrycznej, dzięki któremu znana jest ilość zużytej energii. Do wszystkich tych wymienionych urządzeń zwykły użytkownik energii elektrycznej nie ma dostępu, posiadają one specjalne plomby.

LICZNIK ENERGII ELEKTYCZNEJ Znany każdemu licznik energii elektrycznej jest maszyną indukcyjną. Liczniki dzielą się na jednofazowe i trójfazowe, zależnie od instalacji, oraz jednotaryfowe i dwutaryfowe, na tzw. prąd nocny. Co prawda wersje elektromechaniczne są powoli zastępowane modelami elektronicznymi, lecz liczniki indukcyjne pozostaną z nami jeszcze długo. Ich wskazania są podstawą do obliczania należności za energię elektryczną.

BUDOWA LICZNIKA

ZASADA DZIAŁANIA To, na co zwraca się w pierwszym rzędzie uwagę przy oglądaniu pracującego licznika, to kręcąca się tarcza aluminiowa stanowiąca wirnik, umieszczona w szczelinie między rdzeniem napięciowym i rdzeniem prądowym .Rdzenie wykonane są z blach transformatorowych. Kształty rdzeni są u poszczególnych producentów różne. Istnieje jednak ogólna zasada, że cewka napięciowa wykonana z cienkich przewodów o dużej liczbie zwojów, wytwarza strumień magnetyczny (zwany napięciowym) przenikający tarczę równolegle do osi tarczy, cewka prądowa wykonana z grubych przewodów o małej liczbie zwojów, wytwarza strumień magnetyczny (zwany prądowym) przenikający tarczę dwukrotnie w przeciwnych kierunkach, także równolegle do osi, ale w innych miejscach niż strumień napięciowy. Oba rdzenie - prądowy i napięciowy – umieszczone są blisko brzegu tarczy aluminiowej. Tarcza jest osadzona na ułożyskowanej osi połączonej przekładnią ślimakową oraz zębatą z liczydłem o co najmniej sześciu bębnach cyfrowych. Strumienie magnetyczne przenikając przez tarczę, indukują w niej siły elektromotoryczne, które z kolei powodują powstanie w tarczy prądów wirowych. Współdziałanie indukowanych prądów wirowych ze strumieniami magnetycznymi przesuniętymi względem siebie w przestrzeni powoduje powstanie momentu napędowego wprawiającego tarczę w ruch. W konstrukcji licznika nie stosuje się sprężyn, dzięki czemu kąt obrotu wskaźnika (czyli - w tym wypadku- tarczy) nie jest ograniczony jak w miernikach elektrycznych. Dlatego też tarcza wskutek działania momentu napędowego obraca się w sposób ciągły. Moment pędowy równoważony jest momentem hamującym.

Moment hamujący uzyskiwany jest za pomocą magnesu trwałego Magnes trwały powoduje powstanie w obracającej się tarczy prądów wirowych, które współdziałając ze strumieniem magnetycznym ,działają hamująco. Hamowanie jest proporcjonalne do prędkości obrotowej tarczy. Przy stałym poborze prądu momenty - napędowy i hamujący, równoważą się, co sprawia, że tarcza obraca się ruchem jednostajnym. Obroty tarczy przekazywane są na liczydło za pośrednictwem ślimaka umieszczonego na osio raz kół zębatych . Przekładnia kół jest dobrana w taki sposób, że licznik wskazuje energię bezpośrednio w kWh. Moment tarcia w łożyskach i liczydle działa hamują co na obroty i powinien być jak najmniejszy Napięcie w sieci jest na ogół stabilne, lecz przywrócenie napięcia sieci moment napędowy może przyjąć tak dużą wartość, że uruchomi tarczę licznika, mimo, że przez cewkę prądową nie płynie prąd (czyli pobiera energii). To zjawisko nazywane biegiem jałowym licznika jest zjawiskiem niepożądanym i za pobieganiu tzw. chorągiewka hamująca . To wygięty kawałek drutu stalowego umocowany prostopadle do osi tarczy. Kiedy ta obraca się, wolny koniec drutu przesuwa się obok stalowej blaszki (języczka) przymocowanej do rdzenia i namagnesowanej przez strumień rozproszenia obwodu napięciowego. Blaszka przyciąga drut stalowy i hamuje tarczę. Moment hamujący zależy od napięcia tak samo jak moment dodatkowy. Zapewnia to skuteczne działanie chorągiewki hamującej. Przy obciążeniu licznika hamowanie chorągiewki nie zmienia średniej prędkości tarczy, gdyż przy zbliżaniu się chorągiewki do języczka następuje przyspieszenie ruchu obrotowego, a przy oddalaniu opóźnienie. Chorągiewka powinna być tak umocowana, aby przy zatrzymanej tarczy czerwony znak na tarczy był widoczny w okienku licznika.

ŹRÓDŁA PRĄDU: By możliwy był ciągły przepływ prądu w obwodzie muszą znajdować się elementy, które będą zwiększać potencjalną energię elektryczną nośników ładunku kosztem innych typów energii (chemicznej, mechanicznej, cieplnej, świetlnej) Takie elementy będziemy nazywać źródłami prądu

ŹRÓDŁA PRĄDU termopar akumulator ogniwa bateria źródła naturalne

ODNAWIALNE ŹRÓDŁA ENERGI: ENERGIA WODNA ENERGIA GEOTERMALNA ENERIGIA SŁONECZNA ENERGIA BIOMASY ENERGIA WIATRU

ZJAWISKA KTÓRYM TOWARZYSZY PRZEPŁYW PRĄDU: WIATR SŁONECZNY CZYNNOŚCI KOMÓREK NERWOWYCH WYŁADOWANIA ELEKTRYCZNE

ŻARÓWKA Czyli elektryczne źródło światła, w którym ciałem świecącym jest włókno wykonane z trudno topliwego materiału (pierwotnie grafit, obecnie wolfram). Drut wolframowy jest umieszczony w bańce szklanej wypełnionej mieszaniną gazów szlachetnych (np. argon z 10-procentową domieszką azotu). Włókno osiąga temperaturę ok. 2500–3000 K na skutek przepływu prądu elektrycznego. Wynalazek powstał w połowie XIX w. Pierwsze możliwe do wykorzystania praktycznego żarówki skonstruowali J.W. Swan (1878) i niezależnie od niego Th.A. Edison (1879)

ŻARÓWKA – BUDOWA a) Bańka – wykonana ze szkła sodowego(tzw. szkła miękkiego), próżniowa lub gazowa b) Żarnik – drut wolframowy w postaci jedno lub dwu-skrętki c) Elektroda d) Główka e) Krążek f) Słupek g) Nóżka h) Trzonek gwintowany i) szyjka j) guzik

DIODA PÓŁPRZEWODNIKOWA Jest elementem elektronicznym, wyposażonym w dwie elektrody, który posiada nieliniową charakterystykę prądu wyściowego w funkcji napięcia wejściowego. Symbol elektryczny diody półprzewodnikowej oraz jej charakterystykę wyjściową przedstawia poniższy rysunek.

DIODA Diody można stosować jako przyrząd przepuszczającym swobodnie prąd przy napięciu dodatnim oraz stanowiącym zaporę dla prądy płynącego w przeciwnym kierunku. Inaczej rzecz ujmując, dioda prostuje napięcie zmienne, przepuszczając jedynie dodatnie połówki sinusoidy. Diody półprzewodnikowe są oparte na właściwościach złącza p - n, które powstało poprzez złączenie ze sobą półprzewodników typu p oraz typu n. Wyróżniamy wiele rodzajów diod półprzewodnikowych, między innymi zwykłe diody prostownicze, diody tunelowe, diody Zenera, fotodiody, diody pojemnościowe oraz diody luminescencyjne. BUDOWA DIODY

LAMPA GAZOWA Lampa gazowa jest jednym ze źródeł oświetlenia sztucznego. Emituje światło w związku tym, że spala się w niej gaz. W płomieniu znajdują się żarzące się cząsteczki węgla- tak powstaje świecenie. Historia lamp gazowych sięga XIX wieku. Były one stosowane w Europie i Ameryce Południowej. Służyły głównie jako sposób oświetlania miejsc publicznych. Powód dla którego nie przyjęły się one jako źródła oświetlenia w domach prywatnych, jest bardzo prosty: wymagają one doprowadzania do nich gazu. Do oświetlenia mieszkania, jako pierwszy, lampę gazową zastosował Szkot William Murdoch. Miało to miejsce pod koniec osiemnastego wieku, a mianowicie w roku 1792. lampa miała formę metalowej rurki, u wylotu której odbywało się spalanie gazu. Jeśli chodzi o wykorzystanie lamp gazowych do oświetlania ulic, po raz pierwszy odbyło się to w Londynie. Jeśli chodzi o wykorzystanie ich w Polsce, po raz pierwszy użyto ich Krakowie, w roku 1830. Użycie to miało jednak charakter wyłącznie pokazowy. Pierwsze użycie na stałe miało miejsce we Wrocławiu, w restauracji „Złota Gęś”.

DZIĘKUJEMY ZA UWAGĘ! ZSP1 