Dane INFORMACYJNE (do uzupełnienia) Nazwa szkoły: Gimnazjum Publiczne im. Ireny Sendler w Lamkach ID grupy: 98/45_mf_g2 Kompetencja: Matematyczno-fizyczna Temat projektowy: Przez co płynie prąd elektryczny ? Semestr/rok szkolny: Semestr II/2011/2012

Podczas realizacji tematu projektowego Odkrywaliśmy tajemnice związane z energią elektryczną Dowiadywaliśmy się przez co płynie prąd elektryczny i gdzie w życiu codziennym znajduje on swoje zastosowanie Staraliśmy się odpowiadać na różne zagadnienia dotyczące energii elektrycznej Wykonywaliśmy doświadczenia mające na celu potwierdzenie teorii

Zacznijmy od początku…czyli co to jest Energia elektryczna Pojęcie energii występuje powszechnie w niemal wszystkich gałęziach wiedzy - nie tylko w fizyce i astronomii, ale i chemii, biologii, medycynie, geologii i nauce o ochronie środowiska. Energia jest wszechobecna. Człowiek wykorzystuje ją i przetwarza codziennie na tysiące rozmaitych sposób, często nawet nie zdając sobie z tego sprawy. Samo pojęcie energii jest jednocześnie często mylone i fałszywie utożsamiane z wielkościami takimi jak siła czy praca.

Naukowa definicja energii Termin energia oznacza mniej więcej tyle co "działanie" i pochodzi ze starożytnej greki. Obecnie obserwuje się powrót użycia tego słowa do jego znaczenia pierwotnego. Energia czy bycie energicznym opisuje się przykładowo ludzi, przedmioty i zjawiska aktywne, wywierające istotny wpływ na otoczenie. Nas interesuje jednak bardziej podejście fizyczne do zagadnienia. Mówiąc najprościej i najogólniej, energia jest w fizyce zdolnością obiektu bądź systemu fizycznego do wykonania pewnej pracy. W przeciwieństwie do pracy jest ona wielkością skalarną, co oznacza, że do jej pełnego opisu należy podać jedynie jedną liczbę.

Energia prądu elektrycznego Energia elektryczna prądu elektrycznego to energia, jaką prąd przekazuje odbiornikowi wykonującemu pracę lub zmieniającemu ją na inną formę energii. Energię elektryczną przepływającą lub pobieraną przez urządzenie określa iloczyn natężenia prądu płynącego przez odbiornik, napięcia na odbiorniku i czasu przepływu prądu przez odbiornik. E= UIt U- napięcie I- natężenie t- czas przepływu prądu

Źródła energii elektrycznej Wyróżnia się następujące źródła energii: Odnawialne - takie jak: spadająca z wysokości woda, podmuchy wiatru, energia słoneczna, woda morska, biomasy czy też energia z wnętrza Ziemi (geotermiczna). Nieodnawialne - pewne rodzaje kalorycznych surowców: węgiel kamienny czy brunatny, gaz ziemny, ropa naftowa, torf, pierwiastki (tor, uran, rad) czy też łupki.

elektrownie

WIATROWE

WODNE

CIEPLNE

SŁONECZNE

ATOMOWE

Wykorzystywanie Energii elektrycznej w życiu człowieka Plakat wykonany przez uczestniczki projektu

Prąd elektryczny Najprościej mówiąc prąd elektryczny to uporządkowany ruch ładunków elektrycznych. Umownym kierunkiem prądu jest kierunek wyznaczony przez ruch ładunków dodatnich (czyli kierunek zgodny z kierunkiem pola elektrycznego). W obwodzie z prądem jest to kierunek (właściwie zwrot) od plusa do minusa.

t- czas Przydatne wzory q- ładunek elektryczny Wielkość fizyczna Symbol Wzór Jednostka Praca W W=UIt 1J Moc P P=UI 1W Natężenie I I=q/t 1A Napięcie U U=W/q 1V Opór R R=U/I 1Ω t- czas q- ładunek elektryczny

OBWÓD ELEKTRYCZNY

Plakat wykonany przez uczestniczki projektu Prawo ohma Plakat wykonany przez uczestniczki projektu

Przez co płynie prąd elektryczny Ze względu na różnice wartości przewodności elektrycznej wszystkie ciała można umownie podzielić na: przewodniki półprzewodniki izolatory

PRZEWODNIKI

DEFINICJA Przewodnik - substancja, która dobrze przewodzi 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.

CIAłA STAłE

Zastosowanie I Przykłady Przewodniki znajdują szerokie zastosowanie do wykonywania elementów urządzeń elektrycznych. grafit- miękki, średnio dobry jako przewodnik, stosowany wszędzie tam, gdzie trzeba doprowadzić napięcie do części wirujących (szczotki) miedź- bardzo dobra jako przewodnik, stosowana w instalacjach elektrycznych oraz w urządzeniach elektrycznych i stykach stal- stosowana w elementach przewodzących aparatów elektrycznych,

aluminium- dobre jako przewodnik, powszechnie stosowane na przewody w napowietrznych liniach elektroenergetycznych złoto- dobre własności elektryczne, cena warunkuje stosowanie jedynie do układów mikroprocesorowych oraz na powierzchni styków srebro- najmniejszy opór elektryczny, stosowane powszechnie w stykach elektrycznych w łącznikach

doświadczenia

Przewodnictwo elektryczne ciał stałych Układ eksperymentalny: klamerka (ze sprężyną), baterie 1,5 V, linijka, przewody elektryczne, żaróweczka do latarki, taśma klejąca, nożyczki, gumka, papier, monety, drewno, ołówek, szkło, węgiel Kolejne działania: Jeden z końców każdego przewodu elektrycznego łączymy z biegunami baterii Wolny koniec jednego z przewodów zawijamy wokół gwintu żaróweczki i ściskamy klamerką Gumkę kładziemy na wolnym końcu drugiego przewodu i przykładamy do niej metalowy spód żaróweczki Czynność tę powtarzamy zastępując pozostałymi materiałami

Wyznaczanie przewodności właściwej ciał stałych Układ eksperymentalny: kilka przewodów o długości (l) 50 cm wykonanej z różnych materiałów, linijka, woltomierz, amperomierz, opornik suwakowy, źródło prądu stałego, przełącznik, suwmiarka, zaciski Kolejne działania: Końce przewodu umieszczamy w zaciskach Równolegle łączymy z woltomierzem, a szeregowo z amperomierzem, opornikiem suwakowym, źródłem prądu stałego, przełącznikiem Mierzymy średnicę d, ze wzoru S=πd2/4 wyliczymy przekrój przewodnika Opornikiem suwakowym ustalamy natężenie prądu, na woltomierzu odczytujemy napięcie, obliczamy opór elektryczny przewodnika (R) Czynności powtarzamy dla kilku różnych natężeń prądu z pozostałymi przewodami Wyniki zapisujemy w tabeli c.d.

Na podstawie uzyskanych wyników wyliczamy opory właściwe (ρ) przewodników ze wzoru: ρ=RS/l Przewodność właściwą obliczamy ze wzoru: γ=1/ ρ

CIECZE Prąd elektryczny przewodzą jedynie te ciecze, które posiadają ładunki elektryczne. Ciecze te noszą wspólną nazwę elektrolity. Przykład: woda destylowana nie przewodzi prądu z powodu braku ładunków elektrycznych ,ale wystarczy wsypać do tej wody kilka kryształków soli i ciecz ta zaczyna przewodzić prąd elektryczny, gdyż sól wsypana do wody tworzy tzw. jony, które są ładunkami elektrycznymi.

Zastosowanie I Przykłady Elektrolity wykorzystuje się przede wszystkim do oczyszczania metali. Metoda wytwarzania powłok na powierzchniach przedmiotów w celu zabezpieczenia ich przed korozją , zwiększenia ich odporności na ścieranie lub w celach dekoracyjnych nazywa się galwanizacją. Przykładami elektrolitów są np. wodne roztwory soli, kwasów i zasad, oraz stopy tych związków. Elektrolity te dzieli się , w zależności od ich stopnia dysocjacji: elektrolity mocne- całkowicie zdysocjowane na jony, wodorotlenki litowców i berylowców, kwasy, np. HCl, HBr, H2SO4, HNO3 oraz większość nieorganicznych soli rozpuszczalnych w wodzie elektrolity słabe-tylko częściowo zdysocjowane na jony – np. H2S, H2SO3, HNO2, CH3COOH. woda – chociaż formalnie nie spełnia podanej definicji przewodnika, to jednak, w zależności od zawartości elektrolitów, która jest najmniejsza w wodzie dejonizowanej, większa w pitnej a jeszcze większa w wodzie morskiej) oraz przyłożonego napięcia, może zachowywać się jak izolator, bądź też słaby, a nawet dobry przewodnik. W związku z tym należy unikać kontaktu urządzeń pod napięciem z wodą, gdyż grozi to porażeniem.

doświadczenie

Przewodnictwo elektryczne cieczy Układ eksperymentalny: źródło prądu stałego, naczynie szklane, blaszki miedziane (elektrody), woda destylowana, woda z kranu, kwas siarkowy, wodorotlenek sodu (NaOH), sól kuchenna, denaturat, amperomierz, żaróweczka (2 V), opornik suwakowy, przełącznik Kolejne działania: Budujemy obwód prądu złożony ze źródła prądu stałego, amperomierza, opornika oraz przełącznika Do naczynia nalewamy wodę destylowaną i wkładamy elektrody, zamykamy obwód i odczytujemy wskazywaną przez amperomierz wartość Powtarzamy doświadczenie z pozostałymi substancjami i ponownie odczytujemy wartość na amperomierzu

Czy przewodzi prąd elektryczny? Wartość natężenia (μA) Wynik doświadczenia: Badana substancja Czy przewodzi prąd elektryczny? Wartość natężenia (μA) Woda destylowana Nie 0,01 Woda z kranu Tak 16 Roztwór kwasu solnego 54 wodorotlenek sodu 46 Roztwór kwasu siarkowego denaturat 0,06

GAZY W gazach rzecz, ma się podobnie jak w cieczach. Gaz niezjonizowany (brak ładunków) nie przewodzi prądu, ale zacznie go przewodzić jeżeli gaz zostanie zjonizowany np. przez odpowiednio wysokie napięcie elektryczne. Powstaną wówczas w gazie jony, które są ładunkami i gaz przewodzi prąd.

PÓłPRZEWODNIKI

Półprzewodnik jest to materiał wykazujący w określonych warunkach własności izolatora (ciała nie przewodzącego elektryczności) a w innych - właściwości przewodnika prądu. Pod względem chemicznym półprzewodniki w zasadzie nie posiadają wolnych elektronów ostatniej powłoki i dlatego są izolatorami), ale w warunkach odmiennych, przy dostarczeniu ich atomom dużej energii przez podgrzanie lub oświetlenie, pojawiają się wolne elektrony, opór ciała spada i w rezultacie prąd elektryczny może płynąć. Istota przewodnictwa elektrycznego w półprzewodnikach polega na przemieszczaniu się elektronów swobodnych pod wpływem pola elektrycznego.

ZASTOSOWANIA Diody Lasery półprzewodnikowe

Tranzystory Mikrosystemy

przykłady Półprzewodniki głównie substancje krystaliczne lub wytwarzane w postaci monokryształu, polikryształu, bądź proszku i pełniące rolę przewodników elektronowych. Najpopularniejsze półprzewodniki są produkowane z krzemu, germanu, podtlenku miedzi, arsenku galu, azotku galu, antymonku indu oraz tlenku kadmu. Wszystkie te substancje przewodzą elektryczność słabiej od metalu, stąd ich "połowiczna" nazwa - półprzewodników.

izolatory

Izolator tzw. dielektryk to materiał, w którym bardzo słabo przewodzony jest prąd elektryczny lub nie jest przewodzony w ogóle. 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.

zastosowanie Stosowane w liniach elektroenergetycznych średniego napięcia i wysokiego napięcia oraz w rozdzielniach napowietrznych jako wsporniki szyn i części odłączników oraz bezpieczników. Służą do mocowania szyn, styków w odłącznikach oraz bezpieczników oraz do przeprowadzenia szyny pod napięciem (wysokim, średnim czy niskim) przez ścianę uziemioną.

przykłady szkło porcelana specjalna guma pewne rodzaje plastików

suche drewno próżnia Ciekawostką jest, że czysta chemicznie woda też jest dobrym izolatorem.

ZADANIA RACHUNKOWE 1.Żelazko zostało włączone do napięcia 230V. Oblicz, ile energii zużyło żelazko, jeśli przepłynął przez nie ładunek q=200C. DANE: U=230V, q=200C E=W SZUKANE: E=? ROZWIĄZANIE: W=Uq W=230*200 W=46000J

2. Kondensator został naładowany ładunkiem q=2μC 2. Kondensator został naładowany ładunkiem q=2μC. Średnie natężenie prądu rozładowania tego kondensatora wynosiło I=0,4μA. Jak długo trwało rozładowanie kondensatora? DANE: q=2μC= 2*10-6C, I=0,4μA=0,4*10-6A SZUKANE: t=? ROZWIĄZANIE: I=q/t t=q/I t= 2*10-6C/0,4*10-6A t=5s

3. Akumulator samochodowy ma napięcie pracy 12V i pojemność 60Ah 3. Akumulator samochodowy ma napięcie pracy 12V i pojemność 60Ah. Jaką energię przekaże do obwodu ten akumulator w czasie swojej pracy? DANE: U=12V, I=60Ah, SZUKANE: E=? ROZWIĄZANIE: W=E q=Ut W=Uit=Uq q=60Ah=60A*3600s=216000C W=12*216000=2592000J

4. Promiennik podczerwieni ma napięcie 230V i moc 250W 4.Promiennik podczerwieni ma napięcie 230V i moc 250W. Ile energii przeniesie prąd elektryczny do tego promiennika w ciągu 1h pracy? DANE: U=230V, P=250W, t=1h=3600s SZUKANE: E=? ROZWIĄZANIE: W=E W=Pt W=250*3600 W=900000J=0,9MJ

www.bryk.pl www.sciaga.pl www.wikipedia.pl www.zadane.pl bibliografia www.bryk.pl www.sciaga.pl www.wikipedia.pl www.zadane.pl