Dane INFORMACYJNE Nazwy szkół: Zespół Szkół w Cielczy- Gimnazjum, Gimnazjum w Barwicach ID grupy: 98/53_MF_G1, 98/56_MF_G1 Opiekunowie: Dorota Dziecichowicz, Błażej Żelazko Kompetencja: Matematyczno - fizyczna Temat projektowy: Skąd się bierze prąd elektryczny ? Semestr/rok szkolny: V ; 2011/2012

wstęp W niniejszej prezentacji pragniemy przedstawić podstawowe wiadomości związane z wytwarzaniem prądu, głównie indukcyjnego. Podczas realizacji tego tematu poszerzaliśmy naszą wiedzę o prądzie, kształciliśmy pewne umiejętności oraz postawy.

wstęp Rozwój naszej wiedzy odbywał się głównie poprzez : Odczytywanie i interpretowanie schematów, Rozwiązywanie zadań, w tym równań, Przypomnienie zasady zachowania energii, Pogłębienie wiadomości o sposobach wytwarzania prądu elektrycznego i o elektrowniach, Rozszerzenie wiadomości o nośnikach prądu i odbiornikach, Poznanie budowy i zasady działania prądnicy oraz silnika elektrycznego.  

wstęp Nabyliśmy i rozwinęliśmy umiejętności: Stosowania ze zrozumieniem pojęć fizycznych, Fachowego wysławiania się i wyrażania swoich opinii, Przetwarzania danych pomiarowych, Tworzenia wykresów oraz interpretowania wyników.

wstęp Nastąpił u nas znaczny wzrost takich postaw jak: Prowadzenia rzeczowej dyskusji, Współpracy w grupie, Weryfikacji zdobytej wiedzy i umiejętności, Szacunku do pracy innych, Kultury technicznej.

William Gilbert Urodzony 24 maja 1544 roku w Colchester, zmarł 10 grudnia 1603 roku w Londynie. Angielski fizyk i lekarz, odkrywca zjawiska magnetyzmu oraz indukcji magnetycznej. Pokazał, że ciała elektryzują się na wskutek tarcia.

Michael Faraday Urodzony 22 września 1791 roku w Surrey, zmarł 25 sierpnia 1867 roku tamże. Angielski fizyk i chemik. Odkrywca indukcji elektrodynamicznej oraz elektrodynamiki. Sformułował prawa elektrolizy i wprowadził nomenklaturę. Zbudował pierwszy model silnika elektrycznego. Jednostka pojemności elektrycznej została nazwana faradem(od jego nazwiska).

James clerk Maxwell Urodzony 13 czerwca 1831 roku w Edynburgu, zmarł 5 listopada 1879 roku w Cambridge. Szkocki fizyk i matematyk. Był autorem wybitnych prac z zakresu elektrodynamiki. Udowodnił, że elektryczność i magnetyzm są dwoma rodzajami tego samego zjawiska – elektromagnetyzmu.

nośniki prądu elektrycznego Jak wiemy nie wszystkie substancje przewodzą prąd elektryczny. Te z nich, którymi płynie nazywamy przewodnikami. Do przewodników zaliczymy metale, między innymi : miedź, aluminium, srebro itd.

przewodnictwo metali Dlaczego metale przewodzą prąd elektryczny? Przewodnictwo metali związane jest z ich budową wewnętrzną. Atomy metali tworzą sieć krystaliczną. Elektrony będące na zewnętrznych orbitach mogą swobodnie przemieszczać się pomiędzy nimi.

przewodnictwo metali Jeśli do końców przewodnika przyłożymy napięcie elektryczne, wtedy pod wpływem pola elektrycznego elektrony zaczną poruszać się w jedną stronę. Popłynie prąd elektryczny.

odbiorniki prądu elektrycznego Wszelkie urządzenia zasilane prądem elektrycznym nazywamy odbiornikami prądu. Do pracy większości urządzeń i maszyn potrzebna jest energia elektryczna, a więc są odbiorniki prądu. Zaliczamy do nich min. laptopa i żarówkę elektryczną, silnik elektryczny oraz termometr elektroniczny.

wytwarzanie prądu elektrycznego W obecnym świecie prąd elektryczny powstaje dzięki pracy urządzeń, które nazywamy prądnicami. Niewielka ilość prądu otrzymywana jest także z baterii słonecznych. O ile prądnice pracują dzień i noc, to do pracy baterii słonecznych potrzebne jest światło.

zasada działania prądnicy Do otrzymywania prądu z prądnicy wykorzystuje się zjawisko odkryte przez Faradaya w XIX w. Zaprojektował on układ zbudowany z metalowego pierścienia, na który nałożył dwa uzwojenia.

Doświadczenie Faradaya Pierwsze podłączył do źródła prądu z wyłącznikiem, natomiast drugie było obwodem zamkniętym w pobliżu którego umieścił igłę magnetyczną. W czasie włączania i wyłączania prądu w pierwszym obwodzie, igła magnetyczna umieszczona przy drugim zwoju wychylała się na chwilę raz w jedną, raz w drugą stronę.

prąd indukcyjny Wychylanie się igły to w jedną, to w drugą stronę, świadczyło o powstaniu prądów w drugim uzwojeniu. Wytłumaczenie tego zjawiska jest następujące. Włączanie i wyłączanie prądu sprawia, że w pierwszym obwodzie płynie prąd zmienny.

prąd indukcyjny Powoduje on powstanie zmiennego pola magnetycznego, które wzbudza prąd zmienny, w drugim obwodzie. Tak powstały prąd nazywamy indukcyjnym. W czasie ciągłego przepływu prądu w pierwszym obwodzie prąd indukcyjny nie powstał. Igła magnetyczna była nieruchoma.

Doświadczenie1- Faradaya W naszym doświadczeniu zamiast igły magnetycznej użyliśmy miliamperomierza, a rdzeń od transformatora zastąpił metalowy pierścień.

Doświadczenie 1- Faradaya

Doświadczenie 1- Faradaya

Obserwacje i wnioski Wskazówka amperomierza, podobnie jak w doświadczeniu Faradaya, wychylała się w obie strony. W drugim uzwojeniu płynął prąd. Wskazówka pozostała nieruchoma w czasie ciągłego przepływu prądu w pierwszym zwoju.

Prąd można też otrzymać zbliżając magnes do zwojnicy lub oddalając go. Prąd indukcyjny Prąd można też otrzymać zbliżając magnes do zwojnicy lub oddalając go.

Prąd indukcyjny – doświadczenie 2 W doświadczeniu wykorzystaliśmy: miliamperomierz, zwojnice, magnes sztabkowy. Przebieg doświadczenia – przewodami połączyliśmy zwojnicę z amperomierzem, następnie magnes sztabkowy zbliżaliśmy i oddalaliśmy od zwojnicy.

Prąd indukcyjny – doświadczenie 2

Prąd indukcyjny – doświadczenie 1

Prąd indukcyjny – doświadczenie 1

Obserwacje Wskazówka amperomierza wychylała się w prawo gdy zbliżaliśmy magnes, natomiast w lewo gdy go oddalaliśmy. Po zmianie bieguna, wskazówka wychylała się także, tylko teraz odwrotnie, przy zbliżaniu w lewo a podczas oddalania w prawo.

Obserwacje Kiedy magnes sztabkowy nie przesuwaliśmy względem zwojnicy, wskazówka miernika ani drgnęła.

Prąd w obwodzie płynął to w jedną to drugą stronę. wnioski Prąd w obwodzie płynął to w jedną to drugą stronę. Prąd indukcyjny powstawał tylko wtedy, gdy magnes przesuwał się względem zwojnicy. Natężenie prądu indukcyjnego zależne było od szybkości zmian pola magnetycznego.

Kierunek prądu indukcyjnego Kierunek płynięcia prądu indukcyjnego określa reguła Lenza. Mówi ona o tym, że prąd płynie w takim kierunku, iż wytworzone przez niego pole magnetyczne przeciwdziała przyczynie dzięki której powstał.

prąd indukcyjny Ten sam prąd możemy otrzymać umieszczając metalową ramkę pomiędzy biegunami magnesu stałego. Zmieniając położenie ramki np. przez jej obrót, powodujemy powstanie prądu indukcyjnego w metalowej ramce.

Indukcja elektromagnetyczna W opisanych przez nas sposobach otrzymywania prądu elektrycznego, zastosowano zjawisko indukcji elektromagnetycznej, odkrytej przez M. Faradaya.

budowa prądnicy Każda prądnica zbudowana jest z dwóch podstawowych części: z nieruchomej, stalowej obudowy zwanej stojanem oraz wewnętrznie umieszczonego, mogącego obracać się wokół własnej osi wirnika, zwanego też rotorem. Wirnik jest zbiorem naprzemiennie leżących biegunów elektromagnesów. Wewnątrz stojana nawinięte są połączone ze sobą uzwojenia.

zasada działania prądnicy Wirnik prądnicy zostaje wprawiony w ruch obrotowy. Obracające się razem z nim elektromagnesy powodują powstanie zmiennego pola magnetycznego. Zmienne pole magnetyczne w uzwojeniach stojana powoduje powstanie prądu elektrycznego.

zasada działania prądnicy Do otrzymania prądu w prądnicy zastosowano to samo zjawisko, które spowodowało powstanie prądu elektrycznego w metalowej ramce poruszającej się w polu magnetycznym magnesu stałego. Jednak w przypadku prądnicy to nie ramka (tu uzwojenia stojana) porusza się, lecz magnes (tu elektromagnesy).

zasada działania prądnicy Prądnica jest urządzeniem, w którym energia mechaniczna zamieniana jest na energię elektryczną, dzięki wykorzystaniu zjawiska indukcji elektromagnetycznej.

Prądnica z magnesami trwałymi

Prądnica z elektromagnesami

natężenie prądu z prądnicy Aby natężenie prądu było odpowiednio duże, w stojanie znajduje się nie jedno uzwojenie (nasza ramka), ale bardzo wiele. Natężenia prądów powstających w poszczególnych zwojach sumują się. Natężenie prądu otrzymanego z prądnicy jest sumą natężeń prądów powstałych w poszczególnych zwojach.

napięcie prądu z prądnicy prądu zmiennego Napięcie prądu z prądnicy zależy od szybkości obrotów wirnika. Obserwując na ekranie oscyloskopu wykres zależności napięcia od czasu zauważamy, że ma on kształt sinusoidy.

Napięcie prądu z prądnicy Napięcie w zależności od czasu przybiera różne wartości i to zarówno nad jak i pod osią czasu. Prąd otrzymywany z prądnicy nie jest prądem stałym (płaska linia) ale zmiennym, raz płynie w jedną a raz w drugą stronę.

Doświadczenie 3 Do doświadczenia użyliśmy szkolnej prądnicy prądu stałego, zasilacza, oraz mierników napięcia i natężenia prądu elektrycznego. Pod uzwojenia wirnika podpięliśmy woltomierz, natomiast zaciski zasilacza połączyliśmy z zaciskami uzwojeń elektromagnesów stojana.

Prądnica prądu stałego Czym różni się szkolna prądnica prądu stałego od prądnicy prądu zmiennego? W prądnicy prądu stałego: Elektromagnesy są nieruchome i znajdują w stojanie. Prąd wytwarzają uzwojenia obracającego się wirnika. Wykres napięcia od czasu jest linią prostą.

Doświadczenie 3

Doświadczenie 3

Doświadczenie 3 Wprawiliśmy wirnik w ruch obrotowy z dwiema różnymi prędkościami, cały czas obserwując woltomierz. Następnie utrzymując stałe obroty wirnika a zmieniając natężenie prądu płynącego przez uzwojenia elektromagnesów, sprawdzaliśmy wskazania woltomierza i amperomierza.

Obserwacje i wnioski Woltomierz wskazywał powstanie napięcia elektrycznego podczas obracania wirnika. Napięcie powstałego prądu było tym wyższe, im szybsze były obroty wirnika. Zwiększenie natężenie prądu płynącego w elektromagnesach skutkowało wzrostem napięcia prądu wytwarzanego w prądnicy.

podział elektrowni Podziału elektrowni na: węglowe, gazowe, wodne, geotermalne, wiatrowe, słoneczne i jądrowe dokonano ze względu na rodzaj wykorzystywanego w nich paliwa.

podział elektrowni Podziału można dokonać także uwzględniając rodzaj substancji roboczej. Parę wodną wykorzystują elektrownie: węglowe, gazowe, geotermalne, słoneczne i jądrowe. Energia poruszających się mas wody napędza elektrownie wodne, siła wiatru elektrownie wiatrowe.

Lokalizacja elektrowni Miejsca ich lokalizacji nie są przypadkowe. W przypadku elektrowni węglowych, sytuuje się je blisko kopalni węgla. Obniża to koszty produkcji energii elektrycznej. Powstająca w elektrowniach gorąca para wodna może być wykorzystana do ogrzewania osiedli mieszkaniowych (elektrociepłownie).

Lokalizacja elektrowni Miejsca budowy elektrowni wiatrowych uzależnione są od siły wiatru i ilości dni, w których wieje on na danym obszarze. Budowa elektrowni słonecznych na danym obszarze, uzależniona jest od natężenia promieniowania i ilości dni słonecznych w roku.

Lokalizacja elektrowni Szczególnie starannie wybiera się miejsca budowy elektrowni atomowej. Ostatnia awaria elektrowni atomowej Fukushima po trzęsieniu ziemi i późniejszym tsunami wymusza na nas rewizję poglądów na temat budowy elektrowni atomowej w Polsce.

Budowa elektrowni Wszystkie elektrownie zbudowane są z prądnic (zwanych generatorami) oraz silników, które napędzają prądnice (zwanych turbinami). Turbina połączona jest z generatorem tworząc turbogenerator.

budowa elektrowni W przypadku elektrowni gdzie substancją roboczą jest para wodna, musi też znajdować się urządzenie, gdzie przez podgrzewanie wody powstaje para wodna, np. kocioł lub reaktor.

działanie elektrowni Wskutek reakcji jądrowych ciepło powstałe ze spalania węgla lub gazu, a także ciepło wnętrza Ziemi i termiczne Słońca, powodują zamianę wody w parę.

działanie elektrowni Energia pary porusza łopatki turbiny, która napędza wirnik generatora. Masy wody poruszają turbinę wodną, a wiatr śmigło turbiny wiatrowej. Powstaje prąd elektryczny.

Rysunek przedstawia schemat pewnego obwodu elektrycznego. ZADANIE 1 Rysunek przedstawia schemat pewnego obwodu elektrycznego.

Pytania Jak połączone są oporniki? Jakie jest napięcie na końcach każdego opornika? Oblicz opór zastępczy tych oporników. Oblicz natężenie prądu płynącego przez każdy opornik. Oblicz natężenie prądu płynącego przez amperomierz.

Rozwiązanie Oporniki połączone są równolegle. U=U1=U2=6V 1/R=1/R1+1/R2 1/R=1/3Ω+1/6Ω=2/6Ω+1/6Ω=3/6Ω= =1/2Ω R/1=2Ω R=2Ω R=U/I I=U/R I1=6V:3Ω=2A I2=6V:6Ω=1A I=I1+I2 I=2A+1A=3A

ZADANIE 2 Jeżeli element grzejny piecyka elektrycznego zasilimy napięciem 230V to popłynie przez niego prąd o natężeniu 6,5A. Oblicz moc tego grzejnika i wyraź ją w kW. Oblicz energię elektryczną zużywaną przez grzejnik w ciągu doby. Oblicz koszt zużytej energii elektrycznej, jeżeli 1 kWh kosztuje 0,35 zł.

Rozwiązanie P=U·I P=230V·6,5A=1495W=1,495kW W=U·I·t=230V·6,5A·24h=1495W·86400s= =129168000J=35,88kWh 35,88·0,35zł=12,56zł Odp. Moc grzejnika wynosi około 1,5 kW, a koszt zużycia około 36 kWh wynosi 12,56 zł.

ZADANIE 3 Podczas wyładowania atmosferycznego (uderzenia pioruna) przepłynął ładunek 100C pod napięciem 10000000V w czasie 0,1s. Oblicz średnie natężenie prądu i moc wyładowania.

ROZWIĄZANIE I=q:t I=100C:0,1s=1000A P=U·I=10000000V·1000A=10000000000W= =10GW Odp. Średnie natężenie prądu wynosi 1000 A, a moc wyładowania elektrycznego 10 GW.

Bibliografia „Fizyka w prostych zadaniach” A.Kurowski J. Niemiec Fizyka zeszyt ćwiczeń cz.1 Karol Hercman Encyklopedia PWN www.wikipedia.pl http://www.komel.katowice.pl/ZRODLA/FULL/72/ref_02.pdf http://dydaktyka.fizyka.szc.pl/old/Praca_dyplomowa/przyzady/elek tromagnetyzm/Pradnica_V_5-103.pdf http://www.if.uj.edu.pl/Foton/neutrino/nr%204/neutrino%204.pdf http://www.google.pl/search?q=fukushima&hl=pl&client=firefox- a&hs=6zU&rls=org.mozilla:pl:official&prmd=imvnsl&source=lnms &tbm=isch&ei=