Dane informacyjne Nazwa szkoły: Gimnazjum im. Polskich Noblistów w Krzyżu Wielkopolskim ID grupy: 98/35 Opiekun: Agnieszka Nawojczyk Kompetencja: Fizyczno-Matematyczna Temat projektowy: „Z ładunkiem elektrycznym i kawałkiem drutu”. Semestr/rok szkolny: Semestr 4/2011/2012

Z fizyką i matematyką poznajemy świat, prąd elektryczny to trudny temat, choć jest wokół nas!

GRUPA 98/35 Kronikarz Fotograf Grupa matematyczna Grupa fizyczna

Spis treści Co to jest prąd elektryczny? Wielkości fizyczne charakteryzujące prąd elektryczny Znani fizycy Przewodniki i izolatory Wytwarzanie energii elektrycznej Właściwości energii elektrycznej Wady energii elektrycznej Doświadczenia Zmiana energii elektrycznej na inne formy energii Zadania Literatura

Co to jest prąd elektryczny? Jeżeli w danym ośrodku znajdują się swobodne ładunki elektryczne, to pojawienie się napięcia spowoduje ich uporządkowany ruch. Ukierunkowany ruch ładunków nazywa się prądem elektrycznym. Poruszać się mogą zarówno ładunki dodatnie, jak i ujemne np. w metalach są to elektrony w elektrolitach jony.

Wielkości fizyczne charakteryzujące prąd elektryczny Napięcie elektryczne – różnica potencjałów elektrycznych między dwoma punktami obwodu elektrycznego lub pola elektrycznego. Symbolem napięcia jest U. Napięcie elektryczne jest to stosunek pracy wykonanej podczas przenoszenia ładunku elektrycznego między punktami, dla których określa się napięcie, do wartości tego ładunku. Wyraża to wzór przy czym zakłada się, że przenoszony ładunek jest na tyle mały, iż nie wpływa znacząco na zewnętrzne pole elektryczne. Natężenie prądu (nazywane potocznie prądem elektrycznym) jest wielkością fizyczną charakteryzującą przepływ prądu elektrycznego zdefiniowaną jako stosunek wartości ładunku elektrycznego przepływającego przez wyznaczoną powierzchnię do czasu przepływu ładunku.

Opór elektryczny, rezystancja – wielkość charakteryzująca relacje między napięciem a natężeniem prądu elektrycznego w obwodach prądu stałego Praca – skalarna wielkość fizyczna, miara ilości energii przekazywanej między układami fizycznymi w procesach mechanicznych, elektrycznych, termodynamicznych i innych.

Moc prądu elektrycznego o natężeniu I płynącego przez element obwodu, na którego końcach różnica potencjałów jest równa U, określona jest wzorem: P = W/t = U I Energia elektryczna prądu elektrycznego to energia, jaką prąd elektryczny 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 = W = U I t =P t

Alessandro Volta (1745 – 1827) Włoski uczony, który od najmłodszych lat zajmował się zjawiskami związanymi z prądem elektrycznym. W 1800 r. Volta skonstruował prototypowe ogniwo zwane ogniwem galwanicznym.

Volta zastanawiając się nad obserwacjami medyka Luigiego Galvaniego, który zauważył że udo żaby leżące na metalowej płytce i dotykane żelaznym skalpelem drga, stwierdził że to napięcie elektryczne w wytworzonym w ten sposób ogniwie jest przyczyną drgań mięśni uda.

Andre Marie Ampere (1775 – 1836) Francuski fizyk i matematyk, uważany za jednego z twórców elektrodynamiki klasycznej. Współpracował ze znanym chemikiem Amadeuszem Avogadro i wybitnym fizykiem H. Ch. Oerstedem. W 1820 r. Ampere zauważył wzajemne oddziaływania przewodów, przez które przepływa prąd elektryczny. W 1822 r. zbudował zwojnicę i wykazał, że jej pole magnetyczne jest takie samo, jak pole magnetyczne magnesu trwałego. I = q/t

Georg Simon Ohm (1787 – 1854) Niemiecki matematyk i fizyk, przeszedł do historii nauki dzięki odkryciu w 1827 r. prawa proporcjonalności między natężeniem prądu a napięciem. Wykazał, że opór przewodnika jest wprost proporcjonalny do jego długości i odwrotnie proporcjonalny do pola jego przekroju poprzecznego. Stwierdził, że ogrzane przewodniki metalowe stawiają większy opór prądowi, a ogrzane ciecze mniejszy. R=U/I R= ρl/S

James Prescott Joule (1818 – 1889) Jako 19 – letni pracownik browaru opracował projekt opisujący silnik elektryczny. Był samoukiem, bardzo sumiennym i pracowitym człowiekiem. Odkrył, że w przewodniku, przez który płynie prąd, wydziela się ciepło Q proporcjonalne do kwadratu natężenia prądu, oporu przewodnika i czasu przepływu prądu. Q = I² R t

James Watt (1736 – 1819) Brytyjski (szkocki) inżynier i wynalazca, twórca kilku kluczowych ulepszeń konstrukcji maszyny parowej, dzięki którym maszyny te zapoczątkowały rewolucję przemysłową.

Przewodniki i izolatory Materiały, które dobrze przewodzą prąd elektryczny to przewodniki. Oporność właściwa dobrych przewodników jest rzędu 10−8–10−6Ωm. Dielektryk (izolator elektryczny) to materiał, w którym bardzo słabo przewodzony jest prąd elektryczny. Może to być rezultatem niskiej koncentracji ładunków swobodnych, niskiej ich ruchliwości, lub obu tych czynników równocześnie. Oporność właściwa dielektryków jest większa od 106Ωm. Półprzewodniki mają oporność właściwą pośrednią między metalami a izolatorami. Ich przewodnictwo zwykle mocno rośnie ze wzrostem temperatury. Specyficzną formą przewodnictwa jest nadprzewodnictwo – występujący w niektórych materiałach efekt prowadzący do tego, że w odpowiednio niskiej temperaturze ma on zerową rezystancję. W nadprzewodnikach zachodzą również inne zjawiska, na przykład efekt Meissnera. Większość materiałów wykazuje nadprzewodnictwo dopiero w bardzo niskiej temperaturze.

Wytwarzanie energii elektrycznej Do wytwarzania energii elektrycznej można wykorzystywać energię potencjalną spadającej z wody, napędzającej turbiny generatorów. Na takiej zasadzie działają elektrownie wodne, tzw. Hydroelektrownie. Zalety hydroenergetyki: - bardzo niskie koszty produkcji energii (samoczynnie przepływająca woda); - niskie koszty eksploatacji; - czysta technologia produkcji; - możliwość szybkiego wstrzymania i wznowienia produkcji.

Właściwości energii elektrycznej Najważniejsze własności energii elektrycznej: łatwość transportu, rozdziału i regulacji – przekształcania do parametrów niezbędnych do wykorzystania; niezanieczyszczanie środowiska – skoncentrowany w dużych elektrowniach proces wytwarzania energii elektrycznej, głównie z energii cieplnej, zapewnia wysoką wydajność i minimalizację odpadów chemicznych i cieplnych wysoka sprawność przetwarzania w inne formy energii użytecznej.

Wady energii elektrycznej Właściwością energii elektrycznej jest też trudność jej przechowywania. Musi być ona wytwarzana w momencie zapotrzebowania na nią. Stosowane akumulatory są mało pojemne, mało wydajne oraz ciężkie, co wyklucza je jako środek do magazynowania i transportowania większych ilości energii (do gromadzenia energii wykorzystuje się np. elektrownie szczytowo-pompowe).

Zamiana energii elektrycznej na inne formy energii Energię elektryczną jest stosunkowo łatwo przesyłać, ale najczęściej nie korzysta się z niej bezpośrednio. Jest ona zamieniana na inne formy energii. Silniki elektryczne napędzają różne maszyny stosowane w przemyśle : pompy, wentylatory itd. Pracę prądu elektrycznego można obliczyć korzystając ze specjalnego wzoru.

Doświadczenia Podczas zajęć przeprowadziliśmy wiele doświadczeń na temat prądu elektrycznego, z których wyciągnęliśmy wiele pouczających wniosków.

Obwód elektryczny - układ źródeł prądu i napięcia, przewodów elektrycznych, przez które prąd może bez przerwy płynąć, oraz rozmaitych elementów obwodów elektrycznych elementów aktywnych lub pasywnych obwodu jak rezystory, kondensatory, cewki (zwojnice), diody, transformatory, itp.

Podstawowe sposoby, w jakie łączy się części obwodu to połączenie szeregowe, oraz połączenie równoległe. Bardziej złożone obwody powstają na skutek połączeń zarówno szeregowych jak i równoległych - są to obwody szeregowo-równoległe. Skomplikowane obwody szeregowo-równoległe można analizować m.in. za pomocą dwóch reguł - pierwszego i drugiego prawa Kirchhoffa. Reguły te umożliwiają obliczenie natężenia prądów przepływających przez poszczególne elementy obwodu, jak również napięcia na nich.

Zadanie 1 Ile trzeba zapłacić za energię elektryczną zużytą przez kompaktową energooszczędną świetlówkę o mocy 23 W, a ile za energię zużytą przez tradycyjną żarówkę, która – aby świecić podobnie jasno – zużywa 100 W? Przyjmij, że żarówka świeciły przez 20 godzin, a 1 kWh kosztuje 50 groszy. DANE: SZUKANE: P1 = 23 W kwota 1 = ? P2 = 100 W kwota 2 = ? t = 20 h WZÓR: E = P · t

OBLICZENIA: E1 = 0,023kW · 20 h = 0,46 kWh Kwota 1 = 0,46 kWh · 0,5 zł/kWh = 0,23 zł E2 = 0,1 kWh · 20 h = 2kWh Kwota 2 = 2 kWh · 0,5 zł/ kWh = 1 zł Kwota 2 / kwota 1 = 4,3 Odpowiedź: Za pracę świetlówki należy zapłacić 23 grosze, a za pracę tradycyjnej żarówki 1 zł, czyli ponad 4 razy więcej.

Zadanie 2 Winda o ciężarze 10 kN wjeżdża na wysokość 15 m w ciągu 30 s. Silnik windy pracuje pod napięciem 400 V. Oblicz natężenie prądu elektrycznego płynącego przez silnik. Pomiń straty energii. DANE: SZUKANE: Fg = 1o kN = 10 000 N I = ? h = 15 m t = 30 s U = 400 V WZÓR: W = Ep = Fg · h I = Eel / U · t

OBLICZENIA: W = 1o 000 N · 15 m = 150 000 J W = Eel I = 150 000 J / 400 V · 30 s I = 12,5 A Odpowiedź: Przez silnik płynął prąd o natężeniu 12,5 A.

Literatura podręcznik do fizyki Wydawnictwo Nowa Era, www.wikipedia.pl encyklopedia.pwn.pl fizyka.dk

Dziękujemy za uwagę!