ZESPÓŁ SZKÓŁ W ŻYCHLINIE Dane INFORMACYJNE Nazwa szkoły: ZESPÓŁ SZKÓŁ W ŻYCHLINIE ID grupy: 98_37_MF_G1 Kompetencja: MATEMATYCZNO - FIZYCZNA Temat projektowy: PREZ CO PŁYNIE PRĄD ELEKTRYCZNY Semestr/rok szkolny: IV 2010/2011

CELE PROJEKTU kształcenie umiejętności samodzielnego korzystania z różnych źródeł informacji gromadzenie, selekcjonowanie i przetwarzanie zdobytych informacji doskonalenie umiejętności prezentacji zebranych materiałów rozwijanie zainteresowań samokształcenie

wyrabianie odpowiedzialności za pracę własną i całej grupy kształcenie umiejętności radzenia sobie z emocjami oraz godnego przyjmowania niepowodzeń i ich właściwej interpretacji

Zadania projektu Zebranie i opracowanie wiadomości na temat energii elektrycznej. Przygotowanie instrukcji do wykonania doświadczeń i przeprowadzenie doświadczeń związanych z energią elektryczna. Prezentacja wyników z doświadczeń. Opracowanie i przedstawienie przykładów wykorzystywania energii elektrycznej przez człowieka w życiu codziennym i gospodarce. Wybór zadań rachunkowych i problemowych oraz ich rozwiązanie.

PRZEZ CO PŁYNIE PRĄD ELEKTRYCZNY

Co to jest prąd elektryczny? Prądem elektrycznym nazywamy uporządkowany ruch ładunków elektrycznych. W polu elektrycznym na ładunki zaczyna działać siła elektryczna. Zwrot tej siły zależy od kierunku tego pola. Siła, działająca na ładunki dodatnie, ma zwrot zgodny z kierunkiem pola, a działająca na ładunki ujemne ma zwrot przeciwny. Dopiero takie uporządkowanie przesuwania się ładunków w jednym kierunku - tworzy prąd elektryczny.

W jakim kierunku płynie prąd? Kierunek ruchu ładunków dodatnich jest umownym kierunkiem prądu (czyli zgodnym z kierunkiem pola elektrycznego). W zamkniętym obwodzie elektrycznym, w którym płynie prąd elektryczny, jest to kierunek od plusa do minusa.

Jakie muszą być spełnione warunki, aby płynął prąd? Warunki przepływu prądu to: zamknięty obwód elektryczny dla przepływu ładunków, źródło energii, które zmusza ładunki do poruszania się.

Co wchodzi w skład obwodu elektrycznego? W skład obwodu elektrycznego wchodzą: źródła energii (elementy czynne), odbiorniki (elementy bierne), przewody łączące.

Symbole stosowane w schematach obwodów elektrycznych

Jakie są obwody elektryczne? Ze względu na sposób połączenia obwody elektryczne dzielimy na : obwody nierozgałęzione obwody rozgałęzione Ze względu na rodzaj prądu obwody elektryczne dzielimy na: obwody prądu stałego obwody prądu zmiennego

Co to jest natężenie prądu? Natężenie prądu jest to stosunek ładunku przepływającego przez poprzeczny przekrój przewodnika do czasu jego przepływu. Gdzie: I – natężenie prądu [A] Q – wielkość przepływającego ładunku [C] t – czas przepływu ładunku [s] Jednostką natężenia prądu jest 1 A (amper)

zadania Obliczenia : Zad. 1 Ile wynosi natężenie prądu , jeżeli ładunek 96 C przepłynął przez przewodnik w ciągu 32 s ? Dane : Szukane : Wzór : Q = 96 C I = ? t = 32 s Obliczenia : I = 96 C : 32 s = 3 A Odpowiedź : Natężenie prądu wynosi 3 A.

Zad.2 Oblicz czas , w jakim ładunek 150 C przepłynął przez przewodnik , gdy natężenie płynącego prądu wynosiło 5 A ? Dane : Szukane : Wzór : Q = 150 C t = ? I = 5 A t = Q : I Obliczenia: t = 150 C : 5 A = 30 s Odpowiedź: Czas wynosi 30 sekund.

Zad 3. Oblicz natężenie prądu płynącego przez silnik, wiedząc, że napięcie jest równe 2 V, a opór elektryczny wynosi 40 Ω. Dane: Szukane: Wzór: U = 2V I = ? R = 40Ω Obliczenia: I = 0,05A Odpowiedź: Natężenie prądu płynącego przez silnik wynosi 0,05A

O CZYM MÓWI PIERWSZE PRAWO KIRCHHOFFA? Suma natężeń prądów wpływających do węzła jest równa sumie natężeń prądów wypływających z tego węzła. Elektrony wpływające do węzła nie mogą z niego „uciec” inną drogą niż przez przewodnik; mówi o tym zasada zachowania ładunku. Zatem ilość ładunków wpływających do węzła musi być równa ilości ładunków, które z tego węzła wypływają. Gdy dokonamy pomiaru natężeń prądów dopływających i wypływających z węzła, otrzymamy: I₁ +I₂ + … + In = I₁ + Iu + … + IN I₁ + I₂ = I₃ I₁ + I₂ - I₃ = 0

Dla przypadku przedstawionego na rysunku, I prawo Kirchhoffa można więc zapisać w postaci:

Zadanie Do węzła obwodu wpływają prądy o natężeniach: I1=2A i I2=3A. Jakie jest natężenie prądu I3 wypływającego z węzła?

ROZWIĄZANIE Dane: Szukane: Wzór: I1= 2A I3=? I1+ I2=I3 I2= 3A Obliczenia: I3= 2A+3A I3= 5A Odpowiedź: Natężenie prądu I3 wynosi 5A.

O czym mówi prawo ohma? Natężenie prądu elektrycznego w przewodniku zmienia się wprost proporcjonalnie do napięcia przyłożonego między końcami tego przewodnika. Zależność tę wyraża wzór: I = Gdzie: I – natężenie prądu w obwodzie [A] U – napięcie na końcach przewodnika [V] R – opór elektryczny (rezystancja) przewodnika [Ω]

Dla odbiorników i przewodników energii elektrycznej stosunek napięcia elektrycznego do natężenia płynącego prądu jest wielkością stałą (w danych warunkach), zwaną oporem elektrycznym. Jednostką oporu jest: 1Ω (om) = Przewodnik ma opór (rezystancję) jednego oma (1Ω), jeżeli przyłożone do niego napięcie jednego wolta (1V) wykonuje przepływ prądu o natężeniu jednego ampera (1A)

Od czego zależy opór elektryczny? Od rodzaju przewodnika

2. Od długości przewodnika

3. Od pola przekroju

Opór elektryczny jest wprost proporcjonalny do długości przewodnika, a odwrotnie proporcjonalny do pola przekroju tego przewodnika (rezystancja) . ρ - opór właściwy ,

Co to jest opór właściwy? Opór właściwy charakteryzuje własności elektryczne materiału. Jest to oporność elektryczna opornika wykonanego z jednorodnego kawałka danego materiału o stałym jednostkowym polu przekroju i jednostkowej długości.

Opór właściwy  w temperaturze 200 C Metale  x 10-6  m Aluminium Cyna Cynk Miedź Ołów 0,0282 0,114 0,0522 0,0168 0,22 Platyna Rtęć Srebro Wolfram Żelazo (czyste) 0,111 0,958 0,0162 0,055 0,0978 Izolatory  x  m Stopy  x 10-6  m Bakelit Bursztyn Ebonit Szkło 1012 - 1014 1020 – 1022 1018 – 1020 1016 – 1017 Brąz fosforowy Mosiądz Stal Żeliwo 0,038 – 0,17 0,08 – 0,07 0,07 – 0,1 2,0 – 5,0    

Opór właściwy  w temperaturze 200 C Stopy oporowe  x 10-6  m Konstantan (Cu, Ni) Nikielina (Cu, Ni, Zn) Manganian (Cu, Mn, Ni) Chromonikielina (Cr, Ni, Fe) Kantal (Fe, Cr, Al.) 0,47 – 0,50 0,33 0,43 – 0,45 1,06 1,35 – 1,45

doświadczenie Przygotowujemy materiały: kilka przewodów o długości 50 cm wykonanych z różnych materiałów, woltomierz, amperomierz, opornik suwakowy, źródła prądu stałego, przełącznik, zaciski. Przebieg doświadczenia: końce przewodnika umieszczamy w zaciskach. Równolegle łączymy z woltomierzem, a szeregowo z amperomierzem, źródłem prądu stałego. Opornikiem ustalamy natężenie prądu. Na woltomierzu odczytujemy napięcie. Obliczmy opór elektryczny przewodnika. Doświadczenie powtarzamy dla różnych natężeń prądu i różnych przewodników.

Czy podczas przepływu prądu wykonywana jest praca? Podczas przepływu prądu elektrycznego przez przewodnik zostaje wykonana praca przesunięcia ładunku elektrycznego. Wartość tej pracy zależy od wartości napięcia i wielkości ładunku elektrycznego. W = U ·Q lub W = U · I · t Gdzie: U – napięcie [V] I – natężenie prądu [A] t – czas przepływającego prądu Q – przepływający ładunek

Jaka jest moc prądu? Moc wydzielająca się w odbiorniku elektrycznym podczas przepływu prądu jest wprost proporcjonalna do wartości natężenia płynącego prądu i do wartości napięcia na końcach odbiornika. P = I · U Jednostką mocy jest wat 1[W] = 1[V · A]

Czy moc zależy od pracy? Moc urządzeń elektrycznych jest równa stosunkowi pracy wykonanej przez dane urządzenie do czasu, w którym ta praca została wykonana

Jednostki mocy Jednostką podstawową mocy w układzie SI jest 1 wat (1W) 1W określa moc takiego urządzenia, które w czasie 1 sekundy wykona pracę 1 J (1W = 1J/1s) 1kW = 1000W = 10³W 1MW = 1000kW = 1000000W = 10⁶W 1GW = 1000MW = 1000000000W = 10⁹W

zadanie Winda o masie 450 kg podnosi w ciągu 40 s pasażera o wadze 50kg na wysokość 40 m. Jaka jest jej moc? Dane: Szukane: m₁ = 450 kg, m₂ = 50 kg P=? h = 40 m t= 40s Korzystamy ze wzoru: P = W/t

rozwiązanie Ponieważ w zadaniu nie podano pracy W dopisujemy ją do szukanych i obliczamy po obliczeniu siły, według wzoru: F= m · g. Wartość g przyjmujemy jako 10N/kg i dopisujemy do danych. Obecnie dane wyglądają następująco: Dane: Szukane: m₁ = 450 kg P=? t = 40 s W=? m₂ = 50 kg F=? h = s = 40 m g = 10N/kg

Sumujemy masy ponieważ winda nie jedzie bez pasażera Sumujemy masy ponieważ winda nie jedzie bez pasażera. 𝑚 = 𝑚₁ + 𝑚₂, 𝑚 = 450 𝑘𝑔 + 50 𝑘𝑔 = 500 𝑘g Korzystamy ze wzoru: F = m · g Obliczenia: F= 500 𝑘𝑔 ∙ 10N/kg= 5 000 N Znając wartość siły obliczamy pracę. Korzystamy ze wzoru: W = F · s Obliczenia: W = 5 000 𝑁 ∙ 40 𝑚 = 200 000 𝐽 Znając wartość pracy obliczamy moc. Korzystamy ze wzoru: P = W/t Obliczenia: 200000J : 40s = 5000W = 5kW Odp.: Moc windy podnoszącej pasażera wynosi 5 [kW].

Badamy przewodnictwo ciał stałych Przewodnik elektryczny, to substancja, która dobrze przewodzi prąd elektryczny, a przewodzenie prądu ma charakter elektronowy. Wartość przewodnictwa zależy od liczby nośników ładunków elektrycznych. Przewodność właściwa, to miara podatności materiału na przepływ prądu elektrycznego.

Przewodniki elektryczne Do najpopularniejszych przewodników należą: grafit – miękki, średnio dobry jako przewodnik, stosowany wszędzie tam, gdzie trzeba doprowadzić napięcie do części wirujących (szczotki), żelazo – tańsze od aluminium, ale posiada gorsze własności elektryczne, kruche i nieodporne na korozję, stal – własności podobne do żelaza, stosowana w elementach przewodzących aparatów elektrycznych, wymagające równocześnie większej wytrzymałości mechanicznej,

aluminium – kruche, dobre jako przewodnik, ma korzystny stosunek przewodnictwa do ceny materiału oraz masy przewodu, powszechnie stosowane na przewody w napowietrznych liniach elektroenergetycznych, złoto – własności elektryczne dobre, duża odporność na korozję, ale cena warunkuje stosowanie jedynie do układów mikroprocesorowych oraz na powierzchni styków, miedź – droższa od aluminium, ale bardzo dobra jako przewodnik, odporna na przełamanie, łatwa w lutowaniu, odporna cieplnie; stosowana w instalacjach elektrycznych oraz w urządzeniach elektrycznych i stykach, srebro – najmniejszy opór elektryczny, droższe od miedzi i aluminium, technicznie czyste lub w postaci stopów stosowane powszechnie w stykach elektrycznych w łącznikach.

Do czego służą izolatory elektryczne? Izolatory, to nazwa aparatów stosowanych w elektroenergetyce do podtrzymywania i izolowania elementów przewodzących. Do oznaczania izolatorów w elektroenergetyce stosuje się symbole: L - izolatory liniowe S - izolatory stojące W - izolatory wsporcze K - izolatory kołpakowe G - izolatory odciągowe Z - izolatory przeciwzabrudzeniowe D - izolatory o konstrukcji w kształcie litery delta (deltowe) P - izolatory o konstrukcji pniowej

doświadczenie Przygotowujemy potrzebne materiały: zacisk lub klamerka do bielizny (ze sprężynką), bateria 1,5V (np.R-20), linijka, folia aluminiowa, żaróweczka, taśma klejąca, nożyczki, gumka, papier, moneta, drewno, ołówek (grafit).

które substancje przewodzą prąd? Przebieg doświadczenia: z folii aluminiowej wycinamy prostokąt o rozmiarach 60x30cm. Folię składamy pięciokrotnie tak, aby otrzymać pasek o długości 60-cm. Przecinamy go na pół, otrzymujemy dwa paski o długości 30cm. Jeden z końcówek każdego paska łączymy z biegunami baterii. Wolny koniec jednego z pasków zawijamy wokół gwintu żaróweczki i ściskamy klamerką. Gumkę kładziemy na wolnym końcu drugiego paska i przykładamy do niej metalowy spód żaróweczki. Czynność tę powtarzamy zastępując gumkę pozostałymi materiałami. Zapalenie lampki świadczy o tym, że materiał jest przewodnikiem.

Materiał Przewodzi prąd Nie przewodzi prądu linijka x Folia aluminiowa nożyczki gumka monety drewno grafit tkanina

Szukamy przewodników prądu elektrycznego

Nie wszystko przewodzi prąd elektryczny

Czy ciecze przewodzą prąd elektryczny? Ciecze przewodzą prąd elektryczny tylko wtedy, gdy są w nich rozpuszczone elektrolity, czyli kwasy, zasady lub sole Nośnikami prądu elektrycznego w cieczach są jony dodatnie (kationy) i ujemne (aniony).

Czy woda jest dobrym przewodnikiem? 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 Przygotowujemy materiały: źródło prądu stałego, naczynie szklane, blaszki miedziane (elektrody), woda destylowana, woda z kranu, wodny roztwór siarczanu miedzi, wodorotlenek sodu, sól kuchenna, denaturat, amperomierz lub żaróweczka(2V), opornik suwakowy, przełącznik. Przebieg doświadczenia: budujemy obwód prądu złożony ze źródła prądu stałego, amperomierza, opornika lub przełącznika. Do naczynia nalewamy wodę destylowaną i wkładamy elektrody. Zamykamy obwód. Co wskazuje amperomierz? Powtarzamy doświadczenie z wodą z kranu. Co teraz wskazuje amperomierz? Do naczynia wlewamy roztwór wodorotlenku sodu. Doświadczenie powtarzamy dla soli. Za każdym razem do naczynia nalewamy czystej wody.

Zapisujemy obserwacje Rodzaj cieczy Przewodzi prąd Nie przewodzi prądu Wskazania amperomierza Woda destylowana - x Woda z kranu 2A denaturat 1,8A Wodny roztwór wodorotlenku sodu 1A Roztwór soli kuchennej 3A

Sprawdzamy przewodnictwo elektrolitów

Nie wszystkie ciecze przewodzą prąd

Czy gazy przewodzą prąd elektryczny? Gazy mogą przewodzić prąd elektryczny tylko wtedy, gdy są silnie najonizowane (gdy znajdują się w nich nośniki prądu, czyli jony). Czynniki jonizujące to między innymi: wysoka temperatura, promieniowanie kosmiczne, rentgenowskie, radioaktywne oraz wysokie napięcie.

Jak powstają wyładowania atmosferyczne? Wyładowania atmosferyczne - wyładowania elektryczne w atmosferze (elektrometeory), powstające w chmurze, między chmurami oraz między chmurą a powierzchnią Ziemi. W upalne i wilgotne dni lata silne prądy unoszące ciepłe powietrze w górne rejony atmosfery tworzą chmury kłębiaste, które szybko przekształcają się w wysokie chmury kłębiasto deszczowe. Tym groźnie wyglądającym, czarnym chmurom towarzyszą porywiste wiatry, ulewne deszcze oraz błyskawice i grzmoty. Podczas wyładowań atmosferycznych wyzwalają się ogromne ilości energii, której wykorzystanie stanowi ciągle nie spełnione marzenie człowieka.

Jak wygląda wyładowanie atmosferyczne?

Jak powstają burze? Kiedy zaczynają się tworzyć burze w chwiejnym wycinku atmosfery rozwija się silny wstępujący prąd ciepłego i wilgotnego powietrza. Gdy chmura dorasta do co najmniej 12 km, para wodna skrapla się. Wówczas deszcz (śnieg, grad) pada wewnątrz tak intensywnie, że pojawiają się tam bardzo silne prądy zimnego powietrza opadającego z dużych wysokości. Wkrótce potem niebo przeszywa błyskawica, rozlega się grzmot i spada ulewny deszcz. W końcu zwyciężają prądy stępujące, tłumią ciepłe, wilgotne prądy skierowane ku górze.

Skąd się biorą pioruny? We wnętrzu chmury rozbudowują się potężne ładunki elektryczne. Nie jest całkowicie jasne, jak to się dzieje, ale wiadomo, że ładunki dodatnie tworzą się w pobliżu wierzchołka chmury, zaś ujemne w okolicy jej podstawy. Ładunki ujemne przyciągane są przez dodatnio naładowaną powierzchnię ziemi. Powietrze jest jednak dobrym izolatorem i przez pewien czas uniemożliwia przepływ elektryczności, który mógłby zrównoważyć ładunki. Gdy napięcie staje się dostatecznie wysokie, następuje dwuetapowe uderzenie pioruna. Szereg tzw. błyskawic-przewodników spada z chmury zygzakami w dół, a równocześnie podobne wyładowania wzbijają się z ziemi ku górze. W wyniku zetknięcia się obu wyładowań otwiera się kanał przewodzący między ziemią a chmurą. Wówczas wzdłuż tego kanału przepływa w górę, do wnętrza chmury, potężny prąd elektryczny. To drugie "powrotne wyładowanie" wytwarza światło, które widzimy jako błyskawicę.

W jaki sposób człowiek wykorzystuje prąd elektryczny? Zapotrzebowanie na energię elektryczną są bardzo duże i ciągle rosną ze względu na zalety energii: łatwość przemiany w inne formy energii, czyli w energię cieplną, świetlną i mechaniczną, znakomitą podzielność i możliwość płynnej regulacji parametrów w zakresie od mikro do makro, łatwość przesyłania na duże odległości, co umożliwia wykorzystywanie odległych od miejsc zapotrzebowania zasobów surowców energetycznych, ponoszenie małych strat w porównaniu z innymi postaciami energii w trakcie ich przesyłania.

W gospodarstwach domowych Obecnie w Polsce z energii elektrycznej korzysta 99% mieszkańców, jest ona niezbędna do funkcjonowania każdego gospodarstwa domowego. Prąd znacznie ułatwia nam życie: możemy szybko przygotować posiłek, żywność dłużej pozostaje świeża, możemy się ogrzać, dowiedzieć najświeższych informacji, uczyć się czy odprężyć się. Energia elektryczna oszczędza nam czas, jednak nie ma nic za darmo. Koszt korzystania z urządzeń elektrycznych mierzony jest i płacony w kilowatogodzinach.

W przemyśle Bez energii nie istniałby przemysł. Prąd elektryczny może być wykorzystywany do wywoływania reakcji chemicznych. Może on rozkładać substancje chemiczne najczęściej rozpuszczone w wodzie – ELEKTROLIZA. Za pomocą elektrolizy uzyskuje się chlor z wody morskiej, czystą miedź z elektrolizy roztworów soli miedzi, a metale takie jak aluminium i mangan z elektrolizy stopionych rud.

W elektrolecznictwie Prąd elektryczny wykorzystywany jest w elektrolecznictwie (dział fizykoterapii). W elektroterapii wykorzystuje się prąd stały oraz prądy impulsowe małej i średniej częstotliwości. Organizm człowieka przewodzi prąd elektryczny, ponieważ składa się z dużej ilości płynów, głównie wody i cząstek o ładunkach elektrycznych.

W gabinetach kosmetycznych Zabiegi w gabinetach kosmetycznych to: Galwanizacja – poprawia napięcie mięśni, Jonoforeza – dostarcza do głębnych warstw skóry specjalnych substancji, Termoforeza – zabiegi dokonywane podgrzanymi elektrodami, Elektroforeza – wprowadzanie do naskórka specjalnych maści Dezinkrustacja – głębokie oczyszczanie skóry z łoju

Jaka jest prognoza na przyszłość? Elektryczność obecna w naszych domach wytwarzana jest w elektrowniach, często ze spalania węgla, ropy naftowej czy gazu ziemnego. Alternatywnym źródłem może być reaktor jądrowy, spadająca woda… Wciąż poszukuje się nowych sposobów wytwarzania energii elektrycznej; alternatywnych bądź odnawialnych źródeł energii, np. energia słoneczna, siła wiatru, pływy oceaniczne.

Bibliografia Szkolna encyklopedia – Fizyka z astronomią; wyd. PWN Repetytorium gimnazjalisty część matematyczno – przyrodnicza; Wydawnictwo Szkolne PWN http://pl.wikipedia.org/wik/Prad_elektryczny http://pl.wikibooks.org/wik/Fizyka_dla_liceum/Prad_elektry czny http://fizykon.org/elektrycznosc/el_natezenie_pradu.htm http://www.filoma.org/zadania/natezenie_pradu_i_napiecie _prawo_ohma/ http://zapytaj.onet.pl/Zastosowanie_pradu_elektrycznego_ w_zyciu_codziennym.html