1.

Prezentacja na temat: "1."— Zapis prezentacji:

1 1

2 DANE INFORMACYJNE Nazwa szkoły: Zespół Szkół Budowlanych w Żarach
Zespół Szkół Ponadgimnazjalnych w Kotowie ID grupy: 97/87_MF_G i /24_MF_G1 Opiekun: Maciej Dragańczuk i Monika Mokrzyńska Kompetencja: Matematyczno-Fizyczna Temat projektowy: Elektryczność w służbie człowieka. Semestr III rok szkolny: 2010/2011 2

3 MENU Co to jest prąd elektryczny i jakie są jego rodzaje ?
Podstawowe pojęcia i wielkości dotyczące prądu elektrycznego. Izolatory i przewodniki prądu. Prawa związane z prądem elektrycznym. Przyrządy do pomiaru prądu elektrycznego. Wpływ urządzeń elektrycznych na organizmy żywe. Doświadczenie 1. Doświadczenie 2.

4 Co to jest prąd elektryczny i jakie są jego rodzaje ?
Prąd elektryczny - uporządkowany ruch ładunków elektrycznych (przewodnictwo elektryczne). Wielkością charakteryzującą prąd elektryczny jest jego natężenie . Umownie za kierunek płynięcia prądu elektrycznego przyjmuje się kierunek ruchu ładunków dodatnich. Prąd stały – w odróżnieniu od prądu zmiennego i przemiennego– prąd stały charakteryzuje się stałą wartością natężenia oraz kierunkiem przepływu. Zaletą prądu stałego jest to, że w przypadku zasilania takim prądem wartość chwilowa dostarczanej mocy jest stała, co ma duże znaczenie dla wszelkich układów wzmacniania i przetwarzania sygnałów. Większość półprzewodnikowych układów elektronicznych zasilana jest prądem stałym . Główną zaletą takiego rozwiązania jest to, że urządzenia zawierające układy elektroniczne mogą być zasilane bezpośrednio z przenośnych źródeł energii. Dla urządzeń, które używane są w pobliżu sieciowej energii elektrycznej stosuje się zasilanie prądem stałym wytwarzanym przez zasilacze sieciowe. W zasilaczu sieciowe napięcie przemienne jest najpierw transformowane na odpowiedni poziom napięcia, prostowane oraz filtrowane, tak aby jego ostateczny przebieg był jak najbardziej zbliżony do wartości stałej. Moc dowolnego odbiornika w układzie prądu stałego jest obliczana jako: P = U I gdzie: P – moc, U – stałe napięcie elektryczne,  I – stały prąd elektryczny. MENU

5 Prąd przemienny – charakterystyczny przypadek prądu elektrycznego okresowo zmiennego, w którym wartości chwilowe podlegają zmianom w powtarzalny, okresowy sposób, z określoną częstotliwością. Wartości chwilowe natężenia prądu przemiennego przyjmują naprzemiennie wartości dodatnie i ujemne (stąd nazwaprzemienny). Najczęściej pożądanym jest, aby wartość średnia całookresowa (tzn. składowa stała) wynosiła zero. Prąd tętniący – prąd elektryczny okresowo zmienny, którego wartość średni całookresowa w ciągu jednego okresu jest różna od zera. Oznacza to, że taki prąd posiada składową stałą. Najczęściej spotykanym przykładem prądu tętniącego jest prąd płynący z prostownika prądu przemiennego przed odfiltrowaniem składowej zmiennej. Niemniej jednak prądy tętniące powstają również w przypadku zasilania napięciem stałym układu, który generuje zmienne obciążenia. W praktyce prądy tętniące są raczej niepożądanym zjawiskiem, ponieważ dąży się albo do uzyskania prądu przemiennego, lub też napięcia. Dlatego też stosuje się wszelkiego rodzaju układy filtrujące, które mają za zadanie tłumić wahania wartości natężenia prądu. Najprostszym sposobem filtrowania jest szeregowa cewka lub równoległy kondensator. Każdy z tych elementów magazynuje energię, która jest oddawana w momencie obniżenia prądu. Powoduje to zmniejszenie amplitudy zmian prądu płynącego w obwodzie.

6 Prąd zmienny – prąd elektryczny, którego wartość natężenia zmienia się w czasie w dowolny sposób.
W zależności od charakteru tych zmian można wyróżnić następujące rodzaje prądu: prąd okresowo zmienny prąd tętniący prąd przemienny prąd nieokresowy Wszystkie powyższe pozycje poza ostatnią są przypadkami szczególnymi prądu zmiennego i mają one swoje specjalne znaczenie w elektrotechnice i elektronice. Prąd zmienny nieokresowy może reprezentować prąd o dowolnej zmienności w czasie (szara krzywa na rysunku), lub też prąd zmieniający się zgodnie z określoną funkcją matematyczną lub zjawiskiem matematycznym. Na przykład uderzenie pioruna powoduje powstanie fali udarowej o określonym kształcie, która przebiega jednorazowo, nie ma więc charakteru okresowego. Prąd płynie tylko w obwodach zamkniętych, najprostszy, czyli elementarny obwód elektryczny składa się z źródła napięcia, które jest różnicą potencjału elektrostatycznego pomiędzy dwoma punktami obwodu elektrycznego lub pola elektrycznego. Napięcie elektryczne równe jest liczbowo pracy potrzebnej do przemieszczenia jednostkowego ładunku elektrycznego pomiędzy tymi punktami, który ma określony opór elektryczny oraz przewodów łączących źródło z odbiornikiem.

7 Rodzaje zmienności prądu

8 Podstawowe pojęcia i wielkości dotyczące prądu elektrycznego.
Potencjał - liczbowo jest równy pracy,  jaką siły pola wykonują przy przemieszczaniu jednostkowego  ładunku dodatniego z danego punktu pola do  miejsca ,gdzie dla potencjału przyjmujemy wartość zero. Jednostką potencjału jest 1 wolt. Napięcie -  jest to różnica potencjału elektrostatycznego pomiędzy dwoma punktami obwodu elektrycznego lub pola elektrycznego. Napięcie elektryczne równe jest liczbowo pracy potrzebnej do przemieszczenia jednostkowego ładunku elektrycznego pomiędzy tymi punktami. Jednostką napięcia jest 1 wolt [1V]. MENU

9 Natężenie prądu - jest to skalarna wielkość fizyczna równa stosunkowi ładunku dq przepływającego przez  daną powierzchnię w ciągu bardzo małego czasu ,do długości dt tego przedziału . Jednostką natężenia prądu jest 1 amper [1A] I - natężenie q – ładunek każdego z nośników, t - czas Kondensator elektryczny – jest to przyrząd elektryczny zbudowany z dwóch (lub więcej) elementów wykonanych z przewodnika, rozdzielonych dielektrykiem. Elementy przewodzące nazywane są okładkami. Oporność elektryczna właściwa - wielkość charakteryzująca własności elektryczne materiału. Jest to oporność elektryczna opornika (opornik elektryczny) wykonanego z jednorodnego kawałka danego materiału o stałym jednostkowym polu przekroju i jednostkowej długości. Ze względu na oporność elektryczną właściwą materiały dzieli się na: przewodniki (ρ<10-4 Ωcm), izolatory, zwane inaczej dielektrykami (ρ>1010 Ωcm) i półprzewodniki (o zmiennych opornościach właściwych).

10 Rezystancja (opór, oporność[ - miarą oporu czynnego, z jakim element (opornik) przeciwstawia się przepływowi prądu elektrycznego. Zwyczajowo rezystancję oznacza się symbolem R. Jednostką rezystancji w układzie SI jest OM, której symbolem jest Ω. Dla większości materiałów rezystancja nie zależy od natężenia prądu, wówczas natężenie prądu jest proporcjonalne do przyłożonego napięcia. Zależność ta znana jest jako prawo Ohma: Gdzie: I — natężenie prądu elektrycznego U — napięcie elektryczne. Rezystancja przewodnika o jednakowym przekroju poprzecznym do kierunku przepływu prądu jest proporcjonalna do długości przewodnika, odwrotnie proporcjonalna do przekroju i zależy od materiału, co wyraża wzór: l — długość elementu, S — pole przekroju poprzecznego elementu, ρ — rezystywność przewodnika.

11 Izolatory i przewodniki prądu.
Przewodnik elektryczny - substancja, która dobrze przewodzi prąd elektryczny, a przewodzenie prądu ma charakter elektronowy. Przewodniki zbudowane są z atomów, od których łatwo odrywają się elektrony walencyjne (jeden, lub więcej), które z kolei tworzą wewnątrz przewodnika tzw. gaz elektronowy. Elektrony te ( gaz elektronowy) nie są już związane z konkretnym jonem dodatnim i mogą się swobodnie poruszać. Przewodniki znajdują szerokie zastosowanie do wykonywania elementów urządzeń elektrycznych. Do najpopularniejszych przewodników należą (uporządkowanie wg wzrostu przewodności właściwej): • 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, obecnie nie stosowane, • stal - własności podobne do żelaza, stosowane na elementy przewodzace aparatów elektrycznych, wymagające równocześnie wiekszej wytrzymalosci mechanicznej, • aluminium - kruche, dobre jako przewodnik, ma korzystny stosunek przewodnictwa do ceny materiału oraz masy przewodu, powszechnie stosowane na przewody w napowietrznych liniach elektroenergetycznych, MENU

12 • 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, • srebro - niemal idealne, najmniejszy opór elektryczny, droższe od miedzi i aluminium, technicznie czyste lub w postaci stopów stosowane powszechnie na styki elektryczne w łącznikach elektrycznych Izolator elektryczny - materiał, który nie przewodzi prądu elektrycznego (np. dielektryk). Izolatorami są np.: szkło, porcelana, specjalna guma, pewne rodzaje plastików, suche drewno, olej transformatorowy, suche powietrze, próżnia. Ciekawostką jest, że czysta chemicznie, tzn. wolna od soli mineralnych i bakterii woda też jest dobrym izolatorem. Mianem izolatory elektryczne określa się materiały lub wyroby z nich wykonane, w których występuje niska koncentracja nośników swobodnych (elektronów lub jonów), tzn. takich, które mogłyby się swobodnie poruszać w ich wnętrzu lub po ich powierzchni. Najistotniejszymi parametrami technicznymi charakteryzującymi izolatory elektryczne są: • napięcie przebicia - zwane czasem wytrzymałością elektryczną • prąd upływu • współczynnik strat dielektrycznych

13 Prawa związane z prądem elektrycznym.
Pierwsze prawo Kirchhoffa – prawo dotyczące przepływu prądu w rozgałęzieniach obwodu elektrycznego, sformułowane w 1845 roku przez Gustawa Kirchhoffa. Prawo to wynika z zasady zachowania ładunku czyli równania ciągłości. Wraz z drugim prawem Kirchhoffa umożliwia określenie wartości i kierunków prądów w obwodach elektrycznych. Obwody elektryczne Dla węzła w obwodzie elektrycznym prawo to brzmi: Dla węzła obwodu elektrycznego suma algebraiczna natężeń prądów wpływających(+) i wypływających(–) jest równa 0  lub Suma natężeń prądów wpływających do węzła jest równa sumie natężeń prądów wypływających z tego węzła. lub MENU

14 Ii jest natężeniem prądu płynącego przez opornik o oporze Ri.
Drugie prawo Kirchhoffa – zwane również prawem napięciowym, dotyczy bilansu napięć w zamkniętym obwodzie elektrycznym prądu stałego. Prawo to jest oparte na założeniu, że opisywany nim obwód nie znajduje się w zmiennym polu magnetycznym. Najczęściej prawo to jest formułowane w postaci: W zamkniętym obwodzie suma spadków napięć na oporach równa jest sumie sił elektromotorycznych występujących w tym obwodzie. Przy czym obwód ten może być elementem większej sieci. Wówczas nosi on nazwę oczka sieci. Prawo to zapisane równaniem ma postać:  – spadek napięcia na i-tym elemencie oczka - Siła elektromotoryczna k-tego źródła napięcia; Dla oporów omowych: Gdzie:  Ii jest natężeniem prądu płynącego przez opornik o oporze Ri.

15 Prawo Ohma – proporcjonalność napięcia U mierzonego na końcach przewodnika o oporze R do natężenia prądu płynącego przez ten przewodnik I. Wyraża się wzorem: Można je sformułować również następująco: natężenie prądu stałego I jest wprost proporcjonalne do całkowitej siły elektromotorycznej w obwodzie zamkniętym lub do różnicy potencjałów (napięcia elektrycznego U) między końcami części obwodu nie zawierającej źródeł siły elektromotorycznej. Prawo Ohma określa opór elektryczny przewodnika:

16 Przyrządy do pomiaru prądu elektrycznego.
Amperomierz - mierzy wartość chwilową prądu stałego lub prądu wolnozmiennego, amperomierz prądu przemiennego wartość skuteczną (rzadziej średnią) prądu przemiennego. Pomiaru natężenia prądu dokonuje się poprzez oddziaływanie przewodnika z prądem i pola magnetycznego budując następujące rodzaje amperomierzy: Magnetoelektryczny Elektromagnetyczny Elektrodynamiczny Indukcyjny MENU

17 Woltomierz - przyrząd pomiarowy za pomocą którego mierzy się napięcie elektryczne (jednostka napięcia wolt). Jest włączany równolegle do obwodu elektrycznego. Idealny woltomierz posiada nieskończenie dużą rezystancję wewnętrzną. W związku z tym oczekuje się pomijalnie małego poboru prądu przez cewkę pomiarową. Typy woltomierzy: Woltomierz magnetoelektryczny Woltomierz elektromagnetyczny Woltomierz elektrodynamiczny

18 Wpływ urządzeń elektrycznych na ŻYCIE CZŁOWIEKA.
1) Wpływ elektryczności na ten świat jest w obecnych czasach bardzo rozległy. Nigdy w historii nie było tylu dziedzin życia, w których by była użyta elektryczność. Spotykamy ją na każdym kroku. W domu jest zasilane prądem wiele przedmiotów, np. pralka, lodówka, komputer, oświetlenie, czajnik bezprzewodowy, itp. 2) Wielkie znaczenie ma ta energia w nauce i medycynie. Nauka o elektryczności rozwijała się wraz z wiekami. Już w starożytności znano elektryczność, lecz nie miała ona tak dużego zastosowania jakie ma dzisiaj. Jak każda rzecz, powinna być używana z umiarem, szczególnie jeśli chodzi o medycynę. 3) Prądem elektrycznym można uzdrowić wiele chorób, np. przywrócić pracę serca, ale można nim łatwo zabić, jak widzimy na przykładzie krzesła elektrycznego. 4) W przyrodzie widzimy wyładowania elektryczne w postaci piorunów w czasie burzy. Naładowane ujemnie chmury zderzają się z chmurami przeciwnego ładunku i powstaje piorun. 5) Elektryczność uzyskujemy różnymi metodami. Małe napięcie elektryczne występuje np. gdy potrzemy balonik wełnianą szmatką. Inne sposoby są używane w elektrowniach, np. energia słoneczna jest przechowana w bateriach. Ważne jest aby wykorzystywać źródła energii, które są odnawialne, inaczej będzie to miało bardzo ujemny skutek na środowisko. Coraz częściej widzimy wiatraki w polach, które wytwarzają tzw. czystą energię. Wykorzystują one jedynie wiatr. Musimy szanować przyrodę, inaczej sami siebie zniszczymy. Dobrze, że powstają nowe metody uzyskiwania czystej energii, w ten sposób chronimy  MENU

19 Doświadczenie 1. Pozyskanie prądu z organizmów organicznych.
Do doświadczenia potrzebujemy: 1 cytryna, 1 ziemniak, 1 ogórek, 4 rożne metale (elektrody) : gwóźdź ocynkowany, drut miedziany, pasek aluminium, 2 przewody, Przyrząd mierniczy (LAVO) MENU

20 Pozyskanie prądu z cytryny

21

22

23 Pozyskanie prądu z ogórka

24 Pozyskanie prądu z ziemniaka

25 Obserwacje i wnioski Obserwacje:
W cytrynę wciskane były różne pary elektrod: stal ocynkowana – miedź, aluminium – miedź, stal ocynkowana - aluminium. Największe wychylenie jednak zaobserwowaliśmy przy połączeniu drutu miedzianego z gwoździem ocynkowanym. Przy połączeniu miedzi z aluminium zauważyliśmy, że wskaźnik wychyla się w drugą stronę jednak po obróceniu cytryny wskaźnik wychyla się prawidłowo. Badaniom poddaliśmy także ogórka i ziemniaka, wyniki były bardzo zbliżone a wychylenia we wszystkich przypadkach nie wielkie. Wnioski: Skąd napięcie w organizmach organicznych jeśli nie są podłączone to żadnego źródła prądu? Elektrody wchodzą w reakcję z sokiem wewnątrz owoców i warzyw i wytwarzają energię elektryczną. Najlepszymi elektrodami jest miedź i stal ocynkowana ( gwóźdź). W przypadku połączenia miedzi i aluminium działa zasada elektrolizy, tzn. Elektroliza — w chemii i fizyce - ogólna nazwa na wszelkie zmiany struktury chemicznej substancji, zachodzące pod wpływem przyłożonego do niej zewnętrznego napięcia elektrycznego. W węższym zakresie pojęcie to obejmuje tylko procesy rozkładu. Elektrolizie towarzyszyć może (choć nie musi) szereg dodatkowych zjawisk, takich jak dysocjacja elektrolityczna, transport jonów do elektrod wtórne przemiany jonów na elektrodach i inne. W sensie technologicznym przez elektrolizę rozumie się wszystkie te procesy łącznie.

26 Mechanizm elektrolizy:
Elektroliza zachodzi w układach, w których występują substancje zdolne do jonizacji, czyli rozpadu na jony. Samo zjawisko jonizacji może być wywołane zarówno przyłożonym napięciem elektrycznym, jak i zjawiskami nie generowanymi bezpośrednio przez prąd - dysocjacją elektrolityczną autodysocjacją, wysoką temperaturą, czy działaniem silnym promieniowaniem. Proces elektrolizy jest napędzany wymuszoną wędrówką jonów do elektrod, zanurzonych w substancji, po przyłożeniu do nich odpowiedniego napięcia prądu elektrycznego. W elektrolizie elektroda naładowana ujemnie jest nazywana katodą, a elektroda naładowana dodatnio anodą. Każda z elektrod przyciąga do siebie przeciwnie naładowane jony. Do katody dążą więc dodatnio naładowane kationy, a do anody ujemnie naładowane aniony. Po dotarciu do elektrod jony przekazują im swój ładunek, a czasami wchodzą też z nimi w reakcję chemiczną, na skutek czego zamieniają się w obojętne elektrycznie związki chemiczne lub pierwiastki. Ponadto, wędrujące przez substancję jony mogą po drodze ulegać rozmaitym reakcjom chemicznym z innymi jonami lub substancjami, które nie uległy rozpadowi na jony. Powstające w ten sposób substancje zwykle albo osadzają się na elektrodach albo wydzielają się z układu w postaci gazu. Proces elektrolizy wymaga stałego dostarczania energii elektrycznej.

27 Doświadczenie 2. Sprawdzenie prawa Ohma. 1. SPIS PRZYRZĄDÓW:
- odcinek drutu aluminiowego o długości ok. 2 m - bateria płaska (4,5 V) - amperomierz - woltomierz przewody - przymiar metrowy - linijka MENU

28 2. SCHEMAT ZESTAWU DOŚWIADCZALNEGO
V Odcinek drutu aluminiowego A . . przewodnik bateria żarówka V woltomierz amperomierz A

29

30 3. KOLEJNOŚĆ WYKONYWANIA CZYNNOŚCI
1. Mierzymy trzykrotnie długość drutu (l). 2. Używając suwmiarki mierzymy średnicę drutu (d). 3. Montujemy obwód elektryczny według schematu (z pkt. 3). 4. Dokonujemy trzykrotnie pomiaru napięcia (U) oraz natężenia (I) prądu w obwodzie. 5. Zapisujemy wyniki w tabeli pomiarów. 6. Wyznaczamy oporność właściwą. 7. Wyciągamy wnioski.

31 4. TABELA POMIARÓW I WYNIKÓW
L.p. U (V) I (A) R (Ω) 1 3,5 0,25 14 2 3,6 0,26 ≈14 3 Śr. 3,53 0,253 ≈14 SŁOWNA Niepewności pomiarowe wprowadzają pomiary napięcia oraz natężenia, ponieważ zostały one dokonane za pomocą przyrządów, których dokładność mogła się zmniejszyć podczas dokonywania pomiarów.

32 5. ANALIZA DOŚWIADCZENIA
Wykres zależności natężenia prądu od napięcia. 0,25 0,2 0,1 U (V) 1 2 3 4 5 R (Ω) 20 Wykres zależności oporu od napięcia. 10 4 1 2 3 4 U (V)

33 6. WNIOSKI 1. Wykazaliśmy zależność między natężeniem prądu i napięciem w przewodniku. 2. Wykazaliśmy, iż natężenie jest wprost proporcjonalne do napięcia – tym samym potwierdziłem prawo Ohma. 3. Wykazaliśmy, że wartość oporu nie zależy od wysokości napięcia. 4. Doświadczalnie sprawdziłem prawo Ohma i zapoznałem się z teorią prądu elektrycznego.

34 Dziękujemy za poświęconą nam uwagę. !!!
Zespół Szkół Budowlanych w Żarach & Zespół Szkół Ponadgimnazjalnych w Kotowie Grupa projektowa matematyczno-fizyczna 97/87_MF_G1 97/24_MF_G1

35 35