Dane INFORMACYJNE

2. Dane INFORMACYJNE • Nazwa szkoły: • Gimnazjum im. Jana Pawła II w Mroczeniu • ID grupy: • 98/48_MF_G1 • Kompetencja: • Matematyczno-fizyczna • Temat projektowy: • Prąd elektryczny • Semestr/rok szkolny: • 2011/2012 semestr IV

3. PRĄD ELEKTRYCZNY

4. Parametry opisujące prąd

5. Natężenie prądu • Wielkością opisującą prąd elektryczny jest natężenie prądu elektrycznego I, które definiuje się jako stosunek ładunku, który przepływa przez poprzeczny przekrój przewodnika do czasu przepływu tego ładunku t: Jednostką natężenia prądu elektrycznego w układzie SI jest amper [A=C/s].

6. Gęstość prądu W ośrodkach ciągłych parametrem najlepiej charakteryzującym prąd elektryczny jest gęstość prądu, opisująca przepływ ładunku przez jednostkową powierzchnię . W odróżnieniu od natężenia prądu, które jest skalarem i nie jest przypisana do punktu przestrzeni, gęstość prądu jest wektorem, a rozkład przestrzenny gęstości prądu nazywa się polem, gęstości prądu.

7. Napięcie elektryczne Napięcie jest różnicą potencjałów między dwoma punktami obwodu (układu). Napięcie (podobnie jak sam potencjał) w układzie SI mierzymy w woltach (V). Napięcie różne od zera może występować tylko między dwoma istotnie różnymi (przedzielonymi jakimś źródłem, lub odbiornikiem prądu) punktami obwodu.

8. Prawa prądu elektrycznego

9. Pierwsze prawo Kirchhoffa • Suma natężeń prądów wpływających do węzła jest równa sumie • natężeń prądów wypływających z tego węzła. • Dla przypadku przedstawionego na rysunku • I prawo Kirchhoffa można więc zapisać w postaci:

10. Drugie prawo Kirchhoffa • Suma napięć na wszystkich elementach obwodu elektrycznego jest równa napięciu źródła U1 + U2 + U3 + ... + Un = Uz

11. Prawo Ohma • Stosunek natężenia prądu płynącego przez przewodnik do napięcia pomiędzy jego końcami jest stały. • I  - natężenie prądu (w układzie SI w amperach – A)U  - napięcie między końcami przewodnika (w układzie SI w woltach – V) Charakterystyka prądowo napięciowa przewodnika spełniającego prawo Ohma

12. Podział prądu

13. Podział prądu elektrycznego • Prąd stały • jest to prąd, którego wartość natężenia jest stała w funkcji czasu. W obwodzie elektrony poruszają się w sposób ciągły, w jednym kierunku.

14. Prąd zmienny: • jest to prąd, którego wartość natężenia jest zmienna w funkcji czasu. Elektrony poruszają się na przemian w jednym i drugim kierunku w przewodzie i we wszystkich elementach składowych obwodu.

15. Prąd okresowo zmienny: • jest to prąd zmienny, którego zmiany powtarzają się w czasie.

16. Prąd przemienny: • jest to prąd zmienny, którego kierunek przepływu zmienia się w czasie.

17. Prąd okresowo przemienny: • jest to prąd przemienny, którego zmiany powtarzają się w czasie.

18. Prąd sinusoidalny: • jest to prąd przemienny, którego wartość i kierunek natężenia, zmieniają się jak funkcja sinus (cosinus)

19. Źródła prądu

20. OGNIWA GALWANICZNE

21. Ogniwo Volty w pierwotnej wersji to stos monet z dwóch różnych metali, z których co druga para jest przełożona bibułą nasączoną elektrolitem, np. roztworem soli kuchennej . • Stos Volty z monet, np. 20 i 5 gr, przekładanych bibułą nawilżoną w słonej wodzie (20gr-5gr-bibuła-20gr-5gr itd.). Świeże monety, dobre kontakty i duży opór wewnętrzny użytego miernika pozwalają na odczyt napięcia około 4,5 V z 20 par monet (najlepsze są jednak stare polskie monety aluminiowe lub włoskie liry - jedna para przekładana bibułą nasączoną octem daje napięcie około 0,5 V; 0,20 i 0,05 Euro dają napięcie 0,1 V z pary, czyli są praktycznie bezużyteczne). Podstawka z karty telefonicznej, prowadnice z patyczków od lizaka

22. Inna oryginalna konstrukcja Volty to ogniwo składające się z szeregu naczyń szklanych z kwasem, połączonych za pomocą miedzianych i cynkowych blaszek . • Oryginalne ogniwa Volty (dwa stos monet i ciąg naczyń szklanych) znajdujące się w muzeum Volty w Como .

23. Proste ogniwo, wystarczające np. do zasilania zegarka ręcznego, można zbudować, używając blaszek z dwóch różnych metali, np. miedzi i aluminium, i używając jako elektrolitu np. ziemniaka lub cebuli. •  Zegar na warzywa. Można użyć cebuli, ziemniaka, pomidora, ogórka lub jakiegokolwiek innego elektrolitu organicznego lub nieorganicznego. Elektrody są z miedzi i aluminium.

24. Ogniwa przyszłości • Pomimo upływu 200 lat od wynalazku Volty, ogniwa galwaniczne pozostają nadal źródłami prądu we wszystkich telefonach komórkowych i komputerach przenośnych. Wiele problemów technologicznych, jak np. bezpieczeństwo baterii litowych, jest nadal nierozwiązanych . • Modne obecnie ogniwa paliwowe są "odwróceniem" elektrolizy wody. Działają one poniekąd analogicznie do akumulatora ołowiowego, gdzie dwie elektrody dostarczają do roztworu odpowiednie jony, które następnie rekombinują. W ogniwie paliwowym z dwóch elektrod dostarczane są do roztworu jony wodoru i tlenu, które rekombinując dają cząsteczkę H2O. Praktyczną trudnością realizacji ogniw paliwowych jest konieczność separacji dwóch części ogniwa - z jonami H+ i O- - używane są różnego rodzaju półprzepuszczalne bariery . Ogniwa paliwowe stanowią przyszłość napędu samochodów: już obecnie prototypy pojazdów takich firm, jak Ford i Chrysler, przystosowane do napędu wodorem i korzystające z ogniw paliwowych, osiągają parametry mocy i zasięgu takie, jak samochody benzynowe.

25. A to ciekawe • Umieszczając różne metale w dwóch kolumnach i podłączając te kolumny do dwóch biegunów miernika napięcia, można zbudować zabawny "miernik inteligencji" - tylko dotknięcie dłońmi ściśle określonych kombinacji elektrod daje dodatni odczyt napięcia. •   Zestaw do badania "potencjału intelektualnego" uczniów: dwie kolumny płytek z różnych metali (stal, aluminium, miedz, blacha ocynkowana) i woltomierz. Płytki z obu kolumn są podłączone (przewodami pod deską) do dwóch biegunów miernika. Układ pozwala na ciekawe doświadczenia interakcyjne: jak mierzone napięcie zależy od rodzaju płytek, stanu ich powierzchni, czy wreszcie od stopnia przygotowania ucznia do odpowiedzi (wilgotności dłoni).

26. Powstawanie potencjału galwanicznego jest również powodem "kwaśnego" smaku metalowej temperówki, w której korpus jest z aluminium a ostrze ze stali. •   "Kwaśna" temperówka - korpus z duraluminium, a ostrze ze stali nierdzewnej, oddzielone bibułą nawilżoną śliną, daje napięcie 1,08 V.

27. BATERIA

28. Jak powstaje prąd w bateriach • Każda bateria składa się z dwóch elektrod (przewodników prądu) i elektrolitu płynnego lub pasty przewodzącej prąd i właśnie dzięki reakcji elektrod z elektrolitem powstaje prąd elektryczny. Elektrody te mają połączenie z stalowymi biegunami baterii, z biegunem ujemnym i dodatnim i jeśli połączymy baterie razem i powstanie obwód zamknięty. Wówczas elektrony przepływają w sposób ciągły od bieguna ujemnego do bieguna dodatniego. Dzieje się tak, bo substancja jednej z elektrod w baterii zaczyna się rozpuszczać w elektrolicie. Innymi słowy atomy powoli rozpadają się i uwalniają jony dodatnie do elektrolitu znajdującego się w baterii, a elektrony z bieguna ujemnego do obwodu elektrycznego. Druga elektroda znajdująca się w baterii jest zrobiona z innego materiału niż ta pierwsza i z tego powodu nie rozpuszcza się w elektrolicie. Ta druga elektroda ma inne zadanie. Elektroda ta oddaje swoje elektrony jonom dodatnim elektrolitu, ale po pewnym czasie zaczyna brakować elektronów w elektrodzie, bo wszystkie przechodzą do elektrolitu. Przepływ w sposób ciągły elektronów z jednej elektrody do drugiej pokrywa braki elektronów w tej drugiej i w ten sposób tworzy się prąd w baterii.

29. akumulator

30. Zasada działania akumulatora kwasowego • Akumulator naładowany, tzn., że jest w stanie oddawać prąd, składa się z płyt siatkowych – ujemnych, pokrytych ołowiem (Pb) i dodatnich, pokrytych dwutlenkiem ołowiu (PbO2). Jeżeli płyt dodatnich jest n, to płyt ujemnych jest n+1. Płyty te umieszczone są w naczyniu napełnionym rozcieńczonym kwasem siarkowym o ciężarze właściwym 1,21 – 1,24. Gdy od akumulatora odbiera się prąd elektryczny, to kwas siarkowy rozpada się na H2 i SO4.

31. Na płytach ujemnych tworzy się siarczan ołowiu:Pb + SO4 => PbSO4 ,a na płytach dodatnich przebiega reakcja:PbO2 + H2 + H2SO4 => H2SO4 + 2H2O,wywiązuje się więc tez siarczan ołowiu.Gdy napięcie akumulatora spadnie należy go znowu naładować; rozładowanie poniżej napięcia 1,80 Volt jest niewskazane, gdyż powoduje nieodwracalne zmiany substancji czynnej elektrod, uniemożliwiające ponowne naładowanie. Podczas ładowania siarczan ołowiu zamienia się w ołów i w dwutlenek ołowiu, wytwarza się przy tym kwas siarkowy, przez co wzrasta ciężar właściwy roztworu.

32. Ładowanie akumulatora uskutecznia się prądem stałym, przy czym dodatni koniec przewodnika prądu łączy się z dodatnim uciskiem akumulatora, a ujemny z ujemnym. Gdy akumulator jest już naładowany, na obydwu płytach tworzą się bańki gazu, a napięcie wynosi 2,4 – 2,6 Volt. Spada ono wkrótce do wysokości normalnego napięcia 2 Volt, nawet gdy nie pobiera się z akumulatora prądu. Wskazane jest ładowanie akumulatora raz na 4 – 6 tygodni, także, gdy prądu nie pobierało się, gdyż z biegiem czasu następuje samowyładowanie i kwas ulatnia się. Można też naładować akumulator do normy i wylać z niego roztwór.

33. BUDOWA AKUMULATORAW tej części opisujemy najważniejsze elementy z jakich składa się akumulator znajdujący się w niemalże w każdym modelu samochodu jaki porusza się po naszych drogach.Akumulator: stanowi zestaw ogniw (baterię) połączonych ze sobą elektrycznie i zamkniętych w odseparowanych celach wewnątrz obudowy (bloku). W dwóch skrajnych ogniwach znajdują się znajdują się wyprowadzenia tak zwane „końcówki biegunowe” – dodatnią i ujemną. Końcówki biegunowe są przeznaczone do połączenia akumulatora z obwodem elektrycznym samochodu. Kratka: spełnia tę samą funkcję w zarówno ujemnych, jak i dodatnich płytach. Jest szkieletem konstrukcyjnym oraz przewodnikiem prądu elektrycznego.W nowoczesnych modelach akumulatorów kratki są znacznie cieńsze niż kiedyś, a to dlatego, że chcemy maksymalnie wykorzystać dostępną energię w akumulatorach, równocześnie obniżając ich ciężar. Płyta dodatnia (po naładowaniu ma barwę brązową) oraz płyta ujemna (po naładowaniu ma barwę szarą).

34. Separator: Jego zadaniem jest zapobieganie stykaniu się ze sobą płyt ujemnych i dodatnich. Zetknięcie płyt doprowadziłoby do zwarcia. Separator musi być porowaty tak, aby prąd mógł przepływać z jak najmniejszym oporem.Ogniwo: Zestaw płyt dodatnich i ujemnych oddzielony separatorami. Płyty dodatnie połączone są w jeden zespół, ujemne w inny. Akumulator: Składa się z ogniw, z których każde wytwarza napięcie rzędu 2,13 V. Aby jednak akumulator posiadał pożądane napięcie całkowite ogniwa te muszą być połączone szeregowo (przy połączeniu 3 ogniw napięcie wynosi około 6 v, a przy połączeniu 6 ogniw około 12 V). Najpopularniejsze w użytku są obecnie akumulatory 12 V.Obudowa akumulatora: Jest to blok z kwasoodpornego materiału obudowujący zestawy płytowe – najczęściej z polipropylenu lub ebonitu. Elektrolit: Rozcieńczony czysty kwas siarkowy, w którym zostają zanurzone płyty dodatnie i ujemne. Poza uczestnictwem w procesie aktywacji materiału czynnego płyt elektrolit przewodzi także pomiędzy nimi prąd elektryczny.

35. Gniazdo sieciowe

36. Co w gniazdku piszczy? • Zasilanie urządzeń to zmora naszych czasów. Pomyślmy bowiem, co stałoby się, gdyby zabrakło na stałe zasilania z sieci napięcia przemiennego? Ludzkość cofnęłaby się w jednym momencie do epoki kamienia łupanego. No, może przesadziliśmy, bo jeszcze przez parę godzin działałyby generatory prądotwórcze i urządzenia zasilane bateryjnie, ale czas ten byłby swoistym pożegnaniem z epoką cudów elektroniki. Strach pomyśleć. A swoje rozważanie o zasilaniu rozpoczęliśmy dlatego w tak czarnych kolorach, aby podkreślić wagę tematu. Jeżeli bowiem coś jest ważne, warto nad tym się zastanowić i choć trochę poznać.

37. Faza • Jeśli chcemy zmierzyć wartość napięcia zasilania w gniazdku, przełączamy multimetr na woltomierz napięcia przemiennego, zaś zakres pomiarowy woltomierza na co najmniej 230 V lub większy(tutaj 700 V). • Skoro wspomniałem o przewodach fazowych, trzeba wyjaśnić w czym rzecz. Przy napięciu stałym występują bieguny zasilania dodatni i ujemny. Przy rozważaniu układów zasilania napięciem przemiennym taki podział nie występuje, zamiast tego operujemy pojęciem przewodu fazowego. Jest to jeden z przewodów w gniazdku, znajdujący się pod napięciem 230 V. • Drugi z przewodów w gniazdku nazywamy neutralnym i na nim napięcie nie występuje. Dlaczego tak jest? Po prostu – w największym skrócie – przewód neutralny jest „podłączony” do potencjału ziemi i z tego powodu, stojąc na niej, nie wystąpi na nas spadek napięcia, jak np. na żarówce i, mówiąc potocznie, przewód neutralny nas nie „kopnie” (jednak nie radzę tego sprawdzać w domu). Na przewodzie fazowym występuje, w stosunku do ziemi, pełne napięcie fazowe i dotknięcie takiego przewodu spowodowałoby, że stalibyśmy się obciążeniem dla rozdzielni miejskiej i skończyłoby się to śmiercią albo trwałym kalectwem.

38. TRÓJFAZÓWKA • Użyłem terminu napięcie fazowe i od razu pomyśleliśmy, że warto wspomnieć, że dziś w zasadzie prawie każde domostwo ma przyłączoną instalację zasilania trójfazowego. Aby maksymalnie prosto to wytłumaczyć przyjmijmy, że mamy do dyspozycji trzy osobne przewody fazowe i wspólny dla nich przewód neutralny. Mierząc napięcie pomiędzy poszczególnymi fazami a przewodem neutralnym okazało by się, że mamy trzy źródła zasilania 230 V. • Napięcie mierzone pomiędzy przewodem fazowym a neutralnym nazywamy napięciem fazowym i dla nas, w Polsce i całej Unii Europejskiej, wynosi ono 230 V. Jeżeli mierzylibyśmy napięcie pomiędzy fazami sieci trójfazowej, a więc pomiędzy poszczególnymi przewodami fazowymi, okazałoby się, o zgrozo, że panuje tam napięcie około 400 V! To napięcie nazywamy międzyfazowym i przyznajemy się, że jako mali chłopcy mieliśmy bliskie spotkanie z takowym.

39. Gniazda trójfazowe, zgodne z dzisiejszymi normami, mają gniazdo ochronne o większej średnicy i są jednoznacznie opisane. • Posiadanie sieci napięcia trójfazowego daje zwiększone możliwości zasilania. Spotkaliśmy się z zasilaniem np. w blokach mieszkalnych, gdzie znajdowały się trzy mieszkania na klatce schodowej i poszczególne piony mieszkań zasilane były z oddzielnych faz. Jaka była złość, gdy pani Z. wybiła zabezpieczenie pierwszego pionu i – co za tym idzie – nikt w nim nie miał napięcia, a reszta bloku miała. Ale wracając do tematu – istotne jest, aby korzystając z zasilania trójfazowego, do jednej fazy podłączać sprzęt audio, zaś np. zasilanie systemu oświetleniowego powierzyć innej fazie, gdyż dzięki temu zmniejszymy wpływ zakłóceń na sprzęt audio emitowanych przez sterowniki oświetleniowe. A co jeszcze ważniejsze, jeżeli do gniazda sieci napięcia trójfazowego podłączamy rozdzielnicę elektryczną, musimy być pewni, że jej wtyk przyłączeniowy jest kompatybilny elektrycznie z gniazdem sieci. W innym przypadku może nastąpić sytuacja, gdzie napięcie fazowe znajdzie się np. na obudowie, a transformator zasilający w sprzęcie po prostu się spali, bo zasilony został z napięcia międzyfazowego. Gniazda trójfazowe, zgodne z dzisiejszymi normami, mają gniazdo ochronne o większej średnicy i są jednoznacznie opisane, ale pomysłowość i zaradność ludzka nie zna granic. Oczywiście w większości przypadków spotykać się będziemy z zasilaniem jednofazowym, a tutaj pomyłki są rzadkością.

40. Bateria słoneczna

41. Typowy system korzystający z baterii słonecznych składa się z następujących elementów: • samych baterii słonecznych, zamontowanych na dachu budynku, na specjalnie skonstruowanym stelażu, albo tzw. solartracku (stelażu, który obraca się w kierunku słońca), • akumulatorów, • przetwornicy prądu stałego na prąd zmienny, • sterownika ładowania akumulatorów.

42. Najważniejsze cechy baterii słonecznych (ogniw fotowoltaicznych), limitujących ich zastosowanie na co dzień, są dwie. Po pierwsze, wytwarzają one prąd stały. Po drugie, działają tylko wtedy, gdy świeci słońce. Wytwarzanie prądu stałego jeszcze nie jest zbyt dużym ograniczeniem. Wystarczy bowiem kupić odbiornik prądu korzystający z prądu stałego, a nie zmiennego. Na rynku jest masa sprzętu domowego dostosowanego do popularnych napięć 12/24V (zaprojektowanych do pracy w przyczepach kempingowych). Oczywiście trzeba przewidzieć w domu osobną instalację elektryczną. Ale to się da zrobić . Zdecydowanie nie da się jednak obejść tego, że baterie słoneczne dają prąd tylko wtedy, gdy świeci słońce. Dlatego autonomiczny system na baterie słoneczne musi być zaopatrzony w pokaźny zestaw baterii. Moim zdaniem powinien on zaspokajać zapotrzebowanie na prąd w okresie co najmniej tygodnia, lub więcej, jeśli system ma tylko baterie słoneczne jako źródło energii.

43. Baterie słoneczne (ogniwa fotowoltaiczne) są to urządzenia elektroniczne, które wykorzystują zjawisko fotowoltaiczne do zamiany światła na prąd elektryczny. Każde małe ogniwo wytwarza mały prąd, ale duża ilość ogniw, wzajemnie połączonych jest w stanie wytworzyć prąd o użytecznej mocy. Ogniwa są zbudowane z krystalicznego krzemu domieszkowanego warstwami lub z cienkich warstw półprzewodników, zwykle uwodnionego krzemu amorficznego odpowiednio domieszkowanego (czasami arsenku galu). Sprawność ogniw w laboratoriach wynosi około 15%, natomiast stosowanych komercyjnie 4 - 8%. Wykorzystuje się je w elektrowniach słonecznych, do ogrzewania domów, w małych zegarkach i kalkulatorach, a przede wszystkim w przestrzeni kosmicznej, gdzie promieniowanie słoneczne jest dużo silniejsze.

44. Prądnica w elektrowni

45. Prądnica prądu stałego - prądnica, przetwarzająca energię mechaniczną ruchu obrotowego na energię elektryczną prądu stałego. Składa się z części nieruchomej zwanej stojanem i z części ruchomej, zwanej wirnikiem. Wirnik służy do wytwarzania prądu elektrycznego. Wiruje on w polu magnetycznym wytwarzanym przez magnes stały lub uzwojenie stojana zasilane zewnętrznym źródłem prądu stałego. Prąd elektryczny jest odbierany z komutatora znajdującego się na osi wirnika przy pomocy szczotek grafitowych, umieszczonych na stojanie.Prądnice prądu stałego były niegdyś stosowane w pojazdach do zasilania urządzeń elektrycznych pojazdu oraz ładowania akumulatora rozruchowego, zostały jednak stopniowo wyparte przez alternatory, charakteryzujące się większą wydajnością i niezawodnością oraz mniejszymi gabarytami.

46. Dynamo rowerowe

47. Dynamo – dawna nazwa prądnicy, aktualnie rzadko używana. Obecnie nazwa stosowana potocznie tylko dla prądnic rowerowych napędzanych przez obracające się koło rowerowe. Dynamo rowerowe jest miniaturowym alternatorem, w którym wirnik jest magnesem trwałym, a w stojanie znajduje się uzwojenie otoczone magnetowodem przełączającym kierunek pola magnetycznego przy obrocie magnesu. To zmienne względem uzwojenia obwodu elektrycznego pole magnetyczne indukuje siłę elektromotoryczną, która jest przyczyną płynięcia prądu elektrycznego powodującego świecenie żarówki w lampce rowerowej. Dynama montowane są też w piaście koła, co powoduje znaczną poprawę sprawności przetwarzania energii mechanicznej na elektryczną, a tym samym mniejszy opór i większy komfort jazdy rowerzysty. Jasność świecenia lampki zależy od prędkości obrotów koła (szybkości jazdy roweru). W przypadku zatrzymania roweru dynamo nie wytwarza prądu, a lampka rowerowa gaśnie, co jest największą wadą najprostszej instalacji elektrycznej opartej na dynamie. Odpowiednimi układami elektronicznymi można ten efekt zniwelować.

48. Ciekawostka • Rowerowe dynamo przystosowane do zasilania w energię elektronicznych gadżetów to coś, na co wiele osób czekało. PedalPower+ to sprzęt zdolny do ładowania telefonów, odtwarzaczy mp3 oraz np. odbiorników nawigacji satelitarnej. Stworzenie takiego sprzętu nie było rzeczą łatwą - typowe, stosowane kiedyś dynama zasilające zamontowane na rowerze oświetlenie, w swojej pierwotnej postaci nie nadają się do ładowania nowoczesnej mobilnej elektroniki. Australijczycy opatentowali rozwiązanie, które umożliwia wykorzystanie specjalnego huba podłączanego pomiędzy dynamem (tradycyjnym) a stacją bazową z ładowarką lub montowanego w piaście koła (z przodu lub tyłu) dynama wraz z odpowiednim okablowaniem. Oba rozwiązania oferują stabilne napięcie 5v / 600mA. Uniwersalna, współpracująca z dynamem ładowarka dla baterii oraz sprzętu montowana jest w mocowaniu na kierownicy, wyposażonym w odpowiednie regulacje.

49. elektrownie