Dane INFORMACYJNE (do uzupełnienia)

2. Dane INFORMACYJNE (do uzupełnienia) • Nazwa szkoły: • Zespół Szkół Ponadgimnazjalnych • ID grupy: • 97/55_mf_g1 • Kompetencja: • Matematyczno-fizyczna • Temat projektowy: • Elektryczność w służbie człowieka • Semestr/rok szkolny: • Semestr II, rok szkolny 2010/2011

3. Elektryczność w służbie człowieka

4. Co nazywamy prądem elektrycznym? Prąd elektryczny – uporządkowany (skierowany) ruch ładunków elektrycznych. W naturze przykładami są wyładowania atmosferyczne, wiatr słoneczny, czy czynność komórek nerwowych, którym również towarzyszy przepływ prądu. W technice obwody prądu elektrycznego są masowo wykorzystywane w elektrotechnice i elektronice.

5. Prąd Elektryczny w życiu człowieka

6. Wpływ prądu elektrycznego na życie człowieka Intensywność działania prądu elektrycznego zależy od jego natężenia (natężenie zaś zależy od napięcia w obwodzie elektrycznym i oporu skóry) i częstotliwości (prąd zmienny jest niebezpieczniejszy od prądu stałego). Działanie prądu elektrycznego na organizm człowieka polega głównie na pobudzeniu układu nerwowego i mięśni. Przez okres działania prądu mogą wystąpić skurcze w: mięśniach szkieletowych i sercu, mięśniach ramienia i dłoni (tzw. "przyklejenie się do przewodu"), które ustępują dopiero po wyłączeniu prądu. Jego działanie na serce może spowodować zaburzenie rytmu, a nawet zatrzymanie akcji serca, zaś skurcze mięśni są przyczyną upadku i mechanicznych uszkodzeń ciała.

7. Wpływ działania prądu elektrycznego na układ krążenia i układ oddechowy Nasze serce jest odpowiedzialne za przepływ krwi w całym naszym organizmie. W czasie przepływu prądu przez organizm, przez serce przepływa tylko niewielka jego część. Jednak nawet tak mała wartość może doprowadzić do śmierci człowieka. W przypadku gdy następuje porażenie prądem zmiennym o częstotliwości 50 - 60 Hz, dochodzi wtedy do tzw. migotania komór serca. Jest to proces bardzo niebezpieczny, i jest bardzo trudno odwracalny. Wystąpienie migotania komór serca zależy przede wszystkim od czasu działania porażenia prądem. Jednak w przypadku krótkotrwałego porażenia, istotnym jest fakt, na jaki moment w cyklu serca przypadnie to porażenie. Jeśli będzie to początek rozkurczu serca, w czasie, którego jest przerwa w pracy serca, to wówczas prawdopodobieństwo wystąpienia migotania komórek sercowych jest bardzo wysokie. W przypadku, gdy porażenie elektryczne trwa nie dłużej niż 0,2s to prawdopodobieństwo wystąpienia migotania jest bardzo małe. Podczas przepływu prądu elektrycznego, narażony na niebezpieczne zmiany jest także układ oddechowy. Porażenie elektryczne bezpośrednio powoduje zaburzenia oddychania, poprzez bezpośrednie działanie prądu na mózg. W wyniku tego ośrodek odpowiedzialny za prawidłowe zarządzanie procesem oddychania może zostać nagle zablokowany. To z kolei może doprowadzić do zahamowania funkcji oddychania, przerwy w dostawie tlenu, co może dalej prowadzić do śmierci. Mówiąc bardziej zwięźle, podczas porażenia elektrycznego, następuje do zaniku akcji oddechowej, co może prowadzić do uduszenia.

8. Wpływ działania prądu elektrycznego na układ nerwowy W czasie porażenia elektrycznego, układ nerwowy zostaje wpierw nagle pobudzony, a następnie porażony. To z kolei może spowodować nagłą utratę przytomności u człowieka. Efekt ten może wynikać zasadniczo z porażenia układu krwionośnego, w czasie którego może dojść do migotania komór serca, a nawet do zatrzymania akcji serca, lub też poprzez bezpośredni przepływ prądu przez mózg. Sam przepływ prądu przez czaszkę człowieka może spowodować, wydzielenie się dużych ilości ciepła, które z kolei mogą spowodować nieodwracalne zmiany w mózgu.

9. Wpływ działania prądu elektrycznego na kości, mięśnie i skórę Jak już wspomniano wcześniej, sam przepływ prądu powoduje wydzielanie się dużych ilości ciepła, w miejscach przez które przepływa. Może to spowodować nieodwracalne zmiany w ciele człowieka. Najbardziej powszechnym skutkiem wydzielenia się dużych ilości ciepła, są różnego rodzaju uszkodzenia skóry w postaci oparzeń. W miejscach gdzie kontakt z przewodnikiem był bezpośredni, czyli tam gdzie nastąpiło zetknięcie się ciała człowieka z materiałem przewodzącym prąd, może pojawić się zaczerwienienie, powstanie pęcherzy oparzeniowych , a w skrajnych przypadkach zwęglenie i martwica skóry. Jest to o tyle niebezpieczne, gdyż takie oparzenia mogą być powodować rozkład tkanek, które z kolei mogą prowadzić do śmierci nawet kilka dni po porażeniu. Prąd gdy przeniknie przez skórę do wnętrza organizmu, może spowodować zniszczenia w tkance mięśniowej i kostnej. Przepływ prądu, może doprowadzić do gwałtownych skurczów mięśnie, w wyniku których włókna mięśniowe mogą zostać pozrywane. Sama struktura włókien mięśniowych także może ulec znacznym zmianom.

10. Pośredni wpływ działania prądy elektrycznego Prąd elektryczny może także być niebezpieczny, nawet gdy nie przepływa przez ciało człowieka. Takim przykładem może być tzw. łuk elektryczny, który może powstać w miejscach o bardzo wysokim natężeniu prądu, lub w przypadkach zwarcia elektrycznego. Sam kontakt ciała z łukiem elektrycznym, może prowadzić do powstania poważnych poparzeń, które na ciele objawiać się mogą w postaci ran ciętych, lub podobnych do kłutych. Może on też spowodować zapalenie się ubrań na ciele człowieka, które także mogą być źródłem oparzeń. Może także doprowadzić do uszkodzenia narządu wzroku, wskutek swego świetlnego lub cieplnego działania. Często porażenia takim łukiem powstają przy pracy przy liniach wysokiego napięcia. Wtedy to taki łuk może doprowadzić do naturalnej gwałtownej reakcji obronnej, która z kolei może spowodować upadek człowieka z dużej wysokości.

11. Modele Instalacji elektrycznej domowej na których pracowaliśmiy

12. Prąd stały i zmienny Prąd stały charakteryzuje się stałymi wartością natężenia oraz kierunkiem przepływu. Większość układów elektronicznych zasilana jest prądem stałym. Mogą być zasilane bezpośrednio z baterii lub akumulatorów. Dla urządzeń, które są zasilane z sieci energetycznej stosuje się zasilanie prądem stałym wytwarzanym przez zasilacze sieciowe. Prąd zmienny to prąd elektryczny, którego wartość natężenia zmienia się w czasie. Prąd zmienny nieokresowy może reprezentować prąd o dowolnej zmienności w czasie (czarna krzywa na rysunku), może też prąd zmieniający się zgodnie z określoną funkcją matematyczną lub w sposób zdeterminowany zjawiskiem fizycznym. Potocznie termin prąd zmienny stosowany jest często do prądu okresowego o przebiegu sinusoidalnym.

13. Prąd elektryczny w materii Pod wpływem pola elektrycznego (przyłożonego napięcia) w materiałach, w których istnieją ruchliwe nośniki ładunku dochodzi do zjawiska przewodzenia prądu elektrycznego.

14. Umownie przyjęło się wyznaczać kierunek przepływu prądu poprzez opisanie ruchu ładunków dodatnich

15. Źródła prądu elektrycznego Prąd elektryczny w przewodnikach płynie od potencjału wyższego, do potencjału niższego. By było to możliwe, w obwodzie zamkniętym musi znajdować się element, który zapewni dostarczenie nośników ładunku z punktów o niższym potencjale do punktów o wyższym potencjale, czyli w kierunku przeciwnym do działającego na nie pola elektrycznego. Wymaga to dostarczenia energii i dzieje się w elementach nazywanych źródłami prądu. Rolę chwilowego źródła energii w obwodzie może pełnić również element inercyjny (mający zdolność gromadzenia energii) – uprzednio naładowany kondensator, albo cewka indukcyjna z energią zgromadzoną w jej polu magnetycznym.

16. Wielkości opisujące prąd elektryczny Natężenie prądu Gęstość prądu Jednostką natężenia prądu elektrycznego w układzie SI jest amper [A]. Wielkość 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. q – ładunek każdego z nośników, t – czas

17. Prawa związane z prądem elektrycznym • Pierwsze prawo Kirchhoffa • Drugie prawo Kirchhoffa • Prawo Ohma (dla obwodu elektrycznego)

18. Pierwsze prawo Kirchhoffa 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. Suma natężeń prądów wpływających do węzła jest równa sumie natężeń prądów wypływających z tego węzła. Węzeł z prądami wpływającymi i wypływającymi

19. Drugie prawo Kirchhoffa Drugie prawo Kirchhoffa – zwane również prawem napięciowym, dotyczy bilansu napięć w zamkniętym obwodzie elektrycznym prądu stałego. Prawo to zostało sformułowane przez niemieckiego fizyka Gustava Kirchhoffa. W zamkniętym obwodzie suma spadków napięć na oporach równa jest sumie sił elektromotorycznych występujących w tym obwodzie

20. Przykładem prądu elektrycznego, przewodzonego przez powietrze jest piorun

23. Co to jest kondensator? Kondensator - jest to element elektryczny (elektroniczny), zbudowany z dwóch przewodników (okładek) rozdzielonych dielektrykiem. Kondensator o zmiennej pojemności, stosowany w starych odbiornikach radiowych

24. Zastosowanie kondensatorów Kondensatory, wraz z rezystorami, należą do podstawowych elektronicznych elementów pasywnych. Poniższy podział kondensatorów ze względu na podstawowe obszary zastosowań nie jest ścisły. Te same lub podobne typy kondensatorów mogą być wykorzystywane w różnych dziedzinach, zaś o ich przydatności w określonej grupie zastosowań decydują - oprócz pojemności, również parametry dodatkowe, takie jak napięcie przebicia, polaryzacja, opór szeregowy (doprowadzeń) i równoległy (upływność), pasożytnicza indukcyjność doprowadzeń i okładek, szczytowy prąd impulsu, długoczasowa stałość parametrów (odporność na starzenie się), stabilność temperaturowa (stałość pojemności w szerokim przedziale temperatur), zakres temperatur pracy, czy wreszcie parametry takie jak kształt i rozmiar (stopień miniaturyzacji).

25. Kondensatory w układach zasilających W zasilaczach i stabilizatorach napięcia kondensatory pozwalają na podtrzymanie wartości chwilowej napięcia w przerwach pomiędzy kolejnymi impulsami prądu dopływającego z prostownika, ograniczają wahania napięcia i pozwalają na chwilowy pobór prądu o natężeniu znacznie przewyższającym wartość skuteczną lub średnią. W klasycznych zasilaczach transformatorowych stosuje się najczęściej kondensatory elektrolityczne o dużej pojemności.

26. Kondensatory przeciwzakłóceniowe W układach wytwarzających zakłócenia związane z szybkimi skokami pobieranego prądu (takich, jak silniki elektryczne, iskrowniki, tyrystorowe układy sterujące) kondensatory są elementami filtrów ograniczających przedostawanie się zakłóceń do sieci energetycznej (zob. jakość energii elektrycznej) oraz powstawanie zakłóceń radiowych. Kondensatory przeciwzakłóceniowe mają najczęściej niską rezystancję i indukcyjność doprowadzeń oraz wysokie napięcie przebicia, powinny umożliwiać przepływ prądu o dużej wartości chwilowej.

27. Kondensatory do filtrów i układów czasowych Kondensatory są podstawowymi elementami analogowych filtrów pasywnych i aktywnych, służących do kształtowania charakterystyki częstotliwościowej określonych części układów (np. wzmacniaczy). Filtry i układy czasowe zbudowane w oparciu o kondensatory i rezystory noszą nazwę układów RC zaś filtry zawierające również cewki (w szczególności, układy rezonansowe) to elementy RLC.

28. A także wiele innych przykładów, a mianowicie: Kondensatory elektrolityczne Kondensatory elektrolityczne aluminiowe Kondensatory tantalowe Kondensatory foliowe Kondensatory ceramiczne Kondensatory powietrzne Kondensatory strojeniowe Kondensatory blokujące Kondensatory sprzęgające

29. Zależność pojemności od kształtu i rozmiaru Pojemność kondensatora kulistego Pojemność kondensatora płaskiego Pojemność kondensatora walcowego • gdzie: • l – długość okładek kondensatora walcowego, • r1 – promień wewnętrznej okładki kondensatora, • r2 – promień zewnętrznej okładki kondensatora. • gdzie: • r1 – promień wewnętrznej okładki kondensatora, • r2 – promień zewnętrznej okładki kondensatora. • gdzie: • S – powierzchnia okładek kondensatora, • d – odległość między okładkami.

30. Połączenie szeregowe kondensatorów Połączenie szeregowe (obwód szeregowy) jest to taki rodzaj połączenia elementów elektrycznych, w którym koniec jednego elementu łączy się z początkiem następnego. Połączenie takie tworzy szereg (łańcuch) elementów, w którym prąd elektryczny musi przepływać kolejno przez wszystkie elementy (natężenie prądu ma więc taką samą wartość dla wszystkich elementów w połączeniu szeregowym). - Pojemność zastępczą kondensatorów połączonych szeregowo obliczamy ze wzoru:

31. Połączenie równoległe kondensatorów Połączenie równoległe (obwód równoległy) jest to taki rodzaj połączenia elementów elektrycznych, w którym wszystkie końce oraz wszystkie początki składowych elementów są połączone razem. Połączenie takie tworzy odpowiednią ilość gałęzi, w których mogą płynąć różne prądy, ale które zasilane są takim samym napięciem elektrycznym. - Pojemność zastępczą kondensatorów połączonych równolegle obliczany ze wzoru:

32. Siła elektromotoryczna Siła elektromotoryczna (SEM) – czynnik powodujący przepływ prądu w obwodzie elektrycznym równy energii elektrycznej uzyskanej przez jednostkowy ładunek przemieszczany w urządzeniu (źródle) prądu elektrycznego w przeciwnym kierunku do sił pola elektrycznego oddziałującego na ten ładunek. Siła elektromotoryczna jest najważniejszym parametrem charakteryzującym źródła energii elektrycznej zwane też źródłami siły elektromotorycznej, są nimi prądnice (prądu stałego i przemiennego), baterie, termopary, fotoogniwa

33. Najważniejsze zależności gdzie: P - moc wydzielona w obwodzie; I - natężenie prądu elektrycznego;

34. Źródła siły elektromotorycznej prądnica baterie fotoogniwa termopara

35. Łączenie oporników szeregowych i równoległych. Połączenie szeregowe Przy łączeniu oporników w szereg ich rezystancja zastępcza jest sumą poszczególnych oporników.  Rz = R1 + R2 + R3 itd. Połączenie równoległe Łącząc oporniki równolegle odwrotność rezystancji  wypadkowej jest sumą odwrotności poszczególnych oporników składowych.  1 / Rz = (1 / R1) + (1 / R2) + (1 / R3)  itd.

36. Zjawisko indukcji elektromagnetycznej • Zjawisko indukcji elektromagnetycznej polega na pojawianiu się (indukcji) w obwodzie siły elektromotorycznej SEM, podczas przemieszczania się względem siebie obwodu i źródła pola magnetycznego. • Wyidukowana siła elektromotoryczna powoduje pojawienie się w obwodzie prądu indukcyjnego. • Prawem rządzącym tym zjawiskiem jest prawo indukcji Faradaya. Mówi ono, że siła elektromotoryczna SEM indukowana w obwodzie jest równa zmianie szybkości strumienia magnetycznego przechodzącego przez ten obwód. Zależność tą można przedstawić w postaci równania:

37. Znak minus dotyczy kierunku siły elektromotorycznej. • Strumień magnetyczny dla płaskiego obwodu , w jednorodnym polu magnetycznym można przedstawić wzorem: • gdzie B jest wektorem indukcji magnetycznej, S wektorem powierzchni a kątem między nimi. • Zmian strumienia a w konsekwencji indukcję prądu w obwodzie można dokonać nie tylko przez zmianę poszczególnych wektorów , ale także przez zmianę kąta między nimi. Ten ostatni sposób wykorzystuje się w prądnicach. • Przepływem prądu indukowanego w obwodzie rządzi tzw. reguła Lenza. Mówi ona, że prąd indukowany ma taki kierunek, że wytwarzany przez niego strumień magnetyczny przeciwstawia się zmianom, które go wywołały. W praktyce kierunek ten można wyznaczyć za pomocą tzw. reguły lewej dłoni. • Prąd płynący w obwodzie wytwarza własny strumień magnetyczny, który przenika przez ten obwód. W momencie gdy natężenie tego płynącego prądu ulega zmianie to zmianie ulega również indukowany strumień magnetyczny. Tak więc zgodnie z prawem Faradaya w obwodzie powstaje siła elektromotoryczna SEM. • Zjawisko to nazywa się samoindukcją lub indukcją własną, a siłę SEM siłą elektromotoryczną samoindukcji. • Jeśli obwód zawiera N zwojów to siłę elektromotoryczną • samoindukcji można przedstawić wzorem:

38. Gdzie to tzw. współczynnik indukcji własnej lub indukcyjność. Wyrażany jest w henrach [H]. • Zjawisko indukcji elektromagnetycznej wykorzystywane jest m.in. urządzeniu zwanym transformatorem. • W transformatorze dwie cewki osadzone są na tym samym rdzeniu z ferromagnetyka. Prąd zmienny płynący w jednej z cewek indukuje siłę elektromotoryczną w drugiej cewce. Powstaje więc prąd indukcyjny. • Stosunek napięć w obu zwojnicach wygląda następująco: • gdzie N1 to liczba zwojów w cewce pierwotnej, a N2 to liczba zwojów w cewce wtórnej. Poprzez regulację liczby zwojów w cewkach można zmieniać napięcia. Ma to duże znaczenie przy przesyłaniu energii. Aby uniknąć start mocy na liniach przesyłowych zmienia się niskie napięcia na wysokie, aby następnie przed odbiorem znowu zmienić je na niskie. • Dla transformatorów spełniona jest zależność: n2/n1=u2/u1=p - przekładnia transformatora • 1) n2>n1=>u2>u1=>p>1 - transformator podnoszący napięcie • 2) n2<n1=>u2<u1=>p<1 - transformator obniżający napięcie. • Jeżeli siła elektromotoryczna indukcji E zmienia się w czasie zgodnie z zależnością: • to płynący w obwodzie prąd nosi nazwę prądu przemiennego .Prądy takie wzbudzane są w pojedynczych obwodach RLC. • Jeżeli przez opornik R płynie prąd przemienny to natężenie tego prądu zmienia się w czasie również sinusoidalnie, zgodnie z zależnością: • gdzie :

39. Budowa oraz sposób funkcjonowania silnika prądu stałego Silnik elektryczny prądu stałego zbudowany jest z dwóch magnesów zwróconych do siebie biegunami różnoimiennymi, tak aby pomiędzy nimi znajdowało się pole magnetyczne. Pomiędzy magnesami znajduje się przewodnik w kształcie ramki podłączony do źródła prądu poprzez komutator i ślizgające się po nim szczotki. Przewodnik zawieszony jest na osi, aby mógł się swobodnie obracać. BUDOWA: 1) stojan z magnesem trwałym; 2) wirnik z uzwojeniem twornika – prostokątna ramka z drutu; 2) szczotki – doprowadzające prąd do uzwojenia twornika; 3) komutator – pierścień ze stykami – wyprowadzenia z ramki (uzwojenia twornika); 4) wyjścia do zasilania.

40. Sposób funkcjonowania silnika prądu stałego Prosty silnik prądu stałego z trwałymi magnesami. W uzwojeniu wirnika płynie prąd, wokół wirnika powstaje pole magnetyczne. Lewa strona wirnika jest odpychana przez lewy biegun trwałego magnesu w prawo, powodując obrót wirnika Gdy wirnik osiągnie położenie pionowe, komutator zmienia kierunek płynącego przez elektromagnesy wirnika prądu, zmieniając kierunek wytworzonego pola magnetycznego. Proces powtarza się. Schemat pracy silnika elektrycznego prądu stałego Wirnik kontynuuje obrót.

41. Zastosowanie silnika prądu stałego silniki trakcyjne w lokomotywach, elektrycznych zespołach trakcyjnych, tramwajach i trolejbusach

42. Budowa i zasada działania prądnicy Głównymi częściami prądnicy jest stojan (nieruchoma część związana z obudową) oraz wirnik (rotor, część wirująca wewnątrz stojana). Uzwojenie cewki umieszczonej w wirniku prądnicy przecina linie pola magnetycznego wytwarzanego przez uzwojenie wzbudzające i dzięki temu indukuje się w nim zmienna siła elektromotoryczna.

43. Elektrownia wiatrowa Elektrownia wiatrowa to zespół urządzeń produkujących energię elektryczną, wykorzystujących do tego turbiny wiatrowe. Energia elektryczna uzyskana z wiatru jest uznawana za ekologicznie czystą, gdyż, pomijając nakłady energetyczne związane z wybudowaniem takiej elektrowni, wytworzenie energii nie pociąga za sobą spalania żadnego paliwa.

44. Przykład elektrowni wiatrowej

45. Elektrownia wodna Elektrownia wodna to zakład przemysłowy zamieniający energię spadku wody na elektryczną.

46. Elektrownia atomowa Elektrownia jądrowa – obiekt przemysłowo-energetyczny (elektrownia cieplna), wytwarzający energię elektryczną poprzez wykorzystanie energii pochodzącej z rozszczepienia jąder atomów.

47. Elektrownia cieplna Elektrownia cieplna – zespół urządzeń produkujący energię elektryczną wykorzystując do tego celu szereg przemian energetycznych, wśród których istotne znaczenie odgrywa ciepło.

48. Elektrownia węglowa Elektrownia węglowa – elektrownia cieplna, w której paliwem jest węgiel brunatny lub węgiel kamienny.

49. Elektrownia geotermiczna Elektrownia geotermiczna, inaczej geoelektrownia. Wytwarza prąd elektryczny z energii geotermicznej (ciepło wnętrza Ziemi).

50. Drgania Szczególnymi rodzajami drgań rozpatrywanymi w fizyce są: drgania mechaniczne (ruch drgający): wahadło matematyczne, ciało na sprężynie, wahadło fizyczne, drgania cząsteczek sieci krystalicznych, drgania strun instrumentów muzycznych, drgania powietrza itp. drgania elektryczne: okresowe zmiany natężenia prądu np. w układzie kondensatora i cewki itp. drgania elektromechaniczne: np. drgania krystalicznych sieci jonowych, drgania plazmy w polu magnetycznym lub elektrycznym itp. Bez względu na drgającą wielkość stosuje się podział ruchu drgającego ze względu na własności matematyczne funkcji opisującej drgania lub, co jest równoważne, na równania opisujące zachowanie się układu drgającego. Wyróżnia się: drgania okresowe drgania nieokresowe