Gdy płynie PRAD

1. Gdy płynie PRAD

3. Dane informacyjne • Nazwa szkoły: - I Liceum Ogólnokształcące im. Marii Skłodowskiej-Curie w Pile • ID grupy: - 97/70_MF_G1 • Kompetencja: - matematyczno-fizyczna • Temat : • Gdy płynie prąd • Semestr: IV - zimowy - 2011/2012

4. Gdy płynie prąd

5. Bez prądu Brak prądu to: brak oświetleni i ogrzewania: Nie kursują pociągi , tramwaje i metro. Nie działa sygnalizacja świetlna na skrzyżowaniu, lodówka , komputer i winda. Nie można zadzwonić, wysłać faksu, pójść do kina-to tylko kilka niedogodności wynikających z braku prądu. Energia elektryczna pełni w życiu człowieka wiele funkcji. Jej wykorzystanie podniosło standard naszego życia tak bardzo, że trudno nam wyobrazić sobie jak wyglądało życie zanim zaczęto jej używać. A zaczęło się tak...

6. William Gilbert (1540-1603) Angielski fizyk i lekarz, Odkrywca zjawiska magnetyzmu ziemskiego, indukcji magnetycznej i elektryzowania się ciał na skutek tarcia. Jako pierwszy przeprowadził ok. 1600r szczegółowe badania magnetyzmu i wykazał, że oprócz bursztynu można naelektryzować jeszcze wiele materiałów. Gilbert wprowadził do języka angielskiego nowe terminy, takie jak biegun magnetyczny, siła magnetyczna czy przyciąganie magnetyczne. Jako pierwszy spopularyzował termin "elektryczność".

7. Charles Dufay (1670-1736) Sformułował teorię o dwóch rodzajach elektryczności, podobnie do dwóch biegunów magnes. Odkrył, iż działania elektryczne mogą być przenoszone z miejsca na miejsce poprzez różne metale i wilgotne włókna. Substancje te nie elektryzują się przez pocieranie. Zostały one nazwane przez naukowca "przewodnikami". Badania Gray'a dowiodły, iż elektryczność nie może być podobna do "fluidu" Gilberta, gdyż nie jest na trwałe związana z substancją.

8. Beniamin Franklin (1706-1790) Stworzył teorię elektryzowania dodatniego i ujemnego, co udowodnił na przykładzie butelki lejdejskiej. Stwierdził, że ciała naelektryzowane jednakowo odpychają się, zaś naelektryzowane różnoimiennie - przyciągają się. Przeprowadził szereg doświadczeń z latawcami, udowadniając, że ładunki elektryczne spływające z chmur burzowych po wilgotnym sznurze mogą naładować butelkę lejdejską. To on wymyślił zabezpieczenie przed wyładowaniami elektrycznymi poprzez uziemienie. Uważany jest więc za wynalazcę piorunochronu, choć w podobnym czasie tego samego odkrycia dokonał w Europie czeski uczony Václav Prokop Diviš.

9. Charles Coulomb Augustin (1736-1806) Od 1773 całkowicie poświęcił się pracom badawczym dotyczącym magnetyzmu, teorii maszyn prostych i elektrostatyki. Od 1781 członek francuskiej Akademii Nauk. W 1785 na podstawie wielu precyzyjnych eksperymentów, przeprowadzonych za pomocą wagi skręceń sformułował prawo nazwane od jego nazwiska prawem Coulomba, będące podstawowym prawem elektrostatyki. W 1789 wprowadził pojęcie momentu magnetycznego. Od jego nazwiska pochodzi jednostka ładunku elektrycznego - kulomb.

10. Luigi Galvani (1737-1798) Był prekursorem badań elektrofizjologicznych. W 1786 roku dokonał słynnego odkrycia, że przy jednoczesnym dotknięciu mięśnia wypreparowanej kończyny żaby dwoma różnymi metalami - połączonymi ze sobą jednym końcem - mięsień kurczy się. Natomiast w 1794 roku doświadczeniem polegającym na wywołaniu skurczu mięśnia udowego żaby przez nałożenie nań przeciętnego nerwu kulszowego ostatecznie udowodnił istnienie zjawisk elektrycznych w tkankach zwierzęcych.

11. Aleksandro Volta (1745-1827) Odkrył, że warunkiem przepływu prądu elektrycznego jest obecność minimum dwóch metali (przewodników pierwszej klasy) i elektrolitu (przewodnika drugiej klasy) połączonych w obwód. Na tej podstawie w 1800 r. zbudował pierwsze prototypowe ogniwo tzw. "stos Volty", które składało się z warstw: srebra, wilgotnego kartonu i cynku. Kiedy Volta połączył srebro i cynk drutem, uzyskał efekt ciągłego przepływu elektryczności przez drut.Volta badał również powstawanie ładunków elektrycznych przy zetknięciu dwóch metali. Oprócz stosu zbudował również elektrofor, elektrometr, kondensator i audiometr.

12. Hans Oersted (1777-1851) W 1803 r. odkrył niezależnie od Davy'ego, że w bateriach Volty lepsze efekty daje zastosowanie roztworów kwasów niż soli. Jego najważniejszym odkryciem było stwierdzenie zależności, że igła umieszczona równolegle do przewodu odchyla się, gdy przez przewód przepływa prąd elektryczny. Dzięki temu powstał później elektromagnes, który w połączeniu z baterią Volty wykorzystano przy tworzeniu telegrafu elektrycznego. Elektromagnes wykorzystano również w aparacie telefonicznym, którego słuchawka przekształciła się w głośnik. Jednak najważniejszym następstwem dokonanego odkrycia przez Oersteda było stworzenie przez Faradaya magnetycznego generatora prądu elektrycznego.

13. Ampere Andre Marie (1775-1836) Rozwinął odkrycie Oersteda dotyczące oddziaływania prądu elektrycznego na igłę magnetyczną, poprzez ogłoszenie "reguły pływaka", która pozwala ustalić kierunek odchylenia igły pod wpływem oddziaływania prądu. Powiązał odkrycie Oersteda ze znanym zjawiskiem oddziaływania na siebie dwóch magnesów . Ampere stwierdził, że jeżeli przewód, przez który płynie prąd elektryczny, odpycha magnes w postaci igły magnetycznej, to jest on również swojego rodzaju magnesem. Odkrył, że zwinięcie przewodu w cewkę umożliwia zwielokrotnienie ich sił magnetycznych. Następnie okazało się, że elektromagnes z rdzeniem żelaznym wywiera silniejsze działania niż cewka bez tego rdzenia.

14. Michael Faraday (1791-1867) W 1831 r. odkrył zjawisko indukcji elektromagnetycznej, co przyczyniło się do powstania elektrodynamiki. W latach 1833-34 sformułował prawa elektrolizy i wprowadził nomenklaturę dla opisu tego zjawiska .Stworzył podstawy elektrochemii. Faraday odkrył zjawisko samoindukcji, zbudował pierwszy model silnika elektrycznego. W 1845 r. stwierdził, że diamagnetyzm jest powszechną właściwością materii, odkryty przez niego paramagnetyzm – właściwością szczególną niektórych jej rodzajów. Wprowadził pojęcie linii sił pola i wysunął twierdzenie, że ładunki elektryczne działają na siebie za pomocą takiego pola.W 1825 r. odkrył benzen, wydzielił naftalen, heksachloroetan, koloidalne złoto. Był też twórcą prostej metody skraplania gazów.

15. Gustaw Kirchhoff (1824-1887) W latach 1845-1848 odkrył prawa przepływu prądu elektrycznego stanowiące podstawę teorii obwodów elektrycznych, nazwane później na jego cześć prawami Kirchhoffa. Zasługą Kirchhoffa w dziedzinie zjawisk świetlnych, a w szczególności analizy spektralnej, było odkrycie absorpcji światła, co umożliwiło identyfikację pierwiastków znajdujących się na Słońcu i na innych obiektach kosmicznych. Dzięki analizie spektralnej odkrył pierwiastki: cez i rubid.

16. Nikola Tesla (1856-1943) Był autorem 112 patentów, głównie rozmaitych urządzeń elektrycznych, z których najsławniejsze to silnik elektryczny, prądnica prądu przemiennego, autotransformator, dynamo rowerowe, radio, elektrownia wodna, bateria słoneczna, turbina talerzowa, transformator Tesli (rezonansowa cewka wysokonapięciowa) i świetlówka. Stworzył też podstawy teoretyczne konstrukcji radia i choć sam wynalazek radia przypisuje się komu innemu, dopiero zastosowanie jego teorii umożliwiło rzeczywisty rozwój radiofonii i telewizji na świecie. Nikola Tesla był m.in. twórcą pierwszych urządzeń zdalnie sterowanych drogą radiową.

17. Thomas Alva Edison (1847-1931) Wśród wynalazków: udoskonalenie telefonu Bella przy użyciu cewki indukcyjnej i mikrofonu węglowego, fonograf (1877), żarówka elektryczna (1879). W latach 1891–1900 pracował nad udoskonaleniem magnetycznej metody wzbogacania rud żelaza, W 1883 odkrył emisję termoelektronową, w 1904 zbudował akumulator zasadowy niklowo-żelazowy. Zorganizował w Menlo Park pierwszy na świecie instytut badań naukowo-technicznych, w 1881–82 zbudował w Nowym Jorku pierwszą na świecie elektrownię publicznego użytku, był właścicielem wielu przedsiębiorstw w Ameryce Północnej i Europie.

18. Stephen Gray (1670-1736) Odkrył, iż działania elektryczne mogą być przenoszone z miejsca na miejsce poprzez różne metale i wilgotne włókna, przy czym substancje te nie elektryzują się przez pocieranie. Dzięki temu odkryciu podzielił on ciała na izolatory i przewodniki. Badania Gray'a dowiodły, iż elektryczność może być przenoszona z miejsca na miejsce i nie jest na trwałe związana z substancją. Podczas doświadczeń przy użyciu metalowych przewodów odkrył, że osoba połączona drutem z ciałem silnie naelektryzowanym doznawała silnego wstrząsu. Od tego momentu elektryczność stała się modna.

19. Skutki przepływu prądu świetlne mechaniczne magnetyczne cieplne chemiczne

20. PRĄD ELEKTRYCZNY • Prądem elektrycznym nazywamy uporządkowany ruch cząstek naładowanych • Jako prąd można traktować zarówno ruch pojedynczego elektronu np. ruch elektronu na orbicie atomu ,jak i ruch wielkiej liczby ładunków. • Wyładowanie burzowe w postaci pioruna jest krótkotrwałym ruchem uporządkowanym wielkiej liczby ładunków elektrycznych. • Prądy wykorzystywane w technice mogą płynąć zarówno przez materię ,jak i przez próżnię. • Ciała, przez które prąd przepływa – to przewodniki • Ciała ,w których trudno wywołać przepływ jonów lub elektronów – to izolatory • Ciecze przewodzące prąd elektryczny nazywamy elektrolitami • Warunkiem przepływu prądu jest różnica potencjału na końcach przewodnika

21. OBWODY PRĄDU ELEKTRYCZNEGO • Źródło prądu i odbiornik ,połączone przewodnikami w zamkniętą pętlę, nazywamy obwodem prądu albo obwodem elektrycznym

22. Elementy obwodu elektrycznego

23. Elektryczność ze związków chemicznych • By możliwy był ciągły przepływ prądu w obwodzie muszą znajdować się elementy, które będą zwiększać potencjalną energię elektryczną nośników ładunku kosztem innych typów energii (chemicznej, mechanicznej, cieplnej, świetlnej...) • Takie elementy będziemy nazywać źródłami prądu Najprostsza jednostka wytwarzająca prąd elektryczny – ogniwo –składa się z dwóch płytek z różnych metali zanurzonych w roztworze .Płytki te nazywamy elektrodami; elektroda dodatnia –anoda elektroda ujemna – katoda Ciecz zdolna do przewodzenia elektryczności to elektrolit. Wymyślono wiele typów ogniw. Niektóre zawierały silne kwasy lub inne chemikalia w charakterze elektrolitu. Ważnym postępem było „ suche” ogniwo Leclanchego. Ostatnieosiągnięcia to ogniwa alkaliczne lub inne długowieczne

24. OGNIWO VOLTY Ogniwo Volty zbudowane jest z elektrod : cynkowej i miedzianej , zanurzonych w wodnym roztworze kwasu siarkowego. Elektrolit ten jest zbyt aktywny w stosunku do cynku i cały czas rozpuszcza tę ujemną elektrodę. Z kolei na dodatniej elektrodzie miedzianej wydziela się w czasie pracy ogniwa gazowy wodór ,powstający ze zobojętniania elektronami dodatnich jonów wodoru. Warstewka wodoru gazowego przylega do elektrody i praktycznie przerywa przepływ prądu. Te wady ogniwa Volty przekreślają jego zastosowania techniczne

25. STOSY VOLTY W celu zwiększenia uzyskiwanego napięcia i dopuszczalnego natężenia prądu ogniwa łączy się w baterie (niegdyś nazywane stosami)

26. OGNIWA Obecnie jednym z częściej używanych ogniw jest ogniwo Leclanche'go Bezpośrednim źródłem SEM w ogniwie Leclanchégo są reakcje utlenienia cynku (elektroda cynkowa) i redukcji jonów amonowych (elektroda węglowa): Zn → Zn2+ + 2e- 2NH4+ + 2e- → 2NH3 + H2↑ Powstający amoniak jest wiązany przez kationy cynkowe w kompleks tetra amina cynkowy (II): Zn2+ + 4NH3 → [Zn(NH3)4]2+ Natomiast powstający wodór jest wiązany przez tlenek manganu (IV), który pełni rolę depolaryzatora: 2MnO2 + H2 → Mn2O3 + H2O

27. TERMOPARY Jeżeli połączymy dwa różne przewodniki (A i B na rysunku) i ich spojenia będziemy utrzymywać w różnej temperaturze, to w obwodzie wystąpi siła elektromotoryczna i popłynie prąd Zjawisko to nazywamy termoelektrycznością Termopary są używane zarówno do wytwarzania siły elektromotorycznej, jaki i do pomiaru temperatury .

28. AKUMULATORY • Ogniwa galwaniczne są to urządzenia do bezpośredniej zamiany energii chemicznej w elektryczną. Zachodzą przy tym reakcje chemiczne powodujące praktycznie nieodwracalne zużycie ogniwa. • Akumulatory umożliwiają również bezpośrednią zamianę energii chemicznej w elektryczną; zachodzące przy tym reakcje chemiczne są odwracalne. Akumulatory można zatem ładować, zamieniając energią elektryczną w chemiczną i następnie wyładować jako źródło energii elektrycznej.

29. Prąd elektryczny w gazach • W zwykłych warunkach gaz to dielektryk i warunkiem niezbędnym do przepływu przezeń prądu jest jego jonizacja. • Jonizacja, zjawisko odrywania elektronów od atomu w wyniku czego z obojętnego elektrycznie atomu powstaje naładowany dodatnio jon i swobodne elektrony Jonizacja gazu może zachodzić pod wpływem rozmaitych bodźców zewnętrznych np. wysokiej temperatury (ok. 100 000 K), zderzeń cząsteczek gazu z jonami Przepływ prądu elektrycznego przez gaz nazywamy wyładowaniem w gazie. Wyróżnia się wyładowanie: jarzeniowe, iskrowe ,łukowe ,koronowe

30. Prąd elektryczny w gazach • Przewodzenie elektryczne gazu może odbywać się na kilka sposobów i jest przy tym bardzo efektowne. • Pierwszym sposobem przewodzenia jest przewodnictwo elektronowe, które zachodzi w próżni i gazach o bardzo małych ciśnieniach, przy niewielkich różnicach napięć. • Przewodnictwo jonowe, które można wywołać w gazie przez wytworzenie jonów przy pomocy różnych metod np. wysokiej temperatury. • Trzeci sposób to przewodzenie samoistne, które zachodzi w gazach przez samoistne podtrzymanie procesu tworzenia jonów w wyniku zderzeń cząstek przyśpieszanych polem elektrycznym.

31. Wyładowanie jarzeniowe • Wyładowanie jarzeniowe - wyładowanie elektryczne w gazach, podczas którego gaz emituje światło. Efekt ten można otrzymać w gazach przy niskich ciśnieniach Wyładowania te wykorzystuje się między innymi w technikach oświetleniowy: lampa neonowa lampa rtęciowa lampa sodowa lampa halogenowa

32. Wyładowanie iskrowe Wyładowanie iskrowe, jeden z rodzajów przepływu prądu elektrycznego w gazie, występuje przy względnie wysokim ciśnieniu (np. atmosferycznym), polega na wytworzeniu się (dzięki dużej różnicy potencjałów i spowodowanej nim jonizacji) kanału plazmowego (plazma), przez który płyną ładunki elektryczne, towarzyszy jej fala akustyczna, silne świecenie kanału i jego wysoka (ok. 10 000 K) temperatura. W naturze obserwuje się wyładowania iskrowe zachodzące na dużych dystansach (piorun).

33. Łuk elektryczny Łuk elektryczny – ciągłe wyładowanie elektryczne zazwyczaj w gazie pod ciśnieniem normalnym (atmosferycznym) lub wyższym. Wyładowanie zachodzi pomiędzy dwiema elektrodami z materiału przewodzącego prąd elektryczny lub między stykami łącznika elektrycznego w trakcie wyłączania prądu elektrycznego. Łuk elektryczny stosowany jest do wytwarzania światła w lampach łukowych. Używa się go w syntezie chemicznej i przy spawaniu elektrycznym, w hutniczych piecach łukowych. W obszarze łuku elektrycznego gaz jest silnie zjonizowany, stanowi plazmę. Jej temperatura zależy od natężenia prądu, rodzaju elektrod, rodzaju i ciśnienia gazu. Pod ciśnieniem atmosferycznym i przy przepływie prądu 1 A wynosi ona 5000–6000 K (ok. 4720–5720 °C).

34. Wyładowania koronowe • Wyładowanie ulotowe ( ulot, wyładowania koronowe z ang. corona discharge) – wyładowanie elektryczne spowodowane przez jonizację gazu otaczającego przewodnik, które pojawia się kiedy potencjał przekracza pewną wartość, ale warunki są niewystarczające do przebicia lub powstania łuku. Wyładowania koronowe umożliwiają wytworzenie naładowanych powierzchni. Efekt ten jest wykorzystywany w kserokopiarce. Wyładowania koronowe pozwalają na usuwanie pyłów z powietrza w systemach klimatyzacji Usuwanie niepożądanych substancji organicznych takich jak pestycydy, rozpuszczalniki, składniki broni chemicznej z powietrza

35. Prąd w gazach • Dlaczego gaz emituje światło ? Zjonizowane atomy nie żyją zbyt długo, po czasie ok 10-8 sek. wracają do swojego stanu podstawowego, ale nie mogą zrobić tego tak po prostu. Muszą oddać energię, którą pochłonęły w procesie jonizacji. Oddają ją emitując kwant światła I właśnie oddawana energia pochodząca od rekombinujących jonów jest źródłem "jarzenia" się gazu.

36. Zdjęcia przedstawiające przepływ prądu w gazach

37. Prąd w gazach - zdjęcia

38. Prąd w gazach - zdjęcia

39. Prąd w gazach - zdjęcia

40. Prąd w gazach - zdjęcia

41. Prąd elektryczny w cieczach • Przepływ prądu elektrycznego w cieczach polega na uporządkowanym ruchu jonów. • Czysta woda jest izolatorem, gdyż jej cząstki są elektrycznie obojętne

42. Odkryte dzięki elektryczności • W 1800 roku W.Nicholson i A.Carlisle wykorzystując do swoich eksperymentów stosy Volty zauważyli pęcherzyki wydobywające z kropli wody na powierzchni stosu. Przepuszczając prąd elektryczny przez naczynie z wodą zaobserwowali przy elektrodach pęcherzyki gazu. Przy jednej wydzielił się wodór a przy drugiej tlen. To prąd elektryczny spowodował reakcję chemiczną rozszczepiając wodę na dwa pierwiastki • Wkrótce badaniem objęto inne substancje. • Humphry Davy nadał elektrolizie rozgłos , uzyskując pierwszy raz czysty potas i sód. • Dzisiejsze korzyści z elektrolizy to powlekanie metalami , rafinacja miedzi otrzymywanie aluminium z jego rudy, produkcja chloru, itd

43. Przykłady wykorzystania elektrolizy Schemat elektrolizera do nakładania powłok galwanicznych; A (anoda) – metal powłokowy, K (katoda) – pokrywany przedmiot

44. Elektryczne właściwości materiałów Materiały, wykazujące w swojej strukturze obecność elektronów swobodnych, określamy jako przewodniki. Umożliwiają one przepływ tzw. „elektronowego” prądu elektrycznego .

45. Elektryczne właściwości materiałów • Materiały pozbawione elektronów swobodnych, blokują przepływ prądu elektrycznego i nazywają się dielektrykami (izolatorami)

46. Elektryczne właściwości materiałów • Półprzewodniki – wykazują własności pośrednie między przewodnikami a dielektrykami. • Budowa wewnętrzna półprzewodnika jest podobna do izolatora. Różnica polega tylko na tym ,że elektrony półprzewodnika łatwiej odrywają się od jąder atomowych • Podgrzewając lub oziębiając półprzewodnik można sprawić, że będzie on zachowywał się jak przewodnik lub izolator krzem german

47. Zastosowanie półprzewodników Laser półprzewodnikowy używany w napędach dysków CD Diody emitujące promienie światła widzialnego

48. Nadprzewodnictwo Nadprzewodnictwo to zjawisko polegające na zaniku oporu elektrycznego obserwowane w pewnych metalach. Namagnesowany przedmiot lewituje nad nadprzewodnikiem Schłodzonym do temperatury przejścia

49. Natężenie prądu Jednostką natężenia prądu jest amper {1A} 1A=1C/1s

50. Gęstość prądu elektrycznego • Do jakościowej analizy przepływu prądu elektrycznego przez przewodniki, wykorzystuje się pojęcie gęstości prądu elektrycznego. • Gęstością prądu elektrycznego nazywamy stosunek natężenia prądu przepływającego przez przekrój poprzeczny przewodnika do wielkości tego przekroju j = I/S { j }=1A/m2