Dane INFORMACYJNE

2. Dane INFORMACYJNE • Nazwa szkoły: • Gimnazjum nr 5 im. T. Kościuszki w Pile • ID grupy: 98/27_MF_G2 • Kompetencja: matematyczno-fizyczna • Temat projektowy: Wiwat elektryczność! • Semestr/rok szkolny: semestr 5 / 2011/2012

3. SPIS TREŚCI • Historia. • Elektryczność dawniej i dziś. • Elektryczność. • Ważne postaci. • Przewodniki. • Izolatory. • Zjawisko przebicia. • Półprzewodniki.

4. SPIS TREŚCI • 9. Nadprzewodnictwo. • 10. Model Bohra. • 11. Elektroskop, elektrofor, kondensator i ogniwo elektryczne. • 12. Mierniki elektryczne. • 13. Zadania z elektrostatyki. • 14. Nasze doświadczenia.

5. Starożytny Egipt – co i jak ? • Odkrycia archeologiczne dokonane w XX wieku wskazują na dwa miejsca Starożytności, których mieszańcy prawdopodobnie znali zjawisko elektryczności. Krajami tymi były: starożytny Egipt oraz tereny pomiędzy Eufratem, a Tygrysem. • Ślady wskazujące na to, iż kapłani egipscy znali zjawisko elektryczności można zauważyć dzięki rysunkom naściennym pozostawionym w świątyniach. Na reliefach uwidocznione są zamknięte naczynia w kształcie lampy, w których zamknięte są węże, ułożone na podobieństwo dzisiejszych żarników. Do naczyń dochodzą przewody, wyprowadzane z naczyń poprzez zatopione w nich pręty.

7. Materialnych dowodów na posługiwanie się starożytnych ludów elektrycznością dostarczyły wykopaliska prowadzone w latach 30 i 80 - tych XX wieku przez niemieckich archeologów w okolicach Bagdadu. W trakcie prac wykopaliskowych natknięto się tam na gliniane dzbany, w środku których zamocowano odizolowany od naczyń cylinder z miedzianej blachy, w którego środek wprowadzono stalowy pręt. • Wysunięta przez badacza hipoteza, iż naczynia te przypominają ogniwa elektryczne znalazła potwierdzenie w eksperymencie, w czasie którego cylinder napełniono różnego rodzaju kwasami naturalnymi. Okazało się, iż między cylindrem, a prętem wystąpiła różnica potencjału świadcząca o prawdziwości założenia o odnalezieniu protoplasty współczesnej baterii. • Najstarsze odkryte naczynia w kształcie ogniw galwanicznych odnalezione na terenie dzisiejszego Iraku pochodzą z okresu ok. 2500 lat przed naszą erą.

8. Starożytny Rzym i Grecja • Wkład cywilizacji Starożytnych Greków w naukę o elektryczności to zdefiniowanie pojęcia atomu. Twórcami teorii istnienia cząstek elementarnych, opartych na rozważaniach filozoficznych, byli w IV w.p.n.e Demokryt z Abdery oraz Epikur. Tales z Miletu jako pierwszy zauważył elektrostatyczne właściwości bursztynu, które opisał. Kontynuatorem teorii atomistycznej Greków był Rzymianin - Titus Lucretius Carus, autor dzieła „O naturze wszechrzeczy”. Teorie filozofów greckich, choć oparte jedynie o hipotezy i proces myślowy doprowadziły do powstania podwalin racjonalnej teorii studiów nad Światem, traktowanej jako początek nowoczesnej nauki.

9. Od Renesansu do Romantyzmu • Właściwie dopiero wiek XVI przyniósł definicję elektryczności - stworzył ją William Gilbert. Kontynuował on eksperymenty Talesa i dzięki temu dokładnie w 1600 roku odkrył, że poprzez pocieranie elektryzuje się nie tylko bursztyn, ale również inne ciała stałe. • Dwa naelektryzowane ciała odpychają się - takie stwierdzenie poczynił jako pierwszy Niccolo Cabeo. • Podstawową różnicę między magnetyzmem a elektrycznością zauważył jeszcze w 1551 roku Girolamo Cardano, który pokusił się o stwierdzenie, że naturalne właściwości magnetytu, a elektryzowanie się bursztynu to dwa różne zjawiska. • Autorem kolejnego istotnego odkrycia był nijaki Stephen Grey, który udowodnił, że elektrony przemieszczają się po wilgotnych przewodnikach oraz za pomocą metali. Tak powstało pojęcie "przewodnika".

10. Beniamin Franklin • Ciekawym momentem w dziejach elektryczności było doświadczenie Beniamina Franklina. Współautor amerykańskiej deklaracji niepodległości oraz konstytucji w swoim eksperymencie z latawcem w czasie burzy odkrył, że chmury są naładowane elektrycznie, natomiast że błyskawica jest wielkim wyładowaniem elektrycznym. Franklin jest również autorem dwu praw, które są kamieniem węgielnym elektrostatyki: zasady zachowania ładunku elektrycznego oraz indukcji elektrostatycznej. • Z kolei Charles Coulomb sformułował dwa kolejne ważne prawa: o odpychaniu się jednoimiennych ładunków oraz przyciąganiu się różnoimiennych. Wyliczył także, że siły działające między ładunkami są proporcjonalne do iloczynu tych ładunków i odwrotnie proporcjonalne do odległości pomiędzy nimi podniesionej do potęgi drugiej. Charles Coulomb

11. W 1771 roku Galvani przeprowadził ciekawy eksperyment na żabim udku, czy nóżce – przyłożone do mięśnia dwa różne metale powodowały drgania mięśnia. Ten eksperyment był podstawą do odkrycia przepływu prądu elektrycznego. Zjawisko to zinterpretował dobrze Alessandro Volta. Stwierdził on mianowicie, że dwie różne elektrody przyłożone do mokrego ciała wywołują reakcję chemiczną. • Był też konstruktorem pierwszego na świecie ogniwa galwanicznego, do budowy którego wykorzystał srebrne i złote płytki i odseparował je od siebie papierem.

12. Wiek XIX • W 1820 roku Ampere zapoczątkował już nową dziedzinę fizyki, czyli elektrodynamikę, opisując siłę pola elektromagnetycznego, które jest wytwarzane przez prąd. • Następnym ważnym odkryciem było ustalenie przez Michaela Faradaya w 1830 roku, że magnes przesuwany w pobliżu przewodu w kształcie spirali powoduje przepływ prądu. Zasada indukcji elektromagnetycznej została wykorzystana później przez Lenza, który skonstruował silnik elektryczny. • Kolejnym ważnym wkładem w naukę o elektryczności było matematyczne opisanie przez Maxwella zależności pomiędzy polem magnetycznym i elektrycznym. Jest on również autorem teorii fal elektromagnetycznych.

13. Jeszcze pod koniec XIX wieku Marconi nadał pierwszy w historii telegram za pomocą transmisji radiowej. Innymi znanymi wynalazcami korzystającymi praktycznie ze zjawiska elektryczności byli:1. Morse - wynalazca telegrafu2. Bell - wynalazca telefonu3. Edison - wynalazca żarówki i fonografu. 4. Tesla - konstruktor generatora prądu zmiennego5. Dobrowolski - konstruktor prądnicy prądu trójfazowego6. Roentgen - odkrywca promieniowania X

14. A dziś… • …elektryczność jest wygodną i stosunkowo tanią formą przesyłania energii i obecnie trudno sobie wyobrazić życie bez energii elektrycznej. • Obecnie naukowcy zajmują się opracowaniem tańszych metod wytwarzania i przekształcania energii elektrycznej, zwiększaniem wydajności istniejących urządzeń, opracowywaniem jeszcze lepszych materiałów na przewodniki i izolatory itp. Istotną sprawę stanowi ochrona życia i mienia. Mimo iż elektryczność jest już żywiołem ujarzmionym, ciągle nierozważne posługiwanie się nią może być przyczyną nieszczęścia. Choć większość praw i reguł rządzących światem elektrycznym wydaje się być znana, ciągle jeszcze pozostaje wiele do odkrycia lub rozwinięcia.

15. ELEKTRYCZNOŚĆ • To ogół zjawisk wynikających z oddziaływań elektromagnetycznych pomiędzy cząstkami mikroświata. • Istnienie zjawisk elektrycznych znane już było w starożytności, odnosiło się jednak wyłącznie do zdolności przyciągania drobnych przedmiotów drewnianych przez potarty bursztyn

16. ROZWÓJ ELEKTRYCZNOŚCI • W XVI w. William Gilbert wprowadził pojęcie sił elektrycznych. W 1729 r. angielski badacz Stephen Gray podzielił ciała na izolatory i przewodniki, a w 1734 r. Charles-François de Cisternay Du Fay stwierdził istnienie dwóch rodzajów ładunków elektrycznych: dodatnich i ujemnych.  • W 1785 r. Charles Augustin de Coulomb sformułował prawo opisujące oddziaływanie spoczywających ładunków elektrycznych. 

17. Duże znaczenie praktyczne miały wynalazki Alessandro Volty: kondensator (1782r.) i ogniwo elektryczne (1800r.). 

18. William Stephen Gray Urodził się 5 czerwca 1885r. Zmarł w 1960 roku. Amerykański badacz. Podzielił ciała na izolatory i przewodniki.

19. Charles-François de Cisternay Du Fay • Ur. 14.09.1698r. w Paryżu, zm. 16.06.1739r., chemik i fizyk, superintendent królewskich ogrodów w Paryżu Jardindu Roi, odkrywca dwóch rodzajów elektryczności statycznej, twórca teorii „dwóch fluidów”. • Odkrył on 2 rodzaje elektryczności statycznej: pozytywną tzw. szkłową (dodatnia) i negatywną tzw. żywiczną (ujemna), którą w 1746 formalizuje Jean-Antoine Nollet.

20. Pieter van Musschenbroek • Ur. 14.03.1692r. w Lejdzie, zm. 19.09.1761r.) – holenderski fizyk. • Był kolejno profesorem uniwersytetów w Duisburgu, Utrechcie  i Lejdzie. Członek Royal Society w Londynie. Zajmował się problematyką elektryczności, ciepła i optyki. Pod koniec 1745 roku niezależnie od E.J. Kleista skonstruował pierwszy kondensator - tzw. butelkę lejdejską.

21. Ewald Jürgen Georg von Kleist • Ur. 10.06.1700r. w Wicewie, zm. 10.12.1748r. w Koszalinie) –niemiecki prawnik i uczony, jeden z dwóch niezależnych wynalazców butelki lejdejskiej (drugim był Pieter van Musschenbroek). Studiował nauki prawne. • W latach 1722-1747 był dziekanem katedry w Kamieniu Pomorskim i w tym czasie dokonał swego wynalazku. Potem został prezesem królewskiego sądu dworskiego w Koszalinie.

22. Benjamin Franklin • Ur. 17.01.1706r. w Bostonie, zm. 17.04.1790r. w Filadelfii – drukarz, uczony, filozof, wolnomularz i polityk amerykański. Opatentował kilka wynalazków – m.in. wynalazł piorunochron, fotel bujany, okulary dwuogniskowe oraz organy kieliszkowe. • Odkrył także i opisał Prąd Zatokowy (Golfsztrom). Ku jego czci jednostkę ładunku elektrycznego w układzie CGS nazwano franklinem.

23. Michael Faraday • Ur. 22.09.1791r., zm. 25.08.1867r.) –fizyk i chemik angielski. W 1831r. odkrył zjawisko indukcji elektromagnetycznej. Sformułował prawa elektrolizy. Faraday odkrył również zjawisko samoindukcji, zbudował pierwszy model silnika elektrycznego. Faraday wprowadził pojęcie linii sił pola i wysunął twierdzenie, że ładunki elektryczne działają na siebie za pomocą takiego pola. W1848r. odkrył zjawisko Faradaya. Od jego nazwiska jednostka pojemności elektrycznej nazywana jest faradem.

24. Henry Cavendish • Ur. 10.10.1731r., zm. 24.02.1810r. Osiągnięcia: wydzielenie wodoru, wydzielenie dwutlenku węgla, oznaczenie składu powietrza, oznaczenie składu wody, oznaczenie składu kwasu azotowego. • Prowadził liczne prace z dziedziny elektryczności np. odkrył przed Coulombem i Ohmem prawo Coulomba i prawo Ohma, jednak swoich prac nie publikował i z tego względu pozostały przez wiele lat nieznane. Pierwszy w miarę dokładnie obliczył masę Ziemi.

25. Charles Coulomb • Ur. 14.06.1736r. w, zm. 23.08.1806r. – francuski fizyk, od którego nazwiska pochodzi prawo Coulomba i jednostka ładunku elektrycznego – kulomb. Od 1773r. całkowicie poświęcił się pracom badawczym dotyczącym magnetyzmu, teorii maszyn prostych i elektrostatyki. W 1785r.  sformułował prawo nazwane od jego nazwiska, prawem Coulomba, będące podstawowym prawem elektrostatyki. Później rozwinął teorię elektryzowania powierzchniowego przewodników. W 1786 odkrył zjawisko ekranowania elektrycznego, a w 1789 wprowadził pojęcie momentu magnetycznego.

26. Luigi Galvani • Ur. 9 .09.1737r. w Bolonii, zm. 4.12.1798r.) włoski fizyk, lekarz, fizjolog, tercjarz franciszkański. Odkrył istnienie zjawisk elektrycznych w tkankach zwierzęcych, przez co zwrócił uwagę uczonych na nową dziedzinę wiedzy, nazwaną później elektrochemią.

27. Alessandro Volta • Ur. 18.02.1745r. w Como, zm. 5.03.1827r.) − włoski fizyk, wynalazca, konstruktor, fizjolog, hrabia, tercjarz franciszkański. Skonstruował elektrofor, elektroskop i kondensator. • W 1776r. odkrył metan.   • W roku 1800 skonstruował ogniwo Volty poprzez zanurzenie płytek srebra i cynku w słonej wodzie. • Na jego cześć jednostkę napięcia elektrycznego nazwano wolt.

28. Podział substancji według stopnia ich zdolności przewodzenia prądu

29. PRZEWODNIKI • Jest to substancja, która dobrze przewodzi prąd elektryczny, a przewodzenie prądu ma charakter elektronowy. Atomy przewodnika tworzą wiązania, w których elektrony walencyjne (jeden, lub więcej) pozostają swobodne (nie związane z żadnym z atomów), tworząc w ten sposób tzw. gaz elektronowy.

31. Do najpopularniejszychprzewodnikównależą (uporządkowanewgwzrostuprzewodnościwłaściwej): • Grafit – miękki, średnio dobry jako przewodnik, stosowany wszędzie tam, gdzie trzeba doprowadzić napięcie do części wirujących (szczotki) • 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– najmniejszyopórelektryczny, droższeodmiedzi i aluminium, stosowanepowszechnie w stykachelektrycznych w łącznikach

32. IZOLATORY ELEKTRYCZNE • Dielektryk, izolator elektryczny – materiał, w którym bardzo słabo przewodzony jest prąd elektryczny. Może to być rezultatem niskiej koncentracji ładunków swobodnych, niskiej ich ruchliwości, lub obu tych czynników równocześnie.

34. HISTORIA IZOLATORÓW • W 1729 Stephen Gray odkrył, że niektóre materiały przewodzą elektryczność, a inne nie. • W 1739 kontynuujący eksperymenty Granat Jean Theodorze Desantowiec zaproponował nazwy "izolator" i "przewodnika. • W końcu 1745 Ewald Jürgen Georg von Kleist z Kamienia Pomorskiego wynalazł kondensator z dielektrykiem, nazywany butelką lejdejską. • W roku 1837 Michael Faraday zmierzył wpływ różnych dielektryków na pojemność kondensatora. Były to pierwsze ilościowe badania efektów wywołanych przez polaryzację dielektryka.

35. WIĘCEJ O IZOLATORACH • Podstawowym zjawiskiem determinującym właściwości dielektryka jest polaryzacja dielektryczna. Polega ona na tym, że pod wpływem pola elektrycznego, na skutek przesunięcia ładunków ujemnych względem dodatnich, w materiale tworzą się dipole elektryczne lub istniejące już dipole orientują się zgodnie z polem.W wyniku polaryzacji w dielektryku powstaje wewnętrzne pole elektryczne, które częściowo równoważy przyłożone pole zewnętrzne. Ciała dielektryczne na skutek polaryzacji uzyskują makroskopowy elektryczny moment dipolowy, co powoduje ich • przyciąganie przez ładunki elektryczne.

36. ZJAWISKO PRZEBICIA • Powyżej pewnej wartości natężenia pola elektrycznego w dielektryku dochodzi do gwałtownego wzrostu płynącego prądu. Może doprowadzić do trwałego uszkodzenia materiału. Krytyczna wartość pola elektrycznego zależy rodzaju dielektryka, jego kształtu, struktury i warunków zewnętrznych (wilgotności, temperatury). W dielektrykach występują efekty starzeniowe, prowadzące do zmniejszenia odporności na przebicie w trakcie długiego przebywania w polu elektrycznym.

37. Zasadnicze mechanizmy przebicia dielektryka to: • przebicie elektronowe, gdy natężenie pola elektrycznego jest tak duże, że rozpędzony w nim elektron otrzymuje energię wystarczającą by poprzez zderzenia mógł przenieść do pasma przewodzenia następne elektrony; proces postępuje lawinowo i w materiale powstaje strumień elektronów o dużej energii; • przebicie cieplne - następuje gdy wydzielanie ciepła w materiale przekracza możliwości odprowadzania ciepła do otoczenia; • przebicie elektrolityczne - następuje w wyniku procesów elektrochemicznych (na przykład elektrolizy) • zachodzących w materiale.

39. PÓŁPRZEWODNIKI • Półprzewodniki - substancje zachowujące się w pewnych warunkach jak dielektryk, a w innych jak przewodnik. Typowymi półprzewodnikami są: krzem, german, arsenek galu lub antymonek galu. Półprzewodniki mają małą szerokość pasma wzbronionego (teoria pasmowa).

40. Ze względu na typ przewodnictwa wyróżnia się półprzewodniki typu n - inaczej nadmiarowe (występuje tu przewodnictwo elektronowe, liczba elektronów w paśmie przewodnictwa przekracza liczbę dziur przewodzących w paśmie walencyjnym, uzyskuje się je przez domieszkowanie krzemu lub germanu pierwiastkami V grupy nazywanymi donorami) oraz typu p - inaczej niedomiarowe (występuje w nich przewodnictwo dziurowe w paśmie walencyjnym, liczba dziur przekracza liczbę elektronów w paśmie przewodnictwa, uzyskuje się je przez domieszkowanie krzemu lub germanu pierwiastkami III grupy nazywanymi akceptorami.

41. Odkrycie półprzewodników i wynalezienie licznych ich zastosowań spowodowało rewolucyjny postęp w elektronice (dioda półprzewodnikowa, tranzystor itd.).

42. NADPRZEWODNICTWO • Nadprzewodnictwo– stan materiału polegający na zerowej rezystancji, jest osiągany w niektórych materiałach w niskiej temperaturze. • Nadprzewodnictwo zostało wykryte w 1911 przez • Kamerlingha-Onnesa. Jest to zjawisko kwantowe, niemożliwe • do wyjaśnienia na gruncie fizyki klasycznej. Poza zerową rezystancją inną ważną cechą nadprzewodników jest wypychanie ze swej objętości pola magnetycznego • (efekt Meissnera).

43. Nadprzewodnictwo jest obserwowane w różnorodnych materiałach: niektórych pierwiastkach (na przykład w cynie, rtęci i ołowiu), stopach, ceramikach tlenkowych czy materiałach organicznych.

44. MODEL BOHRA Model budowy atomu Bohra – model atomu wodoru autorstwa Nielsa Bohra. Bohr przyjął wprowadzony przez Ernesta Rutherforda model atomu, według tego modelu elektron krąży wokół jądra jako naładowany punkt materialny, przyciągany przez jądro siłami elektrostatycznymi. Przez analogię do ruchu planet wokół Słońca model ten nazwano "modelem planetarnym atomu".

46. Bohr, budując swój model atomu, przyjął dwa postulaty, bez których model ten nie byłby zgodny z doświadczeniem. Postulaty te miały w istocie charakter kwantowy, ale były wprowadzone ad hoc. 1. Kiedy elekton krąży po jednej z dozwolonych orbit i nie promieniuje energii w postaci fal elektromagnetycznych. Energia jest emitowana podczas przeskoku elektronu z jednej z dozwolonych orbit na inną. 2. Dla elektronu krążącego wokół jądra dozwolone są tylko takie orbity, dla których moment pędu, zwany inaczej krętem (będący iloczynem pędu elektronu i promienia orbity, po której krąży), jest całkowitą wielokrotnością stałej Plancka podzielonej przez 2π.

47. Orbitalny moment pędu elektronu jest skwantowany i może on przybierać dyskretne wartości, tzn. z nieskończoności ilości orbit, które umożliwia mechanika klasyczna, elektron może przyjąć tylko dokładnie te, dla których jego moment pędu jest równy tej wielokrotności: • gdzie • – stałaPlanckapodzielonaprzez 2π.

48. Podczas zmiany orbity, której towarzyszy zmiana energii elektronu, atom emituje foton. Energia fotonu równa jest różnicy między energiami elektronu na tych orbitach • gdzie • E2 i E1 – energie elektronu, odpowiednio, końcowa i początkowa, • h – stała Plancka, • ν- częstotliwość fotonu.

49. Aleksandro volt • Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta − włoski fizyk, wynalazca, konstruktor, fizjolog, hrabia, tercjarz franciszkański.

50. Elektroskop • Volt w roku 1781 skonstruował elektroskop, służący do wykrywania ładunku elektrycznego, a właściwie napięcia elektrycznego.