DANE INFORMACYJNE

2. DANE INFORMACYJNE • Nazwa szkoły: Gimnazjum nr 1 im. Prymasa Tysiąclecia w Kaliszu • ID grupy: 98/73_mf_g1 • Kompetencja: matematyczno-fizyczna • Temat projektowy: PRĄD ELEKTRYCZNY • Semestr/rok szkolny: semestr III, r. szk. 2010/2011

3. Cele projektu: W zakresie umiejętności i wiedzy uczeń rozwija: rozumienie mikroskopowego mechanizmu przewodnictwa elektrycznego w ciałach stałych wykorzystanie prawa Ohma i Kirchhoffa do rozwiązywania problemów analizowanie obwodów prądu stałego umiejętność łączenia prostych obwodów elektrycznych umiejętność wykonywania i analizowania prostych pomiarów elektrycznych W zakresie formowania postaw uczeń uczy się: współpracy w grupie dyskutowania rozwiązywania problemów szacunku dla pracy własnej i innych podejmowania decyzji i kompromisu wykazywania inicjatywy i przedsiębiorczości

4. PRĄD ELEKTRYCZNY

5. Prąd elektryczny to uporządkowany ruch ładunków elektrycznych.

6. W którą stronę płynie prąd elektryczny? Prąd elektryczny płynie od do . Na czym polega przepływ prądu elektrycznego? Na uporządkowanym ruchu elektronów swobodnych od do .

7. NAPIĘCIE ELEKTRYCZNE

8. DEFINICJA NAPIĘCIA ELEKTRYCZNEGO Napięcie elektryczne to siła powodująca ruch elektronów.

9. Wartość napięcia elektrycznego mierzymy na pomocą woltomierza, który jest włączony równolegle do obwodu. Symbol graficzny woltomierza: gdzie: I- natężenie prądu elektrycznego R- opór elektryczny (rezystancja)

10. Nazwa jednostki napięcia elektrycznego (wolt) pochodzi od nazwiska włoskiego fizyka Alessandra Volty. Alessandro Volta zastanawiając się nad obserwacjami Luigiego Galvaniego, który zauważył, że udo żaby leżące na metalowej płytce i dotykane żelaznym skalpelem drga, stwierdził, że to napięcie elektryczne w wytworzonym w ten sposób ogniwie jest przyczyną drgań mięśni uda.

11. NATĘŻENIE PRĄDU ELEKTRYCZNEGO

12. DEFINICJA NATĘŻENIA PRĄDU Natężenie prądu elektrycznego to iloraz wielkości ładunku przepływającego przez poprzeczny przekrój przewodnika i czasu przepływu tego ładunku. gdzie: I – natężenie prądu q – wielkość ładunku przepływającego przez poprzeczny przekrój przewodnika, t – czas przepływu ładunku

13. Zadanie 1. Przez spiralę grzałki w ciągu pół minuty przepływa ładunek 150 C. Oblicz natężenie prądu płynącego przez tę spiralę. Dane: Szukane: t = 0,5 min = 30 s I = ? q = 150 C Obliczenia: I = I = 5A Odpowiedź: Natężenie prądu płynącego przez spiralę wynosi 5A.

14. Zadanie 2. Oblicz wartość ładunku elektrycznego, który przepłynął w ciągu 2 minut przez poprzeczny przekrój przewodnika, wiedząc, że natężenie prądu wynosiło 20 mA. Dane: Szukane: t = 0,5 min = 30 s q = ? I = 20 mA = 0,02 A Przekształcając wzór , otrzymasz: q = I t . Obliczenia: q = 0,02 A 120 s q = 2,4 C Odpowiedź: Wartość przepływającego ładunku elektrycznego wynosi 2,4 C.

15. 1C 1A= 1s Duże natężenie prądu. Jednostką natężenia prądu jest amper (1A). Natężenie prądu wynosi jeden amper (1A) wtedy, gdy przez poprzeczny przekrój przewodnika przepływa ładunek elektryczny jednego kulomba (1 C) w czasie jednej sekundy (1s). Małe natężenie prądu.

16. Nazwa jednostki natężenia prądu pochodzi od francuskiego fizyka i matematyka – Andre Marie Ampere. Ampere zauważył wzajemne oddziaływania przewodów, przez które przepływa prąd elektryczny. W 1822 roku zbudował zwojnicę i wykazał, że jej pole magnetyczne jest takie samo, jak pole magnetyczne magnesu trwałego. Do pomiaru natężenia prądu elektrycznego służy amperomierz, który do obwodu włącza się szeregowo. Symbol graficzny amperomierza:

17. OBWODY PRĄDU ELEKTRYCZNEGO

18. Aby w przewodniku popłynął prąd, musi istnieć napięcie elektryczne, a więc potrzebne jest źródło energii elektrycznej. Jest wiele takich urządzeń: bateria, dynamo w rowerze, akumulator, fotoogniwo. Aby wykorzystać energię elektryczną, należy zbudować obwód elektryczny. Najprostszy obwód elektryczny składa się z: • źródła energii elektrycznej (np. baterii, akumulatora), • przewodów elektrycznych (przewodnika w izolacji), • odbiornika energii elektrycznej (np. żarówki, silnika). Przykład obwodu

19. żarówka przewód _ + źródło energii elektrycznej M silnik łącznik Aby zmontować obwód elektryczny, warto posłużyć się schematem elektrycznym. Rysując schemat, używa się symboli graficznych. Oto niektóre z nich: Prąd elektryczny płynie w obwodzie elektrycznym tylko wtedy, gdy spełnione są dwa warunki: między biegunami źródła energii elektrycznej istnieje napięcie, obwód jest zamknięty

20. Niektóre zwierzęta potrafią wytwarzać napięcie elektryczne. Płaszczki elektryczne i węgorze elektryczne (żyjące w Ameryce Południowej i Środkowej) wykorzystują je do ogłuszania lub zabijania swych ofiar. Zapas energii elektrycznej zgromadzony w ogonie węgorza wystarczyłby do rozbłyśnięcia kilkunastu żarówek. W 1939 roku na światowej wystawie w Nowym Jorku ciało węgorza elektrycznego posłużyło do włączania świateł. Aby uniknąć naruszenia przepisów związkowych, węgorza elektrycznego wpisano na listę członków związku zawodowego elektryków.

21. I prawo Kirchhoffa Suma natężeń prądów wpływających do węzła jest równa sumie natężeń prądów wypływających z węzła.

22. PRZEPŁYW PRĄDU ELEKTRYCZNEGO PRZEZ CIECZE I GAZY

23. Prąd elektryczny przewodzą roztwory elektrolitów, tzn. wodne roztwory kwasów, zasad i soli. Związki te pod wpływem wody ulegają dysocjacji jonowej, czyli rozpadowi na jony dodatnie (kationy) i ujemne (aniony). Sól kuchenna (NaCl) rozpada się w wodzie na kationy sodu (Na ) i aniony chlorkowe (Cl ). Wodny roztwór chlorku sodu jest zatem elektrolitem i przewodzi prąd elektryczny. NaCl <=> Na+ + Cl-

24. Prąd elektryczny może również przepływać przez gazy, jeśli znajdują się w nich nośniki prądu, czyli jony. Czynniki jonizujące gaz to: • wysoka temperatura, • promieniowanie kosmiczne i rentgenowskie, • wysokie napięcie elektryczne. Przepływ prądu przez gazy pod wpływem wysokiego napięcia wykorzystuje się w świetlówkach. Przepływ prądu między elektrodami świetlówki sprawia, że zawarte w niej gazy (argon i pary rtęci) emitują promienie ultrafioletowe (UV). Promienie UV padają na wewnętrzne ścianki świetlówki pokryte luminoforem, który zamienia promieniowanie UV na światło widzialne.

25. ŹRÓDŁA ENERGII ELEKTRYCZNEJ

26. OGNIWO VOLTY Ogniwo Volty należy do jednych z najstarszych ogniw galwanicznych. Płytka cynkowa tworzy ujemny biegun ogniwa (katodę), a płytka miedziana- dodatni biegun ogniwa (anodę). Pomiędzy biegunami katody i anody istnieje napięcie elektryczne . Gdy ogniwo zostanie włączone w zamknięty obwód elektryczny, w obwodzie tym popłynie prąd.

27. węglowa elektroda dodatnia tlenek manganu (IV) chlorek amonu Cynkowy cylinder (elektroda ujemna) SUCHE OGNIWA LECLANCHEGO Cynkowy cylinder stanowi naczynie z elektrolitem i jest równocześnie elektrodą ujemną. Elektrolitem jest wodny roztwór salmiaku (chlorku amonu), zagęszczony krochmalem lub trocinami. Elektroda dodatnia jest wykonana z węgla otoczonego tlenkiem manganu (IV). Bateria płaska (4,5V) złożona jest z trzech takich ogniw.

28. AKUMULATOR Akumulator to ogniwo, w którym podczas ładowania następuje zmiana energii elektrycznej w energię chemiczną, a w czasie eksploatacji (rozładowania akumulatora) zachodzi proces odwrotny . Aby akumulator służył jako źródło energii elektrycznej, musi być co jakiś czas ładowany. W samochodzie ładuje się go za pomocą prądnicy, uruchamianej przez silnik samochodu. Silnik, obracając wirnikiem prądnicy, wykonuje pracę. Prądnica, korzystając z dostarczanej w ten sposób energii, ładuje akumulator, zwiększając jego energię chemiczną.

29. OPÓR ELEKTRYCZNY

30. Opór elektryczny to wielkość charakteryzująca własności elektryczne przewodnika. Opór elektryczny oznacza się symbolem R. Jednostką oporu elektrycznego jest om (1 ) . Przewodnik ma rezystancję jednego oma, jeżeli przyłożone do niego napięcie jednego wolta wywołuje przepływ prądu o natężeniu jednego ampera.

31. u PRAWO OHMA Natężenie prądu płynącego przez przewodnik jest wprost proporcjonalne do napięcia między końcami tego przewodnika. Georg Ohm

32. Badanie oporników i żarówki

33. Badanie oporników i żarówki Po połączeniu prostego obwodu zawierającego opornik (lub żarówkę), zasilacz o regulowanym napięciu i amperomierz, mierzono natężenie prądu płynącego w obwodzie w zależności od podawanego napięcia. Wyniki badania prezentuje tabela i wykresy. • Wnioski: • Oporniki spełniają prawo Ohma – natężenie prądu jest wprost proporcjonalne do napięcia. • Żarówka nie spełnia prawa Ohma. Prawdopodobnym powodem jest wpływ temperatury na opór elektryczny.

34. A R = 40 M V U = 2 V 2V 40 I = 0,05 A Zadanie 1. Odczytaj potrzebne dane ze schematu i oblicz natężenie prądu płynącego przez silnik. Dane: Szukane: I = ? U = 2V R = 40 Obliczenia: I = Odpowiedź: Natężenie prądu płynącego przez silnik wynosi 0,05 A.

35. 4,5 V 0,3 A R = 15 Zadanie 2. Korzystając z wykresu oblicz rezystancję opornika. Dane: Szukane: R = ? U = 4,5 V I = 300 mA = 0,3 A Obliczenia: R= Odpowiedź: Rezystancja opornika wynosi 15 .

36. R = 50 A I = 0,1 A Zadanie 3. Jakie powinno być wskazanie woltomierza na przedstawionym schemacie? Dane: I = 0,1 A R = 50 U = I R · Obliczenia: U = 0,1 A 50 · U = 5V Odpowiedź: Woltomierz powinien wskazywać napięcie 5 V.

37. l ρ R = S gdzie: R – opór elektryczny, l – długość przewodu, S – pole przekroju poprzecznego przewodu, - - opór właściwy zależny od rodzaju materiału i temperatury. ρ Opór elektryczny przewodnika jest wprost proporcjonalny do jego długości i odwrotnie proporcjonalny do pola przekroju poprzecznego oraz zależy od rodzaju materiału, z jakiego wykonany jest przewodnik.

38. ZAMIANIA ENERGII ELEKTRYCZNEJ NA INNE FORMY ENERGII

39. Energię elektryczną jest stosunkowo łatwo przesyłać, ale najczęściej nie korzysta się z niej bezpośrednio. Jest ona zamieniana na inne formy energii. • Dzięki silnikom elektrycznym energia elektryczna zamienia się na energię mechaniczną. Silniki elektryczne napędzają różne maszyny stosowane w przemyśle: pompy, wentylatory, dźwigi, transportery, wirówki itp. W gospodarstwie domowym mają zastosowanie w pracy wszelkiego rodzaju robotów, mikserów, młynków, pralek, odkurzaczy. Zatem kosztem energii elektrycznej może być wykonywana praca. • Często energię elektryczną zamienia się na ciepło. Grzałki elektryczne, w których energia elektryczna zamienia się na energią wewnętrzną, są stosowane np. W czajnikach, kuchenkach elektrycznych, żelazkach, piecykach, pralkach.

40. W = U· I· t U- napięcie elektryczne I – natężenie q- ładunek elektryczny t – czas przepływu ładunku lub: W = U· q Jednostką pracy prądu jest dżul (1 J). PRACĘ PRĄDU ELEKTRYCZNEGO OBLICZA SIĘ ZE WZORU:

41. 1 J 1 s MOC PRĄDU ELEKTRYCZNEGO • Jednostką mocy w układzie SI jest wat (1 W): 1 W = • Moc jest wielkością podawaną na urządzeniach elektrycznych. Dzięki tej informacji można obliczyć, ile energii elektrycznej zużyje urządzenie pracujące przez określony czas. • Zatem, mnożąc moc urządzenia (wyrażoną na przykład w kilowatach) przez czas jego użytkowania, można obliczyć ilość zużytej energii, zwyczajowo wyrażaną w kilowatogodzinach. Oto prosty rachunek pozwalający na przeliczanie kilowatogodzin na dżule: 1 kWh = 1kW 1h = 1000 W 3600 s, czyli 1 kWh = 3 600 000 J. Jeśli wiadomo, jakim napięciem dane urządzenie jest zasilane (np. w Polsce napięcie w domowej sieci elektrycznej wynosi 230 V), można także obliczyć natężenie prądu płynącego przez dane urządzenie.

42. · P = U I U = napięcie prądu elektrycznego, I = natężenie prądu elektrycznego. Jednostką mocy prądu jest wat (1 W). MOC PRĄDU ELEKTRYCZNEGO OBLICZA SIĘ ZE WZORU:

43. James Prescott Joule W 1837 roku w Wielkiej Brutanii opublikowano pracę opisującą silnik elektryczny. Projekt ten opracował 19-letni pracownik browaru James Prescott Joule (1818 – 1889). Pracował w trudnych warunkach, nie mając odpowiednich przyrządów ani należytego przygotowania. Był samoukiem, bardzo sumiennym i pracowitym człowiekiem. Mając 22 lata, niezależnie od Heinricha Lenza (1804 – 1865), rosyjskiego fizyka niemieckiego pochodzenia, odkrył, że w przewodniku, przez który płynie prąd, wydziela się ciepło Q proporcjonalne do kwadratu natężenia prądu, oporu przewodnika i czasu przepływu prądu: Q = I R t

44. Dane: Szukane: I = ? U = 230 V P = 2 kW · Wzór P = U I Należy zapisać w postaci I = . P U Obliczenia: 2000 W I = 230 V I = 8,7 A Odpowiedź: Natężenie prądu płynącego przez żelazko wynosi około 8,7 A. Zadanie 1. Oblicz natężenie prądu elektrycznego płynącego przez żelazko o mocy 2 kW, podłączone do napięcia 230 V. Pomiń straty energii.

45. Zadanie 2. Ile trzeba zapłacić za energię elektryczną zużytą przez kompaktową energio-oszczędną świetlówkę o mocy 23 W, a ile za energię zużytą przez tradycyjną żarówkę , która – aby świecić podobnie jasno – zużywa 100 W? Przyjmij, że świetlówka i żarówka świeciły przez 20 godzin, a 1 kWh kosztuje 50 groszy. Szukane: Dane: P = 23 W P = 100 W kwota = ? kwota = ? 1 1 2 2 t = 20 h Energię zużytą przez świetlówkę i żarówkę oblicz się ze wzoru: · E = P t Obliczenia: · E = 0,023 kW 20h E = 0,46 kWh kwota = 0,46 kWh 0,5 zł/kWh = 0,23 zł Analogicznie oblicza się pracę drugiej żarówki : E = 0,1 kW 20 h E = 2 kWh kwota = 2 kWh 0,5 = 1 zł 1 1 1 · kwota 1 zł kwota 0,23 zł . 1 = ·≈ 4,3 zł kWh 2 Odpowiedź: Za pracę świetlówki należy zapłacić 23 grosze , a za pracę tradycyjnej żarówki 1 zł, czyli ponad 4 razy więcej.

46. Zadanie 3. Dane: Szukane: Fg = 10 kN = 10 000 N h = 15 m t = 30 s U = 400 V I = ? Wykonana praca jest równa energii potencjalnej uzyskanej przez windę: W = Ep = Fg h · Obliczenia: W = 10 000 N 15 m W = 150 000 J Zakładając, ze nie ma strat energii, można przyjąć, że cała pobrana energia elektryczna została zamieniona na pracę mechaniczną W = Eel . · · · Eel = U I t I = 150 000 J Eel I = I = 12,5 A · 400 V 30 s · U t Winda o ciężarze 10kN wjeżdża na wysokość 15 m w ciągu 30 s. Silnik windy pracuje pod napięciem 400 V. Oblicz natężenie prądu elektrycznego płynącego przez silnik. Pomiń straty energii. Odpowiedź: Przez silnik płynął prąd o natężeniu 12,5 A.

47. ŁĄCZENIE SZEREGOWE OPORNIKÓW Przy szeregowym połączeniu oporników (odbiorników energii elektrycznej ) opór zastępczy jest równy sumie oporów elektrycznych poszczególnych oporników. Napięcie całkowite jest równe sumie napięć między końcami poszczególnych odbiorników. Przez każdy z odbiorników płynie prąd o takim samym natężeniu. R = R + R gdzie: R – opór zastępczy R1 – opór elektryczny pierwszego opornika R2 – opór elektryczny drugiego opornika

48. Zadanie 1. Oblicz opór zastępczy trzech oporników o oporach R1= 5 R2 = 3 R3 = 2 , połączonych szeregowo. Dane: Szukane: R1,2,3 = ? R1 = 5 R2 = 3 R3 = 2 R1,2,3 = R1 + R2 + R3 Obliczenia: R1,2,3 = 5 + 3 + 2 = 10 Odpowiedź: Opór zastępczy wynosi 10 . R1,2,3 = 10 R1 = 5 R2 = 3 R3 = 2

49. ŁĄCZENIE RÓWNOLEGŁE OPORNIKÓW Przy równoległym połączeniu oporników (odbiorników energii elektrycznej) odwrotność oporu zastępczego jest równa sumie odwrotności oporów poszczególnych odbiorników. Napięcie między końcami poszczególnych odbiorników jest takie samo. Natężenie prądu płynącego przez opornik zastępczy jest takie samo, jak suma natężeń prądów płynących przez zastępowane oporniki. gdzie: R – opór zastępczy, R1 – rezystancja pierwszego opornika, R2 – rezystancja drugiego opornika.

50. Zadanie 2. Oblicz opór zastępczy układu trzech oporników połączonych równolegle, jak na schemacie, wiedząc, że ich opory wynoszą: R1 = 4 R2 = 6 R3 = 12 R1 = 4 R2 = 6 R3 = 12 Szukane: R1,2,3 = ? Dane: R1 = 4 R2 = 6 R3 = 12 Obliczenia: 1 1 1 1 1 1 = + + R1,2,3 4 6 12 = R1,2,3 2 1 3 2 1 = + + R1,2,3 = 2 R1,2,3 12 12 12 Odpowiedź: Opór zastępczy wynosi 2 .