FIZYKA Świat pod lupą

Transkrypt

1 FIZYKA Świat pod lupą klasa 3, gimnazjum

2 Świat pod lupą Przedmiot: fizyka Autorzy: Magdalena Grygiel, Helena Nazarenko-Fogt, Ryszard Nych i Redakcja merytoryczna i metodyczna: Ireneusz Benzar, Halina Kleszczyńska i Ryszard Nych Redakcja językowa: Magdalena Kozińska Redakcja techniczna: Anna Dłutek, Krzysztof Jaworski, Maja Ligenza, Aleksandra Ryczkowska i Ewelina Zagozda Opracowanie elementów graficznych i programistycznych: Dariusz Adryan, Andrzej Bogusz, Krzysztof Jaworski, Anita Mowczan, Aleksandra Ryczkowska, Marcin Sadomski i Michał Szymczak Redakcja WCAG: Izabela Mrochen Format treści: E-podręcznik dla ucznia Data wydania: 4 listopada 2015 Typ szkoły: gimnazjum

3 Oznaczenia treści: [R]treści rozszerzające [N]oprawa metodyczna ISBN

4 Spis treści Rozdział 1. Elektrostatyka Ładunki elektryczne i ich oddziaływanie. Ładunek elementarny Elektryzowanie ciał przez tarcie, dotyk i indukcję Przewodniki i izolatory prądu elektrycznego. Przepływ prądu w przewodnikach Zasada zachowania ładunku elektrycznego Podsumowanie wiadomości z elektrostatyki Sprawdzian wiadomości elektrostatyka Rozdział 2. Elektryczność Prąd elektryczny i jego natężenie Napięcie elektryczne Prawo Ohma i jego zastosowanie. Opór elektryczny Proste obwody elektryczne i ich schematy Połączenie szeregowe odbiorników Połączenie równoległe odbiorników Praca prądu elektrycznego Moc prądu elektrycznego Wyznaczanie oporu elektrycznego i mocy wydzielanej w oporniku zasilanym z baterii. Powtórzenie wiadomości Podsumowanie wiadomości o elektryczności Sprawdzian wiadomości o elektryczności Rozdział 3. Magnetyzm i elektromagnetyzm Oddziaływania magnetyczne Pole magnetyczne wokół przewodnika z prądem. Elektromagnesy i ich zastosowanie Działanie silnika elektrycznego prądu stałego Wzbudzanie przepływu prądu elektrycznego Rodzaje fal elektromagnetycznych oraz ich zastosowanie Podsumowanie wiadomości o magnetyzmie Sprawdzian wiadomości o magnetyzmie Definicje Pojęcia Biogramy Bibliografia Rozdział 4. O e-podręczniku

5 Rozdział 1. Elektrostatyka 1.1. Ładunki elektryczne i ich oddziaływanie. Ładunek elementarny Czy zauważyłeś, że czasem podczas ściągania swetra włosy stają dęba, a podaniu ręki towarzyszy iskra? Dlaczego koty zazwyczaj nie lubią głaskania pod włos? Jeśli chcesz dowiedzieć się, co się za tym kryje, czytaj dalej. Już potrafisz: że w przyrodzie występują oddziaływania: grawitacyjne, elektryczne, magnetyczne i jądrowe; 4

6 każde działanie siły pociąga za sobą określony skutek. Nauczysz się: wskazywać przykłady elektryzowania się ciał w życiu codziennym; podawać definicję elementarnego ładunku elektrycznego; opisywać jakościowo i ilościowo oddziaływania między ładunkami; omawiać budowę wybranego pierwiastka chemicznego lub jonu; opisywać i wyjaśniać wyniki doświadczeń dotyczących elektryzowania ciał. 1. Oddziaływanie ciał naelektryzowanych Początek badań nad właściwościami i zachowaniem ciał obdarzonych określonym ładunkiem elektrycznym, a znajdujących się w stanie spoczynku sięga czasów starożytnych. Na przełomie VII i VI wieku p.n.e. grecki filozof i matematyk Tales z Miletu zaobserwował tzw. efekt bursztynu. Zauważył on, że potarty suknem bursztyn (gr. ēlektron) przyciąga niektóre lekkie ciała, np. drewniane wiórki. Z biegiem czasu okazało się, że takie zachowanie nie jest odosobnione. Obecnie wiadomo, że istnieje jeszcze wiele innych ciał wykazujących podobne właściwości. Często są to przedmioty spotykane na co dzień, np. koc, sweter, grzebień, balon itp. Przed przystąpieniem do wykonania doświadczenia zapoznaj się z załączonym materiałem filmowym. Nagranie wideo 1. Oddziaływanie elektrostatyczne balonów i swetra 5

7 Film na epodreczniki.pl Doświadczenie 1 [DO WYKONANIA POD NADZOREM OSOBY DOROSŁEJ] Oddziaływania elektrostatyczne Sweter i balony. CEL: Jakościowe określenie czynników wpływających na wielkość oddziaływań elektrostatycznych. CO BĘDZIE POTRZEBNE: sweter (może być koc); dwa balony; nitka (2 kawałki po ok cm); nożyczki. INSTRUKCJA: 1. Oddziaływanie balon balon : a. Nadmuchaj balony i każdy zwiąż nitką. 6

8 2. 3. b. Potrzyj pierwszym, a następnie drugim balonem o sweter (staraj się trzymać balony za nitkę, nie dotykając ich powierzchni). c. Spróbuj zbliżyć balony do siebie. d. Zapisz swoje spostrzeżenia. Oddziaływanie balon sweter : a. Potrzyj jednym z balonów o sweter. b. Odsuń balon od swetra (na odległość około 1 m). c. Zbliż balon do swetra. d. Zapisz swoje spostrzeżenia. Powtórz punkty 1 i 2, tym razem jednak potrzyj balony o sweter znacznie intensywniej niż poprzednio: a. Zapisz swoje spostrzeżenia. PODSUMOWANIE: Dwa naelektryzowane balony wzajemnie się odpychają. W przypadku balonu i swetra można zaobserwować przyciąganie. Wzajemne oddziaływanie pomiędzy balonem a swetrem zależy zarówno od stopnia ich naelektryzowania, jak i odległości między nimi. Zjawiska odpychania się dwóch naelektryzowanych baloników i przyciągania między swetrem a balonem nasuwają przypuszczenie, iż ciała te uzyskały jakąś nową własność, która jest odpowiedzialna za ich wzajemne oddziaływanie. Aby ją opisać, fizycy wprowadzili wielkość fizyczną, nazywaną ładunkiem elektrycznym. Przyjęto, że występują dwa rodzaje ładunków dodatnie (oznaczane znakiem +) i ujemne (oznaczane znakiem -). Ładunki tego samego znaku, jednoimienne odpychają się, ładunki różnych znaków, różnoimienne przyciągają się. Za pomocą pojęcia ładunku elektrycznego można wytłumaczyć zachowanie balonów. Ładunki zgromadzone na balonie i swetrze są różnoimienne, więc oba te ciała przyciągają się. Na powierzchni balonów gromadzą się ładunki jednoimienne, co prowadzi do ich odpychania. Zgromadzony na powierzchni ciał ładunek decyduje o kierunku oddziaływania. Jak już wspomniano, fizycy jego obecność opisują, używając symboli plus oraz minus odpowiednio w przypadku ładunku dodatniego i ujemnego. Jednak w życiu codziennym ładunków elektrycznych nie widać gołym okiem, za to można z łatwością zaobserwować skutki ich wzajemnych oddziaływań. Ilość i znak zgromadzonego ładunku elektrycznego pozwalają na dokładne ich określenie. Jednostką ładunku elektrycznego jest kulomb, który oznaczamy symbolem C. Jego nazwa pochodzi od nazwiska uczonego francuskiego Charlesa Augustina de Coulomba, który jako pierwszy określił wielkość siły oddziaływania między ładunkami elektrycznymi. Kulomb jest dużą jednostką, dlatego w praktyce stosuje się mniejsze jednostki (podwielokrotności) milikulomb i mikrokulomb. 7

9 Zapamiętaj 1 milikulomb = 1 mc = 0, 001 C = 10 3 C 1 mikrokulomb = 1 μc = 0, C = 10 6 C Zapamiętaj Im większy ładunek znajduje się na powierzchni ciał i im bliżej względem siebie te ciała się znajdują, tym większe staje się oddziaływanie (odpychające lub przyciągające) między nimi. Siłę działającą między ciałami naelektryzowanymi nazywamy siłą elektrostatyczną (elektryczną) lub siłą Coulomba. Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Ciekawostka Jedną z możliwych przyczyn katastrofy sterowca LZ-129 Hindenburg podczas lądowania na lotnisku Lakehurst w stanie New Jersey był ładunek elektryczny, który zgromadził się na jego powłoce. Doprowadziło to do tragicznego w skutkach wydarzenia. Zginęło wówczas 13 pasażerów i 22 członków załogi oraz główny członek załogi naziemnej, kapitan Ernst Lehmann. Nagranie wideo 2. Katastrofa sterowca Hindenburg Film na epodreczniki.pl 8

10 2. Budowa atomu Aby wyjaśnić oddziaływania elektryczne, trzeba przenieść się do mikroświata, czyli świata atomów. Każdy pierwiastek chemiczny składa się z takich samych atomów. Każdy atom jest zaś obojętny elektrycznie, to znaczy, że ma jednakową liczbę ładunków dodatnich i ujemnych. Nagranie wideo 3. Atom wodoru Film na epodreczniki.pl Umieszczona powyżej animacja przedstawia tzw. model planetarny atomu wodoru, który powstał na początku XX wieku. W centrum atomu znajduje się jądro atomowe, które jest zbudowane z protonów i neutronów. Wokół jądra krążą elektrony. Dzięki oddziaływaniu elektrycznemu atom nie rozpada się, a elektrony są przyciągane przez jądro. Protony i elektrony mają ładunki elektryczne o tej samej wartości, ale o przeciwnych znakach. Ładunek elektryczny protonów jest dodatni, a elektronów ujemny. Neutrony są cząstkami obojętnymi elektrycznie. Model planetarny atomu pozwalał na wyjaśnienie niektórych zjawisk mikroświata, jednak nie wszystkich. Dalsze dociekania wymagały stworzenia innych, bardziej skomplikowanych modeli opisu. Dowiecie się o nich podczas dalszej nauki w szkole ponadgimnazjalnej i na studiach. Korzystając z układu okresowego pierwiastków, możemy uzyskać informację o liczbie protonów, elektronów i neutronów każdego znanego nam pierwiastka chemicznego. Ilustracja 1. Układ okresowy pierwiastków 9

11 W przypadku potasu K liczba 19 to liczba protonów (nazywana też liczbą atomową lub liczbą porządkową). Pierwiastek jest obojętny elektrycznie, dlatego liczba jego elektronów jest także równa 19. Liczba 40 niesie informację o ilości składników jądra (jest to tzw. liczba masowa). Aby ustalić liczbę neutronów, od liczby masowej (łącznej liczby protonów i neutronów w jądrze) należy odjąć liczbę atomową: = 21. Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Jeśli do atomu zostanie dostarczony jeden lub kilka elektronów, to staje się on jonem ujemnym. Jon ujemny ma więcej elektronów niż protonów. Jeśli natomiast od atomu zostanie odłączony jeden bądź kilka elektronów, to staje się on jonem dodatnim. Jon dodatni ma więcej protonów niż elektronów. Ilustracja 2. Dodatni jon sodu 10

12 Ilustracja 3. Jon chloru Jony ujemne lub dodatnie powstają wtedy, gdy do atomu zostaną dostarczone lub odłączone elektrony. Najłatwiej zmienić liczbę elektronów w powłoce, która znajduje się najdalej od jądra. Dlatego też w przeprowadzonych dotąd doświadczeniach i symulacjach przemieszczały się tylko ładunki ujemne. Zapamiętaj Ładunki elektryczne, które przemieszczają się pomiędzy ciałami stałymi, to elektrony. Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl 11

13 3. Ładunek elementarny Pod koniec XIX wieku opisano pojęcie elektronu jako pewnej cząstki. Tak pisał o tym H. A. Lorentz z Lejdy: Do przeczytania :...zróbmy założenie, że w każdego rodzaju materii są obecne nadzwyczaj drobne cząsteczki, których jedna połowa posiada niezmiennie ładunki dodatnie, druga zaś tak samo ładunki ujemne... Owe drobniutkie cząstki, o których mowa, mają być najmniejsze z tych, którymi zajmują się nauki przyrodnicze, mniejsze od cząsteczek (molekuł) i atomów samych. Nadajmy cząsteczkom tym, zarówno ujemnym jak i dodatnim, wspólne miano elektronów, odróżniając je przymiotnikami ujemny i dodatni. Przypuśćmy dalej, że te elektryczne cząsteczki elektrony rozpowszechnione są we wszystkich ciałach, że żadna, nawet najmniejsza cząsteczka materii nie jest od nich wolna, że ilość ich w każdym ciele jest prawie niezliczona i że wreszcie, skoro jakieś ciało nie wykazuje objawów elektrycznych, posiada oba rodzaje elektronów w tej samej ilości. (cyt. za: Historia Fizyki A.K Wróblewski) Najważniejsze wnioski wynikające z tej teorii to: ładunek elektryczny, jakim mogą być obdarzone różne ciała, ma naturę ziarnistą oraz istnieje najmniejszy ładunek, który nazywamy ładunkiem elementarnym. Kolejny wniosek jest następujący: ciała nienaelektryzowane mają oba rodzaje ładunków w jednakowej ilości, a naładowane przewagę ładunków jednego znaku. Dzisiaj składniki materii mające elementarne ładunki ujemne nazywamy elektronami. Wiemy również, że ładunki dodatnie (ale o takiej samej wartości) mają cząstki nazywane protonami o znacznie większej masie. Jak każda hipoteza w fizyce, tak i ta wymagała potwierdzenia doświadczalnego. Dokonał tego Robert Millikan w latach Udowodnił on, że ładunek elektryczny ma strukturę ziarnistą, i wyznaczył wartość ładunku elementarnego. Obecnie przyjmujemy wartość tego ładunku e = 1, C. Zapamiętaj Ładunek elektryczny jako wielokrotność ładunku elementarnego: q = n e, n = ± 1, ± 2, ± 3,, gdzie: e ładunek elementarny. 12

14 Tabela 1. Składniki atomu i ich właściwości fizyczne Cząstka Ładunek Masa Elektron 1, C 9, kg Proton +1, C 1, kg Neutron 0 C 1, kg Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Ciekawostka Za wyznaczenie ładunku elektronu oraz wyjaśnienie wspólnie z A. Einsteinem tzw. efektu fotoelektrycznego zewnętrznego (będzie o tym mowa w szkole ponadgimnazjalnej) R. Millikan otrzymał w 1923 r. Nagrodę Nobla. W latach 30. XX wieku podczas badania promieniowania kosmicznego odkryto cząstki o masie równej masie elektronu, ale oładunku dodatnim. Nazwano je pozytonami. 4. Siła Coulomba [R] Siła elektrostatyczna zależy od wielkości ładunków oddziaływujących ze sobą ciał. Im większe są te ładunki, tym większa jest ta siła. Gdy oddalamy ładunki, siła elektrostatyczna maleje. Zależności te opisuje prawo Coulomba. Reguła: Siła Coulomba Siły wzajemnego oddziaływania dwóch ładunków punktowych Q 1 i Q 2 są wprost proporcjonalne do iloczynu tych ładunków, a odwrotnie proporcjonalne do kwadratu odległości między nimi. Zapisać je można symbolicznie w postaci wzoru: 13

15 F = k Q 1 Q 2 r 2 F siła, k stała elektrostatyczna, k = N m2 C 2, Q 1, Q 2 punktowe ładunki elektryczne, r odległość między punktowymi ładunkami elektrycznymi. Stosując ten wzór, można obliczyć wielkość działającej siły elektrostatycznej. ładunki punktowe jako ładunki punktowe traktowane są takie ciała naładowane, których rozmiary są małe w porównaniu z dzielącą je odległością. Zapamiętaj Prawo Coulomba sprawdza się także w przypadku ładunków umieszczonych na powierzchniach kulistych. Odległość mierzymy wówczas między środkami kul. Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Polecenie Korzystając z symulacji, zastanów się, jak zmiany wartości poszczególnych wielkości fizycznych we wzorze wpływają na zmianę wielkości siły oddziaływania. Aplikacja 1. Siła Coulomba Aplikacja na epodreczniki.pl Zapamiętaj Siła Coulomba jest zależna zarówno od odległości między ładunkami, jak i ich wartości. Gdy odległość rośnie siła maleje, gdy zaś maleje siła rośnie. Wzrost lub spadek wielkości siły oddziaływania elektrostatycznego może równiez spowodo- 14

16 wać zmiana wartości ładunku elektrycznego zgromadzonego na ciałach. Im jest on większy, tym większa jest siła, a gdy maleje, maleje również siła. Polecenie Uruchom ponownie symulację. Przyjrzyj się, w jaki sposób ta wielkość się zmienia. Rozważania ułatwią ci sformułowanie pytań. Podsumowanie Ładunki jednoimienne odpychają się, a różnoimienne przyciągają się. Wartość siły elektrycznej zależy zarówno od wartości ładunku zgromadzonego na ciałach, jak i odległości między nimi. Wartość ładunku elektrycznego protonu odpowiada ładunkowi elementarnemu. Ładunek elektronu jest równy co do wartości ładunkowi protonu, ale ze znakiem ujemnym. Wielkość ładunku elementarnego wynosi 1, C. Każdy atom jest obojętny elektrycznie. Jeśli do atomu zostaną dostarczone lub odłączone elektrony, to staje się on jonem. Praca domowa Na podstawie dowolnego źródła, np. Internetu, postaraj się odnaleźć informacje na temat zdarzeń, w których istotną rolę odegrał nagromadzony ładunek elektrostatyczny. Słowniczek atom najmniejsza cząstka pierwiastka. Każdy atom jest obojętny elektrycznie. 15

17 Biogram Charles Augustin de Coulomb Ilustracja 4. Charles Augustin de Coulomb Data urodzenia: Miejsce urodzenia: Angoul?me Data śmierci: Miejsce śmierci: Paryż Kapitan armii francuskiej, przyrodnik i matematyk. Ukończył studia w wojskowej Szkole Inżynierii (École du Génie). W latach kierował budową Fortu Burbon na Martynice (Indie Zachodnie). Po powrocie do Francji poświęcił się pracy naukowej. W roku 1781 został uhonorowany tytułem członka Francuskiej Akademii Nauk. Był doskonałym eksperymentatorem. Do jego największych osiągnięć naukowych należą pomiar siły oddziaływań pomiędzy ładunkami elektrycznymi, przeprowadzony za pomocą wagi skręceń, oraz prace dotyczące sił tarcia i oporu w płynach. jon atom, któremu zostały dostarczone lub odebrane elektrony. jon dodatni atom, w którym liczba protonów przewyższa liczbę elektronów. jon ujemny atom, w którym liczba elektronów jest większa od liczby protonów. 16

18 ładunek elementarny stała fizyczna o wartości 1, C, odpowiadająca ładunkowi elektrycznemu protonu. kulomb (C) jednostka ładunku elektrycznego w układzie SI. milikulomb (mc) jednostka pochodna jednostki ładunku elektrycznego kulomba (C) w układzie SI, równa co do wartości 10 3 C. mikrokulomb (µc) jednostka pochodna jednostki ładunku elektrycznego kulomba (C) w układzie SI, równa co do wartości 10 6 C. pierwiastek chemiczny składa się z atomów, które mają taką samą liczbę atomową. liczba atomowa (lub liczba porządkowa) oznaczana literą Z; określa liczbę protonów w jądrze atomu. liczba porządkowa liczba atomowa jest podstawą uporządkowania pierwiastków w układzie okresowym i z tego powodu nazywana jest także liczbą porządkową. Obecnie znane są pierwiastki o liczbach atomowych z zakresu (odkrycia pierwiastków o liczbach atomowych 117 i 118 wymagają jeszcze potwierdzenia), teoretycznie możliwe jest istnienie jąder o większej liczbie atomowej. liczba masowa określa łączną liczbę protonów i neutronów (nukleonów) w jądrze atomowym; oznaczana literą A 17

19 proton (p) składnik jądra atomowego pierwiastków chemicznych. Ładunek protonu odpowiada wielkości ładunku elementarnego. Główny składnik promieniowania kosmicznego meutron (n) obojętny elektrycznie składnik jądra atomowego. Neutrony występujące samodzielnie są niestabilne, ulegają rozpadowi. elektron (e) cząstka elementarna, której ładunek elektryczny odpowiada wielkości ładunku elementarnego ze znakiem ujemnym. W atomach elektrony tworzą powłoki elektronowe. Ruch elektronów ściśle związany jest ze zjawiskiem przepływu prądu elektrycznego. układ okresowy pierwiastków tabela zawierająca wszystkie znane ludzkości pierwiastki chemiczne, uporządkowane według ich rosnącej liczby atomowej. Pierwotną formą układu okresowego była tzw. tablica Mendelejewa, której nazwa pochodzi od nazwiska wybitnego chemika rosyjskiego. Jej obecny wygląd zawdzięczamy fizykowi duńskiemu, laureatowi Nagrody Nobla, Nielsowi Bohrowi. Zadania podsumowujące moduł Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl 18

20 1.2. Elektryzowanie ciał przez tarcie, dotyk i indukcję Jeśli chcesz poznać mechanizm elektryzowania ciał, opisać proces tworzenia chmur burzowych i na podstawie wiedzy o elektryczności sterować ruchem puszki usiądź wygodnie i czytaj dalej! Już potrafisz: że na ciałach gromadzą się ładunki elektryczne; ładunki jednoimienne odpychają się, a różnoimienne przyciągają; między ciałami stałymi przemieszczają się elektrony; nieruchome ładunki elektryczne oddziałują ze sobą siłą elektrostatyczną, której wielkość określa prawo Coulomba. 19

21 Nauczysz się: jak elektryzować ciała przez tarcie, dotyk i wpływ (indukcję); opisywać działanie elektroskopu; opisywać proces powstawania pioruna; opisywać działanie instalacji odgromowej; analizować i omawiać wyniki doświadczeń dotyczących elektryzowania ciał. 1. Elektryzowanie ciał przez tarcie Ze zjawiskiem elektryzowania ciał przez tarcie spotykasz się w życiu codziennym, np. podczas rozczesywania suchych włosów po kąpieli. Możesz wówczas zaobserwować, że ich końce unoszą się w stronę grzebienia, a poszczególne włosy między sobą się odpychają. Podobny efekt możesz uzyskać, gdy pocierasz nadmuchanym balonem o wełniany sweter. Zjawisko to daje się wytłumaczyć jedynie na poziomie mikroświata. Polecenie Po prawidłowym rozwiązaniu ćwiczeń obejrzyj film o elektryzowaniu się włosów. Nagranie wideo 1. Elektryzowanie włosów przez tarcie Film na epodreczniki.pl 20

22 Symulacja i film ilustrują, że elektryzowanie przez tarcie polega na przemieszczaniu się elektronów z jednego ciała na drugie, a ciała elektryzują się ładunkami o przeciwnych znakach. Ilustracja 1. Obieg wody w przyrodzie Ilustracja 2. Błyskawica 21

23 Do wyładowań może dochodzić nie tylko między powierzchnią Ziemi a chmurą, ale także między chmurami oraz wewnątrz jednej chmury. Wyładowania takie są niezwykle zjawiskowe, a napięcie elektryczne przed wyładowaniem sięga kilkudziesięciu milionów woltów. Gwałtownie wyzwolona energia podczas wyładowania elektrycznego (piorun) niesie za sobą duże zagrożenie dla ludzi, budynków, drzew itd. Ochronę przed tego typu niebezpieczeństwem gwarantuje zamontowanie piorunochronu. O jego działaniu dowiesz się więcej w następnym zagadnieniu. elektryzowanie ciał przez tarcie przy pocieraniu (oddziaływaniu mechanicznym) o siebie dwóch pierwotnie obojętnych elektrycznie ciał niewielka ilość ładunku ujemnego przechodzi z jednego ciała na drugie. W wyniku tego zjawiska na jednym ciele powstaje nadmiar ładunku dodatniego, a na drugim równy co do wartości nadmiar ładunku ujemnego. Zjawisko to nazywamy elektryzowaniem ciał przez tarcie. Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Ciekawostka Powstawanie błyskawic. Podczas formowania się chmur burzowych (cumulonimbus) dochodzi w nich do 22

24 separacji ładunku elektrycznego. Ładunek ujemny gromadzony jest u podstawy chmury, a dodatni w pobliżu jej wierzchołka. Jedna z teorii głosi, iż za ten proces odpowiedzialne jest zjawisko elektryzowania się ciał przez tarcie i indukcję. Kryształki lodu, które powstały w górnych (wyższych i zimniejszych) partiach chmury, podczas opadania pocierają się o kropelki wody i zyskują ładunek ujemny. Lżejsze, unoszące się ku górze cząsteczki wody zyskują z kolei ładunek dodatni. Gdy zgromadzony w pobliżu powierzchni Ziemi ładunek ujemny stanie się wystarczająco duży, dochodzi do wyładowania (przebicia przez izolującą warstwę powietrza) nazywanego piorunem (błyskawicą). 2. Elektryzowanie ciał przez dotyk Jednym ze sposobów elektryzowania ciał jest elektryzowanie przez dotyk. Dochodzi do niego podczas zetknięcia ciała naładowanego elektrycznie z ciałem nienaelektryzowanym. W trakcie zbliżania do siebie obu ciał ładunki elektryczne rozdzielają się na ciele nienaelektryzowanym. Jeżeli na przykład zbliżamy naładowaną dodatnio pałeczkę szklaną do metalowego ciała, to ładunki ujemne w tym ciele zgromadzą się jak najbliżej zbliżanej pałeczki. Po zetknięciu obu ciał pewna ilość ładunków ujemnych przechodzi z metalowego ciała na pałeczkę, na ciele metalowym powstaje więc nadmiar ładunków dodatnich. Jeżeli zbliżaliśmy pałeczkę naładowaną ujemnie, to na ciele metalowym ładunki ujemne odepchnięte przez ładunki ujemne na pałeczce przemieszczają się na przeciwną stronę tego ciała. Na stronie zbliżonej do pałeczki powstaje wtedy nadmiar ładunku dodatniego i po zetknięciu ładunki ujemne z pałeczki przechodzą na metalowe ciało. Ostatecznie oba ciała elektryzują się ładunkiem takiego samego znaku. Gdy ciałem obojętnym elektrycznie jest dielektryk, to ładunek elektryczny, który na nie przepłynie, będzie niewielki i zlokalizowany (rozmieszczony w miejscu zetknięcia obu ciał i jego bezpośredniej okolicy). Mechanizm powodujący rozdzielenie ładunków w dielektryku i przepływ ładunku jest w tym przypadku bardziej złożony. Elektryzowanie przez dotyk znalazło swoje zastosowanie w przyrządzie laboratoryjnym nazywanym elektroskopem. Zapoznaj się z filmem i odpowiedz na poniższe pytania. Nagranie wideo 2. Elektryzowanie ciał przez dotyk 23

25 Film na epodreczniki.pl Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Dotknięcie elektroskopu ręką (gdy nie jesteśmy w żaden sposób naelektryzowani) lub obojętną rurką nie powoduje żadnych zmian położenia jego wskazówki. Jednak, jeśli najpierw rurka zostanie naelektryzowana (np. przez tarcie jak na filmie), a potem przyłożymy ją do elektroskopu, to jego wskazówka wychyli się. Im większy ładunek zostanie zgromadzony zostanie na rurce, tym większe wychylenie wskazówki zaobserwujemy. Aby uczynić elektroskop obojętnym, wystarczy dotknąć go dłonią, wtedy ładunki elektryczne spłyną po powierzchni ciała do ziemi. Dotknięcie naelektryzowanego metalowego pręta elektroskopu wywołuje przemieszczanie się elektronów. Kierunek ich ruchu zależy od znaku ładunku naelektryzowanej rurki. Jeśli jest naelektryzowana ujemnie, to elektrony swobodne z rurki przepływają na metalowy pręt i wskazówkę, a gdy rurka jest naelektryzowana dodatnio, to elektrony przemieszczają się w odwrotnym kierunku od metalowego pręta elektroskopu na rurkę. W obu wypadkach prowadzi to do wychylenia wskazówki elektroskopu. Pełne wyjaśnienie tego zjawiska znajduje się w części rozszerzonej lekcji, opisującej elektryzowanie się ciał przez indukcję. Ilustracja 3. Schemat działania elektroskopu 24

26 elektryzowanie przez dotyk polega na dotknięciu ciałem naelektryzowanym ciała nienaelektryzowanego. W efekcie oba ciała są naładowane ładunkiem tego samego znaku. Ciekawostka Benjamin Franklin dzięki swoim obserwacjom zauważył, że błyskawica ma naturę elektryczną. Dzięki tej wiedzy skonstruował pierwszy piorunochron umieszczony na dachu miedziany/aluminiowy pręt. Średnica pręta może wynosić 2 cm. Pręt połączony jest z długim miedzianym lub aluminiowym przewodem, który dotyka umieszczonej pod warstwą ziemi siatki przewodzącej. Ilustracja 4. Instalacja odgromowa 25

27 Piorunochrony zapewniają właściwe odprowadzenie ładunków elektrycznych do ziemi. Jeśli przewody nie będą wykonane z materiałów będących jednocześnie dobrymi przewodnikami ciepła i elektryczności o wystarczająco dużym przekroju powierzchni poprzecznej, to po uderzeniu pioruna może dojść do ich stopienia. Dom przestanie być wówczas chroniony i kolejne wyładowanie może stworzyć zagrożenie dla przebywających w pomieszczeniu ludzi i spowodować straty materialne. Ciekawostka Elektroskop został wykorzystany do pomiaru promieniowania kosmicznego. 3. Elektryzowanie przez indukcję (wpływ) [R] Trzecim sposobem elektryzowania jest indukcja, czyli wpływ. Jest to metoda, która nie wymaga bezpośredniego kontaktu pomiędzy ciałami. Pozostają one w niewielkiej odległości od siebie, ale się nie stykają. Zjawisko elektryzowania przez indukcję polega na tym, że jeśli zbliżymy ciało naładowane do ciała obojętnego, spowodujemy przesunięcie elektronów w przewodniku bądź polaryzację atomów (cząsteczek) w izolatorze. By lepiej zrozumieć to zagadnienie, wykonaj poniższe doświadczenie. 26

28 Doświadczenie 1 [DO WYKONANIA POD NADZOREM OSOBY DOROSŁEJ] Tresowanie puszki PROBLEMBADAWCZY: Czy można naelektryzować przez indukcję przewodnik? HIPOTEZA: Tak. Jako przykład może posłużyć metalowa puszka. CO BĘDZIE POTRZEBNE: rurka z tworzywa sztucznego (np. rura od odkurzacza); wełniany koc lub sweter; pusta aluminiowa puszka po napoju; podłoże z izolatora (drewniany stół, podłoga itp.). INSTRUKCJA: Znajdź takie podłoże, które jest wypoziomowane tak, aby puszka nie mogła stoczyć się po pochyłości. Naelektryzuj rurkę poprzez tarcie. Zbliż ją do puszki. Jeśli puszka nie zmienia swojej pozycji, spróbuj naelektryzować ją ponownie lub zmniejsz odległość między ciałami; Obserwuj, jak zachowuje się puszka. Przełóż rurkę z drugiej strony puszki. Zastanów się, co może odpowiadać za ruch puszki. PODSUMOWANIE: Jeśli puszka toczyła się, to naelektryzowałeś ją przez indukcję. Załącznik na epodreczniki.pl Ruch puszki pod wpływem zbliżania naelektryzowanej rurki z tworzywa sztucznego jest efektem procesów zachodzących w mikroświecie. Przyjrzyj się animacji. 27

29 Nagranie wideo 3. Elektryzowanie przez indukcję Film na epodreczniki.pl Puszka nie porusza się, gdy zbliżamy do niej rurkę obojętną elektrycznie. Zakładamy, że w wyniku tarcia rurka elektryzuje się ujemnie. Zbliżenie jej do metalowej puszki, wykonanej z materiału będącego dobrym przewodnikiem, wywołuje przemieszczenie się elektronów swobodnych, tak że przeważającym ładunkiem (od strony rurki) staje się ładunek dodatni. W tej sytuacji występują dwie siły, tj. przyciągania i odpychania elektrostatycznego. Siła przyciągania działa między ładunkami dodatnimi zebranymi na powierzchni puszki od strony ujemnie naładowanej rurki a ładunkiem naelektryzowanej rurki. Siła odpychania występuje między elektronami swobodnymi zgromadzonymi z przeciwnej strony puszki i ujemnym ładunkiem rurki. Pamiętajmy, że siły oddziaływania elektrostatycznego są zależne od odległości. Siła przyciągania ma więc większą wartość niż siła odpychania. Ruchowi rurki towarzyszy ruch podążającej za nią puszki. Gdy oddalimy naelektryzowaną rurkę na odpowiednią odległość, elektrony swobodne na puszce wrócą na swoje właściwe miejsca do położenia początkowego i ruch puszki ustanie. Postawmy pytanie: Czy można naelektryzować np. papier przez indukcję? Spróbuj znaleźć odpowiedź poprzez wykonanie doświadczenia. 28

30 Doświadczenie 2 [DO WYKONANIA POD NADZOREM OSOBY DOROSŁEJ] PROBLEMBADAWCZY: Czy można naelektryzować przez indukcję izolator? HIPOTEZA: Tak. Jako przykład mogą posłużyć skrawki papieru. CO BĘDZIE POTRZEBNE: plastikowa linijka lub rurka; wełniany koc lub sweter; skrawki papieru. INSTRUKCJA: Potrzyj linijką (rurką) o koc (sweter) i zbliż ją do skrawków papieru. Obserwuj ich zachowanie. PODSUMOWANIE: Jeśli skrawki papieru zaczęły zbliżać się do rurki, to naelektryzowałeś je przez indukcję. Załącznik na epodreczniki.pl Ilustracja 5. Dipol elektryczny 29

31 Przykładowy atom jako dipol Schemat dipola elektrycznego Elektryzowanie przez indukcję polega na zbliżeniu ciała naelektryzowanego do ciała obojętnego. Wtedy wewnątrz ciała obojętnego następuje przemieszczanie się elektronów swobodnych (metalowa puszka) lub powstają dipole elektryczne (papier). Siła odpychania między ciałami jest mniejsza niż siła przyciągania. Odsunięcie ciała naelektryzowanego od ciała początkowo obojętnego elektrycznie powoduje powrót elektronów na swoje miejsca. indukcja elektrostatyczna przemieszczanie się elektronów swobodnych wewnątrz przewodnika lub powstawanie dipola elektrycznego (polaryzacja elektryczna cząsteczki albo atomu) w izolatorze. Zjawisko to zachodzi pod wpływem znajdującego się w bezpośredniej bliskości ciała naładowanego elektrycznie. Zapamiętaj Jeżeli zbliżymy (nie dotykając) ciało naelektryzowane do nienaelektryzowanego, natychmiast pojawi się efekt indukcji. Na części tego ciała położonej najbliżej ciała naładowanego wyindukowany zostanie ładunek przeciwnego znaku. Gdy następnie zetkniemy oba ciała ze sobą, ładunek ujemny będzie mógł przejść albo z ciała przedtem nienaelektryzowanego na naelektryzowane, albo odwrotnie. 30

32 Zjawisko indukcji zawsze poprzedza zjawisko przechodzenia ładunków po dotknięciu (elektryzowanie przez dotyk). Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Podsumowanie Ciała można elektryzować na trzy sposoby: przez tarcie, dotyk i indukcję. Przy pocieraniu (oddziaływaniu mechanicznym) o siebie dwóch pierwotnie obojętnych elektrycznie ciał niewielka ilość ładunku ujemnego przechodzi z jednego ciała na drugie. W wyniku tego na jednym ciele powstanie nadmiar ładunku dodatniego, a na drugim równy co do wartości nadmiar ładunku ujemnego. Zjawisko to nazywamy elektryzowaniem ciał przez tarcie. Elektryzowanie przez dotyk polega na dotknięciu ciałem naelektryzowanym drugiego ciała pozbawionego ładunku. Jeżeli naelektryzowane ciało jest naładowane dodatnio, to ładunek ujemny przechodzi z ciała obojętnego elektrycznie na ciało naelektryzowane. Jeżeli naelektryzowane ciało jest naładowane ujemnie to ładunek ujemny przechodzi z niego na ciało obojętne elektrycznie. W efekcie na obu ciałach gromadzi się jednoimienny ładunek elektryczny. Gdy ciało elektryzowane jest przez wpływ, to indukują się na nim ładunki różnoimienne w wyniku zbliżenia ciała naładowanego. Indukcja elektrostatyczna jest to przemieszczanie się elektronów swobodnych wewnątrz przewodnika lub powstawanie dipola elektrycznego (polaryzacja elektryczna cząsteczki albo atomu) w izolatorze pod wpływem znajdującego się w bezpośredniej bliskości ciała naładowanego elektrycznie. Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Praca domowa Zastanów się, kiedy najczęściej dochodzi do burz w twojej okolicy. Możesz także sprawdzić prognozę pogody, czy w najbliższym czasie nie są zapowiadane burze. Zorientuj się także, jak kosztowna jest instalacja piorunochronu. Na podstawie tych informacji odpowiedz na pytanie: Czy planując budowę domu (bloku), uwzględniłbyś zainstalowanie piorunochronu? Uzasadnij swoją odpowiedź w kliku zdaniach (5 10). 31

33 Korzystając z Internetu, zdobądź informację na temat domowych sposobów budowy elektroskopu. Spróbuj go skonstruować. Słowniczek dipol elektryczny układ dwóch o jednakowej wartości ładunków różnoimiennych, które znajdują się w pewnej odległości od siebie. elektroskop przyrząd laboratoryjny służący do wykrywania ładunku elektrycznego. Wykorzystuje zjawisko wzajemnego odpychania się jednoimiennych ładunków elektrycznych. 32

34 Biogram Benjamin Franklin Ilustracja 6. Portret Beniamina Franklina Data urodzenia: Miejsce urodzenia: Boston Data śmierci: Miejsce śmierci: Filadelfia Jeden z inicjatorów powstania Stanów Zjednoczonych Ameryki Północnej. Zaangażowany w życie polityczne, przez trzy lata był prezydentem Pensylwanii. Miał wiele zainteresowań, do których należały m.in.: meteorologia, oceanografia, elektryczność, teoria światła itd. Jako pierwszy wprowadził pojęcie ładunków dodatnich i ujemnych. polaryzacja atomowa (cząsteczkowa) skutek oddziaływania pola elektrycznego z cząsteczką. Atomy cząsteczek mające różnoimienne ładunki elektryczne pod wpływem pola elektrycznego ulegają przesunięciu. W efekcie powstaje dipol elektryczny. polaryzacja elektronowa skutek oddziaływania pola elektrycznego z atomem. Pod wpływem pola elektrycznego przesunięty zostaje ujemny ładunek powłoki elektronowej atomu w stosunku do dodatnio naładowanego jądra. W rezultacie powstaje dipol elektryczny. promieniowanie kosmiczne cząstki i promieniowanie elektromagnetyczne dochodzące do Ziemi z otaczającej ją przestrzeni kosmicznej. Jednym ze źródeł promieniowania kosmicznego jest Słońce. 33

35 1.3. Przewodniki i izolatory prądu elektrycznego. Przepływ prądu w przewodnikach Dlaczego w domowych instalacjach elektrycznych przewody wykonane są z miedzi lub aluminium, ale nigdy z drewna? Czy prąd elektryczny może płynąć w substancjach niemetalicznych? Co odróżnia przewodnik od izolatora? Izolator ceramiczny wysokonapięciowy Już potrafisz: że na ciałach mogą gromadzić się ładunki elektryczne; między ciałami stałymi mogą przemieszczać się elektrony; ciała można elektryzować przez tarcie, dotyk i indukcję; atom zbudowany jest z jądra atomowego, wokół którego krążą elektrony; jon to atom, któremu dostarczono lub odłączono elektrony. 34

36 Nauczysz się: podawać przykłady przewodników i izolatorów prądu elektrycznego; opisywać i podawać przykłady zastosowania przewodników i izolatorów prądu elektrycznego; omawiać warunki przepływ prądu w przewodnikach. 1. Przewodniki prądu elektrycznego. Przepływ prądu w przewodnikach Domowe urządzenia elektryczne do swojego działania potrzebują energii. Dostarczana jest ona za pośrednictwem sieci elektrycznej. Materiały metaliczne, dobrze przewodzące prąd elektryczny, z których zbudowane są przewody elektryczne, określamy w fizyce mianem przewodników elektronowych. Prąd może tam płynąć dzięki istnieniu swobodnych (mogących się poruszać) elektronów. Prąd elektryczny może także płynąć przez niektóre ciecze. Nazywamy je przewodnikami jonowymi. W takiej cieczy poruszać się mogą jony, zarówno dodatnie, jak i ujemne. Jeżeli dany materiał nie przewodzi prądu elektrycznego, nazywamy go izolatorem. 1.1 Przewodniki metaliczne (elektronowe) Zastanów się, co znajduje się pod gumową otoczką przewodów doprowadzających prąd elektryczny do komputera, telewizora lub innych urządzeń gospodarstwa domowego. Po jej zdjęciu widać złotawy metal to miedź. Ilustracja 2. Miedź 35

37 Ilustracja 3. Przekrój przewodu domowej instalacji elektrycznej Metale oraz ich stopy są dobrymi przewodnikami prądu elektrycznego i ciepła. Należą do nich między innymi złoto, srebro, platyna, miedź, aluminium, rtęć, stal i żeliwo. Co czyni je tak szczególnymi? 36

38 Ilustracja 4. Miedź W centrum atomu znajduje się dodatnio naładowane jądro, wokół którego krążą elektrony. W metalach elektrony najdalszych powłok, tzw. elektrony walencyjne, można łatwo odłączyć. Stają się wówczas elektronami swobodnymi, które jako niezwiązane mogą przemieszczać się w objętości przewodnika, tak jak mogłeś to zaobserwować w doświadczeniu z tresowaniem puszki. Ilustracja 5. Elektrony swobodne w przewodniku miedzianym 37

39 Polecenie Piorunochron to instalacja, która ma chronić obiekty przed skutkami wyładowań atmosferycznych. Gdybyś chciał zabezpieczyć swój dom przed uderzeniem pioruna, to z jakiego materiału wykonałbyś piorunochron: dobrego przewodnika czy izolatora? Odpowiedź uzasadnij. Spróbuj sporządzić projekt takiej instalacji. przewodnik elektronowy ciało, w którym przenoszenie ładunku elektrycznego realizowane jest przez elektrony. Przewodnikami są głównie metale, między innymi miedź, aluminium, żelazo i złoto. Ciekawostka Typowy kabel (przewód instalacyjny) domowej instalacji elektrycznej składa się zwykle z trzech izolowanych od siebie żył miedzianych (w starszych instalacjach aluminiowych), umieszczonych w zewnętrznej powłoce ochronnej. Każda z nich pełni określoną rolę. Brązowy kolor izolacji oznacza żyłę, która podczas pracy znajduje się pod napięciem elektrycznym. Jest to tzw. przewód fazowy. Jego dotknięcie grozi śmiercią! Przewód, którego kolor jest żółtozielony (zawsze), nazywany jest 38

40 przewodem ochronnym. Jego rolą jest zabezpieczenie przed porażeniem prądem elektrycznym (uziemienie). Kolorem jasnoniebieskim oznaczamy przewód neutralny (tzw. zero robocze). Ilustracja 6. Kabel elektryczny 1.2 Przewodniki jonowe 1.2 Przewodniki jonowe Nie tylko ciała stałe mogą przewodzić prąd elektryczny. Ciecze, które przewodzą prąd, nazywane są elektrolitami. Zaliczają się do nich niektóre roztwory kwasów, zasad i soli np. kwasu solnego (HCl), kwasu siarkowego VI (H 2 SO 3 ), kwasu azotowego (HNO 3 ), kwasu chlorowego (HClO 4 ). Nagranie wideo 1. Przewodnictwo jonowe 39

41 Film na epodreczniki.pl Mechanizm przewodnictwa jonowego w elektrolitach polega na ruchu jonów dodatnich do elektrody ujemnej (katody) i jonów ujemnych do elektrody dodatniej (anody). Zjawisku temu towarzyszy przenoszenie masy. Gdy jeden z rodzajów jonów daje dominujący wkład w przepływ prądu elektrycznego, mówimy o przewodnictwie kationowym (jony dodatnie) lub anionowym (jony ujemne). Zapamiętaj Przewodnictwo jonowe możliwe jest również w niektórych ciałach stałych, np. w szkle. Szkło w normalnych warunkach jest izolatorem. Jednak wraz ze wzrostem temperatury staje się przewodnikiem jonowym. Nagranie wideo 2. Przewodnictwo jonowe 40

42 Film na epodreczniki.pl Mechanizm przewodnictwa w gazach zbliżony jest do tego, który można zaobserwować w cieczach. Gaz (lub mieszanina gazów) może przewodzić prąd elektryczny, jeśli ma nośniki ładunków jony lub elektrony swobodne. Powstają one w wyniku zjawiska jonizacji, które zachodzi pod wpływem wysokiej temperatury lub pola elektrycznego. Jonizacja gazu zjawisko przekształcania atomów (cząsteczek) gazu w jony pod wpływem czynników zewnętrznych: temperatury, promieniowania lub pola elektrycznego. Przykładami zjonizowanej mieszaniny gazów są płomień świecy lub korona słoneczna. Ilustracja 7. Korona słoneczna 41

43 Zapamiętaj Przewodnictwo jonowe możliwe jest również w gazach i ich mieszaninach. Tabela 1. Nośniki ładunku elektrycznego Stan skupienia przewodnika Nośniki ładunku elektrycznego ciała stałe ciecze (elektrolity) gazy (zjonizowane) elektrony jony dodatnie i ujemne jony dodatnie i ujemne, elektrony Ciekawostka Budowa akumulatora. Pod maską samochodu znajduje się akumulator (najczęściej taki, który potocznie 42

44 nazywany jest ołowiowym). Pod jego zewnętrzną obudową mieszczą się dwa rodzaje płyt jedne są pokryte grubą warstwą dwutlenku ołowiu (PbO 2 ), a drugie wykonano z metalicznego ołowiu. W naładowanym akumulatorze płyty ołowiane zanurzone są w wodnym roztworze kwasu siarkowego (o stężeniu 37%). Płyty pokryte dwutlenkiem ołowiu pełnią rolę elektrod dodatnich, płyty pokryte ołowiem (Pb) elektrod ujemnych. Ilustracja 8. Akumulator Podczas rozładowywania akumulatora na obu elektrodach gromadzi się siarczan ołowiu (II); maleje stężenie kwasu siarkowego w roztworze. Napięcie naładowanego ogniwa ołowiowego jest równe około 2,2 V. W trakcie rozładowywania napięcie maleje do 2 V i wartość ta jest utrzymywana prawie do całkowitego rozładowania akumulatora. Wartość napięcia elektrycznego wytwarzanego przez jedno ogniwo wynosi jedynie 2 V. To za mało. W akumulatorach samochodowych łączy się szeregowo sześć takich ogniw, uzyskując łączne napięcie wyjściowe 12 V. Ciekawostka Plazma. Zjonizowany gaz określa się mianem czwartego stanu skupienia materii plazmy. Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl 43

45 2. Izolatory prądu elektrycznego Izolatory (dielektryki) w przeciwieństwie do przewodników nie mają nośników ładunku elektrycznego (elektronów lub jonów), które mogłyby przemieszczać się swobodnie w obrębie ich objętości. Przyczyna tego tkwi w silnym oddziaływaniu między jądrem atomowym a elektronami powłok walencyjnych. Wśród izolatorów można wymienić zarówno przykłady ciał stałych, jak i cieczy czy gazów. Tabela 2. Izolatory prądu elektrycznego Stan skupienia izolatora Przykłady ciała stałe ciecze gazy tworzywa sztuczne plastik, guma, szkło, papier, drewno woda destylowana suche powietrze izolator substancja o znikomym przewodnictwie, charakteryzująca się w szerokim zakresie temperatur niską koncentracją nośników ładunku elektrycznego. Ciekawostka Półprzewodnik. Półprzewodniki są materiałami mającymi pośrednie właściwości przewodzenia prądu między przewodnikami a izolatorami. Ich najważniejszą cechą jest to, że możemy zmieniać te właściwościi poprzez wprowadzenie domieszek (atomów z 3. lub 5. grupy układu okresowego). Otrzymujemy wtedy materiały pozwalające budować diody (również świecące), tranzystory, układy scalone, elementy pamięci do komputerów lub baterie fotowoltaiczne za ich pomocą możemy zamieniać energię słoneczną na energię elektryczną. To dzięki tym właściwościom półprzewodników jest możliwa budowa pamięci, w których w płytce rozmiarów paznokcia mieści się kilkadziesiąt miliardów komórek pamięci (kilkadziesiąt GB). Istotną cechą wszystkich półprzewodników jest to, że ich opór maleje ze wzrostem temperatury (odwrotnie niż u przewodników). Wynika to z tego, że ze wzrostem temperatury wzrasta liczba swobodnych nośników ładunku. Ilustracja 9. Zastosowanie krzemu w elementach elektronicznych 44

46 Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Podsumowanie Ciała ze względu na łatwość, z jaką przewodzą prąd elektryczny, dzielimy na przewodniki i izolatory. O właściwościach elektrycznych ciał decyduje ich budowa wewnętrzna. Szczególną rolę odgrywają elektrony walencyjne. Elektron walencyjny to jeden z najbardziej zewnętrznych elektronów w atomie. Liczba elektronów walencyjnych oraz to, jak mocno są one związane z rdzeniem atomu, wpływają na wiele własności fizycznych pierwiastka, między innymi na przewodnictwo cieplne i elektryczne. Przewodnictwo może być typu elektronowego lub jonowego. Przewodnik elektronowy to ciało, w którym przenoszenie ładunku elektrycznego realizowane jest przez elektrony walencyjne. Do przewodników tych zaliczamy głównie metale, między innymi: miedź, aluminium, żelazo i złoto. W przewodniku jonowym nośnikami ładunku są jony dodatnie lub ujemne. Przepływowi prądu elektrycznego towarzyszy widoczny transport masy. Przewodnictwo jonowe zachodzi w cieczach, ciałach stałych i gazach. Ciecze, które przewodzą prąd elektryczny, to elektrolity. Elektrolity zapewniają przepływ prądu elektrycznego w ogniwach bateriach i akumulatorach samochodowych. Aby gaz mógł przewodzić prąd elektryczny, musi zostać uprzednio zjonizowany. Jonizacja gazu to zjawisko przekształcania atomów (cząsteczek) gazu w jony pod wpływem czynników zewnętrznych temperatury, promieniowania lub pola elektrycznego. 45

47 Przewodnictwo jonowe w gazach znalazło zastosowanie w technice oświetleniowej (świetlówki, lampy neonowe). Izolator to substancja, która nie przewodzi prądu elektrycznego i charakteryzuje się niską koncentracją nośników ładunku. Do izolatorów zalicza się między innymi: gumę, styropian, suche drewno, wodę destylowaną i suche powietrze. Izolatory znajdują szerokie zastosowanie jako materiały zabezpieczające przed porażeniem prądem elektrycznym. Należą do nich: guma, szkło, suche drewno, tworzywa sztuczne. Istnieje jeszcze jedna klasa materiałów, są to tzw. półprzewodniki. Półprzewodnik to materiał mający pośrednie właściwości przewodzenia prądu między przewodnikami a izolatorami. Najważniejszą cechą półprzewodników jest to, że możemy zmieniać te właściwości poprzez wprowadzenie pewnej liczby domieszek. Półprzewodniki (krzem, german) znalazły zastosowanie głównie w przemyśle do wyrobu elementów elektronicznych, takich jak tranzystory, diody, układy scalone i elementy pamięci). Istotną cechą wszystkich półprzewodników jest to, że ich zdolność przewodzenia prądu rośnie ze wzrostem temperatury (odwrotnie niż u przewodników). Wynika to z tego, że ze wzrostem temperatury wzrasta w nich liczba swobodnych nośników ładunku. Praca domowa Substancje chemiczne mogą występować w różnych odmianach alotropowych. Jedną z takich substancji jest węgiel. Wyszukaj informacji dotyczących budowy wewnętrznej i właściwości elektrycznych dwóch jego odmian diamentu i grafitu. Określ, czy stwierdzenie: Węgiel jest dobrym przewodnikiem prądu elektrycznego jest prawdziwe czy fałszywe. Uzasadnij odpowiedź w maksymalnie 5 zdaniach. Aby zobojętnić metalową kulę, wystarczy dotknąć ją w jednym miejscu. Czy aby zobojętnić balon, można postąpić tak samo? Uzasadnij swoją odpowiedź w 2 3 zdaniach. Słowniczek argon (Ar) gaz szlachetny, który jako pierwszy został skroplony w 1895 roku przez polskiego fizyka i chemika Karola Olszewskiego. Wykorzystywany w produkcji dysków twardych komputerów oraz w technice oświetleniowej. elekrolit wodny roztwór kwasu lub zasady dobrze przewodzący prąd elektryczny, np. wodny roztwór kwasu siarkowego. 46

48 elektrony swobodne elektrony niezwiązane lub słabo związane z atomami w metalach. Mogą poruszać się swobodnie w objętości substancji, odpowiadają za jej dobre właściwości cieplne i elektryczne. elektron walencyjny jeden z najbardziej zewnętrznych elektronów w atomie. Liczba elektronów walencyjnych oraz to, jak mocno są one związane z rdzeniem atomu, wpływają na wiele właściwości fizycznych pierwiastka, między innymi na przewodnictwo cieplne i elektryczne. gazy szlachetne (helowce) gazy bezbarwne i bezwonne, słabo rozpuszczalne w wodzie. Zaliczamy do nich: hel, neon, argon, krypton, ksenon i radon. Charakteryzują się niezwykle niską aktywnością; nie tworzą trwałych związków chemicznych. krypton (Kr) gaz szlachetny, stosowany jako wypełniacz w żarówkach i szybach zespolonych. ksenon (Xe) gaz szlachetny wykorzystywany do produkcji jarzeniówek, lamp błyskowych i żarówek o dużej mocy. neon (Ne) gaz szlachetny, bezbarwny i bezwonny. Stosowany do wypełniania lamp neonowych oraz substancja robocza w laserach helowo-neonowych. 47

49 Biogram Karol Olszewski Ilustracja 10. Karol Olszewski Data urodzenia: Miejsce urodzenia: Broniszów Tarnowski Data śmierci: Miejsce śmierci: Kraków Polski fizyk i chemik, prekursor badań w zakresie niskich temperatur. Jako pierwszy skroplił tlen, azot i argon. plazma zjonizowana materia będąca gazem zawierającym jednakową liczbę jonów dodatnich i elektronów swobodnych. Uznawana za czwarty stan skupienia materii. powłoka walencyjna najbardziej oddalona od jądra atomu powłoka, na której znajdują się elektrony. półprzewodnik ciało stałe, które jest gorszym przewodnikiem prądu elektrycznego niż metal, ale nie jest izolatorem. Domieszkowanie określonymi pierwiastkami pozwala poprawić własności elektryczne półprzewodnika. Przewodnictwo elektryczne półprzewodników zależy również od temperatury. Jej wzrost pociąga za sobą wzrost przewodnictwa półprzewodnika. 48

50 przewodnik jonowy przewodnik, w którym dominującymi nośnikami ładunku elektrycznego są jony. Przewodniki jonowe mogą być cieczami, ciałami stałymi lub gazami. 49

51 1.4. Zasada zachowania ładunku elektrycznego Czy proces elektryzowania prowadzi do wytwarzania elektronów? Czy nadwyżka ładunku odpowiada zawsze jego niedomiarowi? Czy jest możliwe uzyskanie ładunku ujemnego bez dodatniego? Jeśli chcesz poznać odpowiedzi na te pytania, usiądź wygodnie i zacznij czytać. Już potrafisz: że na powierzchni ciał gromadzą się ładunki elektryczne; nośnikami ładunku elektrycznego mogą być elektrony swobodne i jony; ciała można elektryzować przez tarcie, dotyk i indukcję; siła oddziaływania elektrycznego zależy od znaku i wartości ładunków oraz od odległości między ciałami; ciałami dobrze przewodzącymi prąd elektryczny są metale, elektrolity i zjonizowane gazy. 50

52 Nauczysz się: jak zastosować zasadę zachowania ładunku do wyjaśnienia zjawiska elektryzowania ciał; podawać przykłady zjawisk fizycznych, które spełniają zasadę zachowania ładunku elektrycznego. Życie codzienne dostarcza nam wiele przykładów czynności, podczas których obserwujemy skutki elektryzowania się ciał. Ma to miejsce podczas zdejmowania swetra, kiedy słyszymy ciche trzaski lub w trakcie czesania, gdy grzebień przyciąga ku sobie końcówki włosów. Wszystkie te ciała: włosy, sweter i grzebień zyskały pewną nową właściwość, której przedtem nie miały ładunek elektryczny. Próbując wyjaśnić zjawisko elektryzowania się ciał, przyjęto, że ładunki elektryczne mogą być dodatnie albo ujemne. Szybko jednak pojawiły się kolejne wątpliwości. Czy liczba zgromadzonych ładunków dodatnich musi zawsze odpowiadać liczbie ładunków ujemnych? Czy można stworzyć ładunek elektryczny? A może istnieje sposób na jego zniszczenie? W tym rozdziale spróbujemy znaleźć odpowiedzi na wszystkie postawione pytania. Nagranie wideo 1. Zasada zachowania ładunku Film na epodreczniki.pl Powyższa symulacja prowadzi do interesujących wniosków. Opuszczając dodatnio naelektryzowaną kulkę do wnętrza czaszy, wykonanej z dobrze przewodzącego materiału, indukujemy na jej wewnętrznej powierzchni ładunek ujemny, a na zewnętrznej ładunek dodatni. Listki elektrosko- 51

53 pu rozchylają się. Po dotknięciu przez kulkę wewnętrznej powierzchni czaszy listki elektroskopu nadal pozostają wychylone, choć kulka i wewnętrzna strona czaszy są już obojętne elektrycznie. Świadczy to o tym, że zewnętrzna powłoka czaszy i elektroskop zyskały ładunek kosztem naelektryzowanej kulki. Jest to ten sam dodatni ładunek, który miała kulka na początku symulacji. Zapamiętaj Ładunki elektryczne nie giną ani nie można ich stworzyć. Należy pamiętać o tym, że zasada zachowania ładunku spełniona jest tylko i wyłącznie w tzw. układach izolowanych, czyli takich, które nie wymieniają ładunków z otoczeniem. Reguła: Zasada zachowania ładunku W układach izolowanych sumaryczny ładunek algebraiczna suma ładunków dodatnich i ujemnych nie ulega zmianie. Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Obserwując symulację, można zauważyć, że między ciałami przemieszczają się wyłącznie ładunki ujemne elektrony. Ilość ładunków większościowych zgromadzonych na balonie ( - ) i swetrze ( + ) jest taka sama. Ładunki te nie zostały wytworzone podczas elektryzowania przez potarcie, lecz zostały przeniesione z jednego ciała na drugie. Polecenie Wykonaj poniższe doświadczenie. Jak zinterpretowałbyś jego wynik? Napisz samodzielnie podsumowanie. 52

54 Doświadczenie 1 [DO WYKONANIA POD NADZOREM OSOBY DOROSŁEJ] PROBLEMBADAWCZY: Czy spełniona jest zasada zachowania ładunku elektrycznego? HIPOTEZA: Równa wartość zgromadzonego na elektroskopach ładunku elektrycznego potwierdzi prawdziwość zasady zachowania ładunku. CO BĘDZIE POTRZEBNE: dwa elektroskopy, metalowy łącznik, pręt ebonitowy, szmatka wełniana. INSTRUKCJA: Umieść dwa elektroskopy obok siebie. Połącz je ze sobą za pomocą łącznika. 53

55 3. Naelektryzuj przez tarcie pręt ebonitowy. 4. Zbliż pręt do głowicy jednego z elektroskopów (ale nie dotykaj) Oddal od elektroskopów łącznik. Następnie odsuń pręt (przynajmniej na odległość jednego metra) Obserwuj wychylenia wskazówek elektroskopów. Ponownie połącz ze sobą elektroskopy za pomocą łącznika. 54

56 PODSUMOWANIE: Podsumowanie. Załącznik na epodreczniki.pl Zasada zachowania ładunku pozwala nam lepiej zrozumieć i opisać przebieg wielu zjawisk fizycznych, w tym poruszanego już zjawiska elektryzowania ciał. Podczas elektryzowania przez tarcie ciała uzyskują ładunki różnoimiennie. Jedno z nich oddaje określoną ilość elektronów swobodnych, a drugie je przyjmuje. Ładunek elektryczny nie powstaje wskutek elektryzowania, ale przemieszcza się. Całkowity ładunek zgromadzony na obu ciałach nie ulega zmianie, jest tylko inaczej rozmieszczony. Nagranie wideo 2. Elektryzowanie ciał przez tarcie 55

57 Film na epodreczniki.pl W wyniku dotknięcia ciałem naelektryzowanym ciała nienaelektryzowanego ładunek ujemny przechodzi albo z ciała naelektryzowanego (gdy miało ono nadmiarowy ładunek ujemny) na ciało elektrycznie obojętne, albo z ciała obojętnego elektrycznie na ciało naładowane, jeżeli miało ono nadmiarowy ładunek dodatni. W rezultacie ciało początkowo obojętne elektrycznie po zakończeniu procesu ulega naelektryzowaniu. Zmienia się rozkład ładunku, ale nie jego ilość lub znak. Ciało obojętne elektrycznie zyskało ładunek kosztem ciała naelektryzowanego; jedno zyskało tyle, ile drugie straciło. Nagranie wideo 3. Elektryzowanie ciał przez dotyk 56

58 Film na epodreczniki.pl Elektryzowanie przez indukcję prowadzi do przesunięcia ładunku lub jego polaryzacji odpowiednio dla przewodnika i izolatora. W przewodniku występują swobodne nośniki ładunku ujemnego elektrony. Jeżeli zbliżamy do obojętnego elektrycznie przewodnika (nie dotykamy!) pałeczkę naładowaną ujemnie, to elektrony w przewodniku odsuwają się jak najdalej od takiej pałeczki. W części przewodnika, która jest bliżej pałeczki, powstaje nadmiar ładunku dodatniego a na przeciwnej stronie nadmiar ujemnego. Jeżeli zbliżamy do przewodnika pałeczkę naładowaną dodatnio, to elektrony w przewodniku przejdą na stronę będącą bliżej pałeczki i powstanie tam nadmiar ładunku ujemnego, a z przeciwnej strony przewodnika nadmiar ładunku dodatniego. Jeżeli zbliżamy naelektryzowaną ujemnie pałeczkę do obojętnego elektrycznie izolatora to albo istniejące w nim dipole elektryczne ustawią się tak, aby ich bieguny dodatnie były jak najbliżej pałeczki (jeżeli zbliżymy pałeczkę naładowaną dodatnio to oczywiście będzie odwrotnie), albo wytworzone w obojętnym ciele dipole będą w podobny sposób zorientowane. W obu sytuacjach nastąpi jedynie rozdzielenie istniejącego ładunku elektrycznego; nie powstanie natomiast żaden nowy ładunek. Nagranie wideo 4. Elektryzowanie ciał przez indukcję 57

59 Film na epodreczniki.pl Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Ciekawostka Zasada zachowania ładunku znalazła między innymi zastosowanie do wyjaśnienia reguł rządzących przepływem prądu elektrycznego. Pozwala ona stwierdzić, że węzły sieci elektrycznej nie wytwarzają ładunku, co prowadzi do wniosku, że ilość ładunków wpływających do węzła odpowiada ilości ładunków z niego wypływających. To spostrzeżenie nosi nazwę pierwszego prawa Kirchhoffa. Ilustracja 1. Pierwsze prawo Kirchhoffa 58

60 Ciekawostka Zasada zachowania ładunku jest fundamentalnym prawem opisującym przebieg wielu zjawisk w mikroświecie, np. anihilacji par cząstek elektron pozyton. Nagranie wideo 5. Anihilacja pary elektro-pozyton Film na epodreczniki.pl Podsumowanie Ładunki elektryczne nie giną ani nie można ich stworzyć mogą jedynie się przemieszczać. 59

61 W układach izolowanych sumaryczny ładunek elektryczny (algebraiczna suma ładunków dodatnich i ujemnych) nie ulega zmianie. Te dwa powyższe stwierdzenia są dwoma niezależnymi sformułowaniami zasady zachowania energii, każde z nich podkreśla jej inny aspekt. Izolowany elektrycznie układ ciał to taki, w którym nie dochodzi do wymiany ładunków z otoczeniem. Zasada zachowania ładunku pozwala wyjaśnić przebieg wielu zjawisk, należą do nich elektryzowanie ciał (przez tarcie, dotyk i wpływ), zasady rządzące przepływem prądu elektrycznego (pierwsze prawo Kirchhoffa) i wiele zjawisk w mikroświecie, na przykład reakcje jądrowe. Słowniczek anihilacja pary elektron-pozyton zjawisko znikania pary cząstek elektron pozyton, którego skutkiem jest zwykle wytworzenie promieniowania γ. Masa pary cząstek zamieniona zostaje w równoważną jej energię promienistą, a ładunek zachowany (e + e + 2γ). Sumaryczny ładunek cząstek przed anihilacją wynosi zero (ładunek elektronu e, pozytonu e + ). Po anihilacji powstają dwa fotony (gamma), które ładunku nie mają. Zasada zachowania ładunku nie zostaje złamana. ładunek elektryczny wielkość fizyczna mająca wpływ na właściwości materii. Ciała mogą być obojętne elektrycznie, naładowane dodatnio lub mieć ujemny ładunek elektryczny. Oddziaływanie pomiędzy ciałami obdarzonymi ładunkami jednoimiennymi (czyli takiego samego znaku) ma charakter odpychający, w przypadku ładunków różnoimiennych (różne znaki) przyciągający. polaryzacja dielektronowa zjawisko powstawania dipoli w dielektryku lub zmiany orientacji (uporządkowania) już istniejących. pozyton (e + ) antycząstka elektronu, jego masa i wartość ładunku są takie same jak elektronu. W odróżnieniu jednak od elektronu znak ładunku przenoszonego przez pozyton jest dodatni. 60

62 prawo Kirchhoffa suma natężeń prądów wpływających do węzła sieci elektrycznej jest równa sumie natężeń prądów z niego wypływających. układ izolowany elektrycznie ciała izolowane elektrycznie, jest to układ ciał, w którym nie dochodzi do wymiany ładunku elektrycznego ze swoim otoczeniem. węzeł sieci elektrycznej miejsce, w którym rozgałęziają się przewody elektryczne. zasada zachowania obowiązujące prawo fizyczne, które dotyczy np. energii mechanicznej, ładunku elektrycznego. Mówi ona, że dana wielkość fizyczna jest zachowana, czyli nie zmienia się w pewnych warunkach. Zadania podsumowujące moduł Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl 61

63 1.5. Podsumowanie wiadomości z elektrostatyki W tym dziale przedstawiliśmy informacje o ładunkach elektrycznych, ich pochodzeniu, rodzajach, oddziaływaniach i prawach rządzących tymi oddziaływaniami. Pokazaliśmy, jak można przekonać się o istnieniu ładunków i sprawdzić, od czego zależy i siła ich wzajemnego oddziaływania. Podaliśmy klasyfikację materiałów ze względu na właściwości elektryczne oraz przykłady izolatorów i przewodników. 1. Elektryzowanie ciał Ilustracja 1. Zdjęcie elektryzujących się włosów 62

64 Ciała można elektryzować na trzy sposoby: przez tarcie, dotyk *indukcję Elektryzowanie ciał przez tarcie: przy pocieraniu (oddziaływaniu mechanicznym) o siebie dwóch, pierwotnie obojętnych elektrycznie, ciał pewna liczba elektronów (obdarzonych ładunkiem ujemnym) przechodzi z jednego ciała na drugie. W wyniku tego na jednym ciele powstanie nadmiar elektronów, czyli ładunku ujemnego, a na drugim równy co do wartości nadmiar ładunku dodatniego (niedobór elektronów). Ostatecznie oba ciała są naelektryzowane ładunkami o tej samej wartości, ale przeciwnego znaku. Elektryzowanie przez dotyk polega na dotknięciu ciałem naelektryzowanym drugiego, pozbawionego ładunku ciała. Jeżeli naelektryzowane ciało jest naładowane dodatnio, to elektrony przechodzą z ciała obojętnego elektrycznie na naelektryzowane. Jeżeli naelektryzowane ciało jest naładowane ujemnie, to elektrony przechodzą z niego na ciało obojętne elektrycznie. W efekcie na obu ciałach gromadzi się ładunek elektryczny tego samego znaku. Uwaga: elektryzowanie przez dotyk jest poprzedzone przemieszczeniem się ładunku w ciele, które chcemy naelektryzować. *Elektryzowanie przez indukcję (przez wpływ): w wyniku zbliżenia (na pewną odległość) ciała naładowanego do innego ciała następuje w nim przemieszczanie się elektronów swobodnych: bliżej ciała naelektryzowanego gromadzi się (indukuje) ładunek przeciwnego znaku, a na przeciwnej stronie ładunek o tym samym znaku co ładunek ciała naelektryzowanego. Efekt ten znika, gdy oddalimy ciało naelektryzowane. 63

65 2. Ładunek elektryczny. Ilustracja 2. Zdjęcie wyładowania iskrowego Cała otaczająca nas materia zbudowana jest z ogromnej liczby atomów, a te z cząstek elementarnych. Niektóre z tych cząstek obdarzone są cechą, którą nazywamy ładunkiem elektrycznym: elektrony mają ładunek ujemny; protony mają ładunek dodatni. W ciele elektrycznie obojętnym liczba elektronów jest równa liczbie protonów. W ciele naładowanym ujemnie liczba elektronów jest większa od liczby protonów. W cielena naładowanym dodatnio liczba elektronów jest mniejsza od liczy protonów. Ładunek elektryczny oznaczany jest najczęściej literą Q lub q. Jednostką ładunku elektrycznego jest kulomb; oznaczmy ją symbolem C. 3. Oddziaływanie ładunków elektrycznych Ilustracja 3. Zdjęcie (rysunek) sił coulombowskich dla różnych kombinacji znaków ładunku 64

66 Ciała obdarzone ładunkiem elektrycznym oddziałują na siebie siłą zwaną siłą elektrostatyczną: gdy ich ładunki są tego samego znaku (jednoimienne) odpychają się, gdy ich ładunki są przeciwnego znaku (różnoimienne) przyciągają się. Oddziaływanie to jest wzajemne. Wartość siły elektrycznej zależy zarówno od wartości ładunku zgromadzonego na ciałach, jak i odległości między nimi: większa wartość ładunku większa siła elektrostatyczna, większa odległość między ciałami mniejsza siła elektrostatyczna. Prawo wiążące siłę elektrostatyczną z wartością ładunków i odległością naelektryzowanych ciał nazywamy prawem Coulomba (czyt. Kulomba). Prawo: prawo Coulomba Siła wzajemnego oddziaływania dwóch ładunków punktowych Q 1 i Q 2 jest wprost proporcjonalna do iloczynu tych ładunków, a odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi. Twierdzenie to można zapisać symbolicznie w postaci wzoru: F = k Q 1 Q 2 r 2 F siła, k stała elektrostatyczna, k = N m2 C 2, 65

67 Q 1, Q 2 punktowe ładunki elektryczne, r odległość między punktowymi ładunkami elektrycznymi. 4. Ładunek elementarny Ilustracja 4. Elektron Ładunek elementarny: najmniejsza porcja ładunku, jaką można przenieść z jednego ciała na drugie. Oznaczamy go literą e. Jest równy wartości ładunku, jaki posiadają elektron lub proton i wynosi: e = 1, C. Wartość każdego ładunku elektrycznego jest wielokrotnością ładunku elementarnego: Q = n e 5. Zasada zachowania ładunku Ładunki elektryczne nie giną ani nie można ich stworzyć mogą jedynie się przemieszczać. W układach izolowanych sumaryczny ładunek elektryczny (algebraiczna suma ładunków dodatnich i ujemnych) nie ulega zmianie. Te dwa powyższe stwierdzenia są dwoma niezależnymi sformułowaniami zasady zachowania ładunku, każde z nich podkreśla jej inny aspekt. W układzie izolowanym elektrycznie nie dochodzi do wymiany ładunków z otoczeniem. Zasada zachowania ładunku pozwala wyjaśnić przebieg wielu zjawisk, do których należą: elektryzowanie ciał (przez tarcie, dotyk i indukcję), zasady rządzące przepływem prądu elek- 66

68 trycznego (pierwsze prawo Kirchhoffa będziesz się o nim uczyć w III klasie) i wiele zjawisk w mikroświecie, na przykład reakcje jądrowe. 6. Przewodniki i izolatory Ilustracja 5. Zdjęcie materiałów przewodzących (metali) i izolatorów (plastik) Ciała ze względu na łatwość, z jaką przewodzą prąd elektryczny, dzielimy na przewodniki; izolatory; *półprzewodniki. Przewodniki dobrze przewodzą prąd, zawierają cząstki naładowane, które mogą się swobodnie przemieszczać wewnątrz próbki. Cząstki te nazywamy nośnikami prądu. Przewodnikami są: metale (złoto, srebro, miedź, glin) nośnikami prądu są w nich elektrony; elektrolity, czyli ciecze przewodzące prąd (roztwory kwasów, zasad i soli, w tym płyny ustrojowe organizmów żywych) nośnikami prądu są w nich jony; zjonizowane gazy nośnikami są w nich elektrony i jony. Przykładem są gazy zamknięte w świetlówkach i lampach neonowych, iskra i błyskawica w powietrzu. Izolatory substancje, które nie przewodzą prądu elektrycznego. Tworzące je cząstki obdarzone ładunkiem nie mogą się swobodnie przemieszczać; 67

69 4. do izolatorów zalicza się między innymi: gumę, szkło, styropian, papier, suche drewno, tworzywa sztuczne i suche powietrze; izolatory znajdują szerokie zastosowanie jako materiały zabezpieczające przed porażeniem prądem elektrycznym. *Półprzewodnik to materiał wykazujący w pewnych warunkach właściwości przewodnika, a w pewnych izolatora. przykładem półprzewodników są krzem i german; najważniejszą cechą półprzewodników jest to, że możemy zmieniać ich zdolność przewodzenia prądu poprzez wprowadzenie pewnej liczby domieszek; półprzewodniki znalazły zastosowanie głównie w przemyśle do wyrobu elementów elektronicznych, takich jak tranzystory, diody, układy scalone i elementy pamięci; istotną cechą wszystkich półprzewodników jest to, że ich zdolność przewodzenia prądu rośnie ze wzrostem temperatury (odwrotnie niż u przewodników). Wynika to tego, że ze wzrostem temperatury wzrasta w nich liczba swobodnych nośników ładunku. 7. Test Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl 8. Zadania Polecenie Plastikowa linijka potarta o wełniany szalik naelektryzowała się ujemnie. a) b) c) Napisz, jakie cząstki elementarne zostały przemieszczone miedzy linijką a szalikiem? Czy zostały one przeniesione z szalika na linijkę czy odwrotnie? Czy szalik też się naelektryzował? Jeśli tak, to jakiego znaku i jakiej wartości jest ładunek uzyskany przez szalik? Polecenie Napisz, jak powstają jony dodatnie, a jak ujemne. Polecenie W części wstępnej tego podręcznika (klasa pierwsza) napisano, że oddziaływania między ciałami dzielimy na oddziaływania bezpośrednie i oddziaływanie na odległość. Do której 68

70 grupy zaliczysz oddziaływanie między naelektryzowanymi balonikami. Odpowiedź uzasadnij. Polecenie W podręczniku biologii napisano: Zapylanie kwiatów zależy od owadów przenoszących ziarenka pyłku z kwiatu na kwiat. Jedne ze sposobów, w jaki pszczoły mogą to zrobić, polega na elektrostatycznym zbieraniu ziaren pyłku. Pszczoły są zwykle naładowane dodatnio. Gdy pszczoła zawisa w pobliżu pylnika kwiatu, ziarenka pyłku padają na pszczołę i są przez nią przenoszone do następnego kwiatu. a) b) Wyjaśnij, dlaczego ziarenka pyłku padają na pszczołę? Czy ziarenko pyłku ma kontakt elektryczny z ciałem pszczoły? Wskazówka: zastanów się, jaki ładunek elektryczny miałoby ziarenko połączone z pszczołą? Polecenie Na długiej nici wisi styropianowa kulka. Wiadomo, że jest ona naelektryzowana, ale nie wiemy, jaki znak ma zgromadzony na niej ładunek. Zaproponuj doświadczenie powalające rozpoznać znak tego ładunku. Wskaż potrzebne do tego materiały, które stosunkowo łatwo znajdziesz w domu lub w klasie. Polecenie Na skutek tarcia powietrza o karoserię jadącego samochodu ta ostatnia elektryzuje się. Czy gumowe opony stanowią uziemienie karoserii? Odpowiedź uzasadnij, odwołując się do pojęcia przewodnika i izolatora. Polecenie *W celu zapobieżenia elektryzowaniu się ubrań lub sprzętu elektronicznego stosuje się różnego rodzaju środki antyelektrostatyczne. Czy środki te powinny być przewodnikami czy izolatorami? Odpowiedź uzasadnij. 69

71 1.6. Sprawdzian wiadomości elektrostatyka Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Polecenie Szklana płytka potarta o suchy papier naelektryzowała się dodatnio. a) b) c) Napisz, jakie cząstki zostały wymienione między papierem i szkłem. Czy zostały one przeniesione z papieru na szkło czy ze szkła na papier? Czy papier też się naelektryzował? Polecenie Na metalowej płycie zgromadzono ładunek q 1 = + 5 mc. Na tę płytę spadło ziarenko ryżu obdarzone ładunkiem q 2 = 200 μc. Oblicz całkowity ładunek układu płyta + ziarenko. Wskazówka: zwróć uwagę na jednostki ładunku. Polecenie Projektując obudowę urządzenia elektrycznego, należy zadbać o bezpieczeństwo użytkowników. Z pośród wymienionych substancji wskaż dwie, które mogą do tego służyć: żelazo, guma, plastik, bawełna, bibuła, miedź, porcelana, aluminium. Uzasadnij swój wybór, podając właściwości wybranego materiału. 70

72 Rozdział 2. Elektryczność 2.1. Prąd elektryczny i jego natężenie Urządzenia pracujące dzięki istnieniu prądu elektrycznego są nieodłącznym elementem naszego życia. Trudno wyobrazić sobie dzień bez sygnału budzika elektrycznego, wody na herbatę zagotowanej w czajniku elektrycznym, bez odkurzacza, oświetlenia elektrycznego, tramwaju. Bez prądu nie działa rozrusznik samochodowy, pociągi też są elektryczne (nawet jeśli główny napęd jest spalinowy, to i tak bez prądu nie da się go uruchomić). Radio, telewizja, telefony Jeśli chcesz dowiedzieć się czegoś więcej o zjawisku przepływu prądu elektrycznego, czytaj dalej. 71

73 Już potrafisz: opisać atom jako obiekt zbudowany z jądra atomowego, wokół którego poruszają się elektrony; wymienić nośniki ładunku elektrycznego elektrony swobodne i jony; rozróżnić przewodniki i izolatory prądu elektrycznego; podać, że jednostką ładunku elektrycznego jest kulomb (symbol C). Nauczysz się: posługiwać się pojęciem natężenia prądu elektrycznego, stosować w obliczeniach zależność natężenia prądu elektrycznego od ładunku elektrycznego i czasu jego przepływu; mierzyć wartość natężenia prądu elektrycznego; korzystać z zależności między jednostką natężenia prądu elektrycznego amperem i jego krotnościami. 1. Natężenie prądu elektrycznego Już w szkole podstawowej na lekcjach przyrody, a niedawno podczas lekcji poświęconych elektrostatyce dowiedziałeś się, że istnieją dwie podstawowe grupy substancji: przewodniki i izolatory. Różnica między nimi polega na tym, że w przewodnikach znajdują się swobodne nośniki ładunku, czyli obiekty mające różny od zera ładunek elektryczny i mogące się poruszać w obrębie danego przewodnika. Są to elektrony i jony. W izolatorach istnieją zarówno elektrony, jak i jony, ale nie mogą się one przemieszczać. Swobodne nośniki ładunku skupmy się na ciałach stałych i elektronach poruszają się. Zachowują się jak cząsteczki gazu stąd pojęcie gaz elektronowy. Elektrony te poruszają się chaotycznie, mogą się zderzać ze sobą lub z atomami tworzącymi sieć krystaliczną. Przypomina to trochę ruch żaglówek i kajaków na jeziorze (oczywiście bez zderzeń). A jak taki ruch odbywałby się na rzece? Wyobraźmy sobie bardzo szeroką rzekę, z której środka nie widać brzegów (Amazonka ma u ujścia szerokość około 80 km). Po tej rzece pływają w dowolny sposób łódki. Brzegów nie widać, widzisz tylko ten chaotyczny ruch łódek. Gdybyś popatrzył z góry, dostrzegłbyś, że oprócz tego chaotycznego ruchu mamy do czynienia z przenoszeniem wszystkich tych łódek w stronę oceanu. Powiemy, że wszystkie dryfują w jedną stronę. Ale jedne z nich poruszają się prostopadle do brzegów, inne w stronę ujścia, a jeszcze inne w górę rzeki. Prąd elektryczny to właśnie taki dryf elektronów występują w nim właściwie wszystkie kierunki ruchu. Powodem zmian kierunku nie jest 72

74 oczywiście decyzja kapitana, lecz zderzenia z atomami lub innymi elektronami. Podczas zderzeń elektrony mogą tracić energię. Dlaczego jednak poruszają się dalej? W przypadku łódek na rzece czynnikiem unoszącym je jest woda płynąca z miejsca położonego wyżej do miejsca położonego niżej. Co zmusza elektrony do dryfowania w którąś stronę? W przypadku łódek woda płynie z miejsca położonego wyżej do miejsca położonego niżej. Im większa różnica wysokości, z tym z większą prędkością płynie woda. W przypadku prądu elektrycznego rolę różnicy wysokości pełni napięcie elektryczne. Definicję tej wielkości poznasz w szkole ponadgimnazjalnej (liceum lub technikum). Na razie będziemy jej tylko używać do opisu zjawisk związanych z przepływem prądu elektrycznego. Nieco więcej na ten temat dowiesz się z następnej lekcji. prąd elektryczny uporządkowany ruch nośników ładunków elektrycznych Ilustracja 1. Przekrój poprzeczny Na powyższym rysunku przedstawiono tylko dryf elektronów, który jest ruchem uporządkowanym, a pominięto ruch chaotyczny. Widać, że przez poprzeczny przekrój przewodnika przepływają ładunki. Jeżeli w danym czasie przepłynie ich więcej, to powiemy, że natężenie prądu elektrycznego jest większe. Tak samo będzie, gdy ten sam ładunek przepłynie w krótszym czasie. Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl 73

75 Z tego, co napisaliśmy wyżej wynika definicja natężenia prądu elektrycznego: natężenie prądu elektrycznego jest równe stosunkowi ładunku, jaki przepłynie w pewnym czasie przez poprzeczny przekrój przewodnika do czasu tego przepływu. I = q t gdzie: I natężenie prądu elektrycznego; q ładunek, jednostka kulomb C; t czas, jednostka sekunda s. Jednostką natężenia jest amper, który oznaczamy symbolem A. Jeśli przez przewodnik płynie prąd o natężeniu 3 A, to znaczy, że w czasie 1 sekundy przez jego poprzeczny przekrój przepływa ładunek równy 3 C. Nazwa jednostki natężenia pochodzi od nazwiska francuskiego fizyka Ampere a. Amper jest dużą jednostką, więc podobnie jak w przypadku kulomba C posługujemy się podwielokrotnościami: 1 ma = 0,001 A = 10 3 A Dokładną definicję ampera poznasz w liceum. Jeżeli już teraz chcesz dowiedzieć się więcej o jednostce natężenia prądu, poszukaj informacji w Internecie. Ciekawostka André-Marie Ampère żył w latach Uczył fizyki i chemii, prowadził badania z zakresu matematyki. W 1826 r. opublikował ważną pracę dotyczącą elektryczności i magnetyzmu, w której znalazło się równanie opisujące siłę elektrodynamiczną. Równanie to nosi nazwę prawa Ampere'a. Ilustracja 2. Portret André-Marie Ampera 74

76 2. Pomiar natężenia prądu elektrycznego Do pomiaru natężenia prądu służy amperomierz. Często stosuje się mierniki uniwersalne, w których poprzez wybór odpowiednich ustawień przyrządu można zmierzyć natężenie. Ilustracja 3. Mierniki pomiarowe 75

77 Aby zmierzyć natężenie w obwodzie, trzeba do niego podłączyć amperomierz tak, jak to pokazuje poniższy film. Ten rodzaj połączenia nazywamy połączeniem szeregowym. Doświadczenie 1 CEL: Kształtowanie umiejętności posługiwania się miernikiem uniwersalnym amperomierzem. CO BĘDZIE POTRZEBNE: przewody; amperomierz; źródło prądu (np. baterie 1,5 V lub 4,5 V), żarówka. INSTRUKCJA: Połącz elementy obwodu. Ustaw na mierniku opcję pomiaru natężenia prądu. Wybierz odpowiedni zakres miernika. Połącz miernik z obwodem. Odczytaj wskazania miernika. Powtórz pomiar natężenia dla drugiej baterii. 76

78 PODSUMOWANIE: UWAGA! Brak podsumowania. Wartości natężenie prądu można odczytać z tabliczek informacyjnych znajdujących się na odbiornikach lub w instrukcjach obsługi. Poniżej znajduje się tabelka z przykładowymi wartościami. Tabela 1. Wartości natężenia prądu dla wybranych urządzeń Urządzenie Natężenie prądu Pralka 10 A Lodówka 0,65 A Ekran telewizora z wyświetlaczem LCD 0,42 A Ładowarka do baterii Li-ion 0,03 0,04 A Polecenie Odczytaj z pomocą osoby dorosłej lub wyszukaj w Internecie natężenie prądu, który może przepływać przez urządzenia codziennego użytku. Wpisz wartości w poniższą tabelę. Tabela 2. Wartości natężenia prądu dla wybranych urządzeń Urządzenie Natężenie prądu Ładowarka do telefonu komórkowego Suszarka do włosów Odkurzacz 77

79 Urządzenie Natężenie prądu Tu wpisz wybrane przez siebie urządzenie:... Tu wpisz wybrane przez siebie urządzenie:... Tu wpisz wybrane przez siebie urządzenie:... W odbiornikach prądu elektrycznego używanych w domu natężenie prądu osiąga najczęściej nie więcej niż 10 A. Na miernikach uniwersalnych znajduje się dodatkowe gniazdo (port), do którego podłącza się przewód, gdy natężenie prądu jest równe lub większe niż 10 A. Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl 3. Natężenie prądu elektrycznego rozwiązywanie zadań Przykład Przez żarówkę latarki kieszonkowej w czasie 5 s przepłynął ładunek o wartości 500 mc. Oblicz natężenie prądu, który płynął przez żarówkę. Rozwiązanie: Aby obliczyć natężenie prądu, stosujemy wzór: I = q t. Podstawiamy dane liczbowe, pamiętając o zamianie na jednostki podstawowe: q = 500 mc = 0, 5 C I = 0,5 C 5 s = 0,1 A 78

80 Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Przykład Przez grzałkę czajnika elektrycznego przepływa prąd o natężeniu 750 ma. Oblicz ładunek, który przepłynął przez grzałkę w czasie 5 minut. Rozwiązanie: Przekształcamy wzór na natężenie prądu tak, by wyznaczyć ładunek: I = q t / t I t = q q = I t Wypisujemy dane: I = 750 ma = 0,75 A Podstawiamy wartości do wzoru: t = 5 min = 300 s q = 0,75 A 300 s = 225 C Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Przykład Ilustracja 4. Wykres zależności I(t) - ćwiczenie aktywizujące 79

81 Na podstawie powyższego wykresu oblicz ładunek, jaki przepłynął przez obwód w czasie: a) b) 25 sekund, 1 minuty. Wskazówka: Ilość ładunku przepływającego przez poprzeczny przekrój przewodnika można obliczyć jako pole figury pod wykresem zależności natężenia od czasu. Wynika to wprost z zależności: q = I t, gdzie I jest wartością natężenia prądu odczytaną z wykresu, a t czasem przepływu ładunku. Rozwiązanie (dla t = 30 s ): Z wykresu odczytujemy I = 350 ma = 0,35 A. Dla czasu t 1 = 30 s otrzymujemy: q = 0,35 A 30 s = C Odpowiedź: W czasie 30 sekund przez obwód przepłynął ładunek 1050 kulombów. Rozwiązanie (dla t = 1 minuta ): Rozwiązanie jest analogiczne jak dla przykładu powyżej. Odpowiedź : q = C Przykład Ilustracja 5. Wykres zależności I(t) - przykład 1 80

82 Natężenie prądu niekiedy się zmienia. Na powyższym wykresie widzimy, że natężenie prądu rośnie. W jaki sposób możemy obliczyć wartość ładunku, jaki przepłynął w danym czasie? Przypominacie sobie zapewne sposób, w jaki obliczaliście drogę przebytą przez ciało poruszające się z rosnącą wartością prędkości. Droga była równa polu pod wykresem zależności prędkości od czasu. Teraz sytuacja jest bardzo podobna. Całkowity ładunek, jaki przepłynie przez przewodnik, będzie równy polu pod wykresem, ale tym razem będzie to pole nie prostokąta, lecz trójkąta. Oblicz ładunek, jaki przepłynie w czasie 8 s w sytuacji przedstawionej na wykresie. Rozwiązanie: W momencie t = 8 s odczytane z wykresu natężenie prądu wynosi 400 ma. Liczbowo ładunek będzie równy polu trójkąta o wysokości 400 ma i podstawie 8 s. Dane: h = 400 ma = 0,4 A; a = 8 s. Obliczenia: q = S = 1 2 a h = 1 8 s 0, 4 A = 1, 6 C 2 Odpowiedź: Całkowity ładunek, jaki przepłynął w czasie 8 s w sytuacji przedstawionej na wykresie, wynosi 1,6 kulomba. Przykład Przez silnik elektryczny elektrowozu płynie prąd o natężeniu 300 A. W jakim czasie przepłynie przez niego ładunek 12 kc? Rozwiązanie: Przekształcamy wzór na natężenie prądu tak, by wyznaczyć czas: 81

83 I = q t / t I t = q : I t = q I Wypisujemy dane: I = 300 A q = 12 kc = C Podstawiamy wartości do wzoru: t = C 300 A = 40 s Odpowiedź: Ładunek 12 kc przepłynie przez silnik elektryczny w czasie 40 s. Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Podsumowanie Natężenie prądu elektrycznego mierzymy za pomocą amperomierza. Natężenie prądu elektrycznego obliczamy dzieląc ładunek (q) przez czas (t), czyli ze wzoru: Wzór na natężenie prądu elektrycznego I = q t Praca domowa Doświadczenie 2 CEL: Kształtowanie umiejętności posługiwania się miernikiem uniwersalnym amperomierzem. CO BĘDZIE POTRZEBNE: przewody, amperomierz miernik uniwersalny; 82

84 żarówka (taka z oświetlenia choinkowego); dwie cienkie blaszki metalu aluminiowa i miedziana, cytryna (może być też jabłko, kiszony ogórek). INSTRUKCJA: Przekrój cytrynę na pół. Wbij w nią blaszki. Przyłóż do blaszek żarówkę. Sprawdź, czy świeci. Wybierz na mierniku pomiar natężenia prądu i ustaw odpowiedni zakres. Następnie podłącz amperomierz do blaszek. Odczytaj wskazania miernika. Tabela 3.:Wynik pomiarów i wnioski Wynik pomiarów: Wniosek: Poszukaj w różnych źródłach, czym jest bezpiecznik i jaką funkcję pełni w instalacjach elektrycznych. Słowniczek amper jednostka natężenia prądu elektrycznego, symbol A. amperomierz przyrząd służący do pomiaru natężenia prądu elektrycznego. 83

85 Zadania podsumowujące moduł Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl 84

86 2.2. Napięcie elektryczne Z poprzedniej lekcji pamiętasz, że czynnikiem powodującym przepływ prądu jest napięcie elektryczne. Pełni ono rolę analogiczną do różnicy poziomów ciśnień powodujących przepływ wody. Dzisiejsza lekcja przybliży ci to pojęcie. Część lekcji poświecimy także na opis działania niektórych źródeł napięcia elektrycznego. Już potrafisz: opisać chaotyczny ruch elektronów w przewodnikach i uporządkowany pod wpływem przyłożonego napięcia; obliczać natężenie prądu elektrycznego jako stosunek przenoszonego ładunku elektrycznego do czasu, w którym ten ładunek przepłynął przez badany przekrój poprzeczny przewodnika; opisać amperomierz jako przyrząd do pomiaru natężenia prądu. 85

87 Nauczysz się: posługiwać się pojęciem napięcia elektrycznego; wymieniać źródła napięcia elektrycznego; opisać budowę i działania ogniwa Volty; dokonać pomiaru wartości napięcia elektrycznego. 1. Jeszcze o przepływie prądu elektrycznego Wiesz z poprzedniej lekcji, że przepływ prądu to uporządkowany ruch elektronów. To dryf elektronów poruszających się dodatkowo ruchem chaotycznym. Ruch ten odbywa się pod wpływem przyłożonego napięcia. Ale co to jest napięcie elektryczne? Wyobraźmy sobie, że mamy dwie oddalone od siebie metalowe płytki jedna naładowana jest ładunkiem dodatnim, a druga ujemnym. Ładunek dodatni oznacza, że płytka ta ma niedobór, a ładunek ujemny nadmiar ładunków ujemnych (elektronów). Co się stanie, gdy obie płytki połączymy przewodnikiem, czyli ciałem, w którym znajdują się bedące w ruchu elektrony? Płytka naładowana ujemnie będzie odpychała elektrony w przewodniku, a płytka naładowana dodatnio przyciągała. Na elektrony w przewodniku będzie działała siła powodująca ich dryf. Jak widać, mamy już prąd elektryczny! Trzeba tu jednak zwrócić uwagę na dwie sprawy. Wiesz z dynamiki, że jeżeli ciało uzyska jakąś prędkość, to powinno się poruszać tak długo, jak długo jakaś inna siła nie zmieni tego stanu. Czy zatem nie wystarczyłoby, aby te elektrony w przewodniku wprawić w dryf i potem obie naładowane płytki odłączyć? Otóż nie bo dryfujące elektrony będą zderzały się z atomami i elektronami swobodnymi w przewodniku, tracąc energię. Prąd przestanie płynąć. W celu utrzymania przepływu prądu musimy więc cały czas dostarczać energię elektronom w przewodniku. I druga sprawa: jeżeli ujemna płytka odepchnie elektrony w przewodniku, to ujemne ładunki z płytki wejdą na ich miejsce. Z kolei na drugim końcu przewodnika ujemne ładunki przejdą na dodatnio naładowaną płytkę. Po krótkiej chwili zarówno płytka ujemna, jak i dodatnia staną się obojętne elektrycznie. Powiemy, że napięcie elektryczne między nimi będzie równe zero, a prąd w przewodniku przestanie płynąć. Wniosek jest taki, że napięcie elektryczne jest potrzebne cały czas, a zatem źródło napięcia musi dostarczać energię dryfującym elektronom, aby prąd mógł płynąc w obwodzie. 86

88 2. W którą stronę płynie prąd elektryczny? Rozumowanie przedstawione w poprzedniej części tej lekcji pokazuje, że ruch ładunków ujemnych odbywa się od płytki naładowanej ujemnie do płytki naładowanej dodatnio. Kiedy jednak odkryto istnienie prądu elektrycznego, nie było wiadomo, co obejmuje ten ruch. W pewnym momencie rozwoju fizyki przyjęto, że poruszają się ładunki dodatnie. W efekcie przyjęto, że prąd płynie od płytki dodatniej do ujemnej. Powiecie zapewne, że jest to przyjęcie błędnego poglądu. Otóż nie do końca; w przewodnikach prąd to ruch ładunków ujemnych, ale np. w cieczach mamy do czynienia z ruchem zarówno jonów ujemnych, jak i dodatnich. Tak samo jest w gazach tam też poruszają się jony dodatnie i ujemne. Jak się domyślacie, w cieczach i w gazach będziemy mieli do czynienia z przepływem ładunków dodatnich w jedną stronę i ładunków ujemnych w drugą. Dlatego w przyjmujemy, że prąd płynie od bieguna dodatniego źródła napięcia do bieguna ujemnego tego źródła. 3. Działanie ogniwa chemicznego Skoro już wiesz, w jakich warunkach płynie prąd elektryczny, pozostaje zastanowić się, jak pozbyć się kłopotu opisanego wyżej, a polegającego na tym, że przepływ prądu spowoduje rozładowanie naszych dwóch płytek, napięcie spadnie do zera i prąd przestanie płynąć. Musimy w jakiś sposób podtrzymywać stan naładowania biegunów źródła napięcia. Z pomocą przyszły nam zjawiska chemiczne, w których dana substancja (stanowiąca tzw. elektrodę) reaguje z cieczą znajdującą się w naczyniu. Jednym z pierwszych źródeł napięcia było skonstruowane w 1800 roku ogniwo Volty. Doświadczenie 1 [DO WYKONANIA POD NADZOREM OSOBY DOROSŁEJ] CEL: Budowa ogniwa Volty. CO BĘDZIE POTRZEBNE: zlewka; rozcieńczony kwas siarkowy; blaszka miedziana i cynkowa; żarówka, woltomierz. 87

89 INSTRUKCJA: Do zlewki wypełnionej rozcieńczonym kwasem siarkowym należy włożyć blaszki. Umieścić je w stosunku do siebie w małej odległości. Za pomocą woltomierza sprawdź, która blaszka jest biegunem dodatnim ogniwa, a która ujemnym. Odłącz woltomierz i podłącz żarówkę, sprawdzając, czy napięcie jest wystarczające do tego, by świeciła. PODSUMOWANIE: Doświadczenie przypomina to, które przeprowadził Alessandro Volta w 1800 roku. Jak widzisz, konstrukcja ogniwa nie jest taka skomplikowana, jak mogłoby się to wydawać na pierwszy rzut oka. Szczegóły dotyczące reakcji miedzi i cynku z kwasem siarkowym poznasz na lekcjach chemii. Dla naszych potrzeb wystarczy informacja, że cynk silnie reaguje z kwasem, w wyniku czego dodatnie jony cynku przechodzą do roztworu (elektrolitu), a płytka cynkowa ładuje się ujemnie. W tym samym czasie jony dodatnie znajdujące się w roztworze odbierają ładunki ujemne z elektrody miedzianej, w wyniku czego naładowuje się ona dodatnio. Między elektrodami wytwarza się napięcie elektryczne i po połączeniu obu elektrod przewodnikiem płynie w nim prąd elektryczny. Istotną sprawą jest to, że w ogniwach z elektrodą cynkową następuje stopniowy ubytek materiału elektrody ujemnej. W wielu rodzajach ogniw (działających na podobnej zasadzie) stanowi ona obudowę całego ogniwa przy długim czasie trzymania takiego ogniwa w urządzeniu pojawia się wyciek elektrolitu, co prowadzi często do uszkodzenia urządzenia. Ogniwa oraz baterie ogniw są urządzeniami jednorazowego użytku. Skonstruowano jednak urządzenia, zwane akumulatorami, w których odwraca się proces przechodzenia jonów z elektrody do roztworu. Na poprzednich stronach podręcznika napisaliśmy, że aby utrzymać przepływ prądu, potrzebne jest dostarczanie energii elektronom, które tracą ją w wyniku zderzeń z atomami. Energię dostarcza ogniwo, tracona przez elektrony energia powoduje zaś szybszy ruch drgający atomów i większą amplitudę drgań. Efektem jest wydzielanie ciepła przez przewodnik, a nawet jego świecenie. Zestaw obwód elektryczny składający się ze źródła napięcia ogniwa lub baterii ogniw (bateria płaska ma trzy ogniwa) i odbiornika żarówki elektrycznej. Po zamknięciu obwodu zauważysz, że odbiornik wydziela energię cieplną i światło. Żarówka nagrzewa się i świeci. Przeanalizujmy przemiany energii. Człowiek wnosząc wodę wykonuje pracę, a jej skutkiem jest wzrost energii potencjalnej wody. Woda tracąc zgromadzoną energię, spływa do koła zamachowego, które obraca kamień szlifierski. Kamień ostrzy nóż, który nagrzewa się w wyniku tarcia. Energia 88

90 potencjalna wody została zamieniona na pracę użyteczną. Przy założeniu, że nie ma dodatkowych strat energii, praca wykonywana przez mężczyznę podczas wnoszenia wody i ta spożytkowana na naostrzenie noża wraz z emitowanym ciepłem są sobie równe. Ilustracja 1. Napięcie elektryczne W ogniwie elektrycznym następuje przetwarzanie energii chemicznej w energię elektryczną. Bardziej szczegółowo energię elektryczną omówimy podczas następnych lekcji. Obecnie używamy różnych rodzajów źródeł napięcia, w tym wiele przenośnych. 89

91 Galeria PRZENOŚNE ŹRÓDŁA ENERGII Opisy ilustracji: 1. Bateria 1,5 V ( paluszek ) 2. Bateria o napięciu 4,5V (tzw. bateria płaska ) 3. Akumulator do telefonu komórkowego o napięciu 3,7 V (widok dwustronny) a) b) c) Ogniwo 1,5 V ( paluszek ). Bateria składająca się z trzech ogniw o napięciu 1,5 V każde i dająca napięcie 4,5 V (tzw. bateria płaska ). Akumulator do telefonu komórkowego o napięciu 3,7 V (widok dwustronny). Ciekawostka Ogniwo galwaniczne. Pod koniec XVIII wieku Włoch Luigi Galvani odkrył zjawisko, które nazwał elektrycznością zwierzęcą. Zaobserwował kurczenie się mięśnia odpowiednio spreparowa- 90

92 nego udka żabiego na skutek dotknięcia go dwoma różnymi metalami, połączonymi ze sobą jednym końcem. W 1800 roku zainspirowany jego badaniami włoski fizyk Alessandro Volta skonstruował pierwsze użyteczne ogniwo elektryczne. Od jego nazwiska pochodzi nazwa jednostki napięcia elektrycznego w układzie SI, oznaczana symbolem V. Ogniwa zbudowane w układzie dwóch elektrod zanurzonych w elektrolicie określa się mianem ogniw galwanicznych. Baterie tworzą ogniwa połączone szeregowo lub równolegle. Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl 4. Napięcie elektryczne i jego pomiar Ogniwa, baterie lub akumulatory, powszechnie stosowane źródła energii prądu stałego, zamieniają energię chemiczną na pracę związaną z przeniesieniem ładunku elektrycznego przez przewodnik. Wytworzone napięcie elektryczne powoduje przenoszenie ładunku wzdłuż przewodnika. napięcie elektryczne U napięcie (różnica potencjałów) między dwoma punktami przewodnika jest równe liczbowo stosunkowi pracy Wwykonanej podczas przenoszenia ładunku q między tymi punktami przewodnika do tego ładunku: U = W q Jednostką napięcia elektrycznego w układzie SI jest wolt (1 V): 1 V = 1 J 1 C Do pomiaru napięcia służy woltomierz, który zawsze podłączamy do obwodu elektrycznego równolegle. Wynika to z tego, że woltomierz najczęściej mierzy napięcie pomiędzy końcami przewodnika. Ilustracja 2. Woltomierze 91

93 Doświadczenie 2 Pomiar napięcia elektrycznego CEL: Kształtowanie umiejętności obsługi miernika uniwersalnego i pomiaru napięcia. CO BĘDZIE POTRZEBNE: miernik uniwersalny; przewody; ogniwo 1,5V (tzw. paluszek), zużyte ogniwo 1,5V (lub używane przez dłuższy czas); płytka miedziana; płytka aluminiowa; zaciski (tzw. krokodylki); żarówka (ze starego oświetlenia choinkowego, latarki lub roweru); jabłko (lub cytryna). INSTRUKCJA: Zgodnie z instrukcją obsługi woltomierza przedstawioną w filmie podłącz przewody do miernika i ustaw pokrętło na odpowiednim zakresie. Zmierz napięcie wytwarzane przez ogniwa i jabłko. Porównaj ich wartości. Wbij w jabłko metalowe płytki. Zmierz napięcie między płytkami. Zanotuj wartość zmierzonego napięcia. 92

94 7. 8. Połącz końce żarówki z działającym ogniwem, a następnie z płytkami wbitymi w jabłko. Odnotuj swoje obserwacje. PODSUMOWANIE: Porównując wyniki pomiarów napięcia wytwarzanego przez ogniwa i między płytkami wbitymi w jabłko zauważyłeś różnicę w ich wartościach. Napięcie owocowej baterii jest małe i nie wystarcza do tego, aby żarówka się zaświeciła. Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Podsumowanie Źródłami napięcia stałego są ogniwa, baterie lub akumulatory, które zamieniają energię reakcji chemicznych na energię elektryczną. Jednym z pierwszych źródeł energii chemicznej było skonstruowane w 1800 roku ogniwo Volty. Napięcie elektryczne U AB jest liczbowo równe pracy, jaką należy wykonać, aby przenieść ładunek jednostkowy (1 C) z jednego punktu przewodnika do drugiego: U = W q. Jednostką napięcia elektrycznego w układzie SI jest wolt (V). 1 V = 1 J 1 C. Wolt (1 V) odpowiada pracy jednego dżula (1 J), która potrzebna jest do przeniesienia ładunku jednego kulomba (1 C) pomiędzy dwoma punktami przewodnika. Woltomierz jest przyrządem służącym do pomiaru napięcia elektrycznego między dwoma punktami. Do obwodu elektrycznego włączamy go równolegle. Praca domowa Wykonaj doświadczenie i opisz jego wyniki. 93

95 Doświadczenie 3 Zbuduj własną baterię. CEL: Konstrukcja własnego źródła napięcia. CO BĘDZIE POTRZEBNE: sól kuchenna; woda (lub cola); szklanka (lub inne naczynie); kilka monet 5-groszowych; pasek folii aluminiowej; pasek papieru (ręcznik papierowy); nożyczki; ołówek; woltomierz (miernik uniwersalny). INSTRUKCJA: Do naczynia z solą nalej coli. Poczekaj, aż przestanie się pienić. Złóż w wąskie paski folię aluminiową i ręcznik papierowy. Obrysuj kształt monety kilka razy na papierze i folii oraz wytnij kółka. Nasącz wycięte papierowe kółka roztworem coli z solą. Na monecie połóż nasączony papier, a na nim folię aluminiową. Zmierz napięcie pomiędzy monetą a folią aluminiową. Ułóż kolejną warstwę, tj. moneta, papier, folia, i ponownie dokonaj pomiaru napięcia. Powtórz czynność, przynajmniej dla pięciu warstw. PODSUMOWANIE: W zeszycie zapisz wyniki swoich pomiarów i odpowiedz na poniższe pytania. 1. Co wpływa na napięcie elektryczne, którego źródłem jest Twoja bateria? 94

96 2. 3. Co można zrobić, by twoja bateria była źródłem o wyższym napięciu elektrycznym? Porównaj uzyskane przez ciebie napięcie z napięciem uzyskiwanym w ogniwach i bateriach dostępnych w sklepie. Oblicz napięcie źródła podłączonego do przewodnika, jeżeli przeniesienie ładunku 5 C wymagało wykonania pracy o wartości 6 J. Słowniczek bateria elektryczna układ, najczęściej szeregowy, kilku lub kilkunastu ogniw. elektrolit przewodnik w fazie ciekłej lub stałej, w którym prąd elektryczny jest przenoszony za pomocą jonów. ogniwo elektryczne źródło napięcia stałego, które zamienia energię pochodzącą z reakcji chemicznych w energię elektryczną. wolt (V) jednostka napięcia elektrycznego w układzie SI. Jeden wolt (1 V) odpowiada pracy jednego dżula (1 J), która potrzebna jest do przeniesienia ładunku jednego kulomba (1 C) pomiędzy dwoma punktami przewodnika. woltomierz przyrząd służący do pomiaru napięcia elektrycznego. 95

97 Biogram Biogram Alessandro Volta Ilustracja 3. Alessandro Volta Data urodzenia: Miejsce urodzenia: Como Data śmierci: Miejsce śmierci: Como Włoski fizyk i wynalazca, odkrywca metanu, konstruktor elektroskopu i pierwszego kondensatora. W roku 1800 zaprezentował ogniwo, które od jego nazwiska nazwano ogniwem Volty. Profesor uniwersytetu w Pawii. Zadanie podsumowujące moduł Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl 96

98 2.3. Prawo Ohma i jego zastosowanie. Opór elektryczny Na ostatniej lekcji dowiedziałeś się, że natężenie prądu płynącego przez opornik jest wprost proporcjonalne do napięcia między końcami tego opornika. Dzisiaj zajmiemy się bardziej szczegółowym badaniem tej zależności. Odpowiemy także na pytanie, od czego zależy opór przewodnika. Już potrafisz: opisać ruch elektronów w przewodniku, odbywający się pod wpływem przyłożonego napięcia; podawać znaczenie pojęć: napięcie elektryczne i natężenie prądu elektrycznego ; podać jednostkę natężenia prądu elektrycznego amper (A); 97

99 podać jednostkę napięcia elektrycznego wolt (V); wymieniać amperomierz jako przyrząd służący do pomiaru natężenia prądu elektrycznego, a woltomierz jako przyrząd służący do pomiaru napięcia elektrycznego; wymieniać ogniwa i baterie oraz akumulatory jako źródła napięcia elektrycznego. Nauczysz się: posługiwać się pojęciami: opór elektryczny, opór właściwy, korzystać z zależności między natężeniem, napięciem i oporem elektrycznym, korzystać z zależności między jednostką oporu elektrycznego omem (Ω) i jej wielokrotnościami. opisywać wpływ długości przewodnika, pola jego przekroju i rodzaju materiału na opór przewodnika. 1. Prawo Ohma Jeżeli miedzy końcami obwodu lub pojedynczego elementu podłączysz napięcie elektryczne, to popłynie prąd. Zbadajmy, jak zależy natężenie tego prądu od przyłożonego napięcia. W tym celu przeprowadźmy doświadczenie. Na początku postawiliśmy pytanie, czy między napięciem i natężeniem prądu płynącego przez odbiornik zachodzi jakaś zależność. Na podstawie doświadczenia przedstawionego na filmie można stwierdzić, że taka zależność zachodzi. Wyniki pomiarów wskazują, że wzrost napięcia powoduje równoczesny wzrost natężenia prądu, są więc one wprost proporcjonalne do siebie. Prawo: prawo Ohma Natężenie prądu płynącego przez przewodnik jest wprost proporcjonalne do napięcia przyłożonego między jego końcami. Zapisujemy to zależnością: I = U R 98

100 Ciekawostka Georg Ohm ( ) był niemieckim nauczycielem fizyki i profesorem matematyki na Politechnice w Norymberdze, a potem Uniwersytecie w Monachium. W 1826 r. na podstawie przeprowadzonego doświadczenia sformułował prawo: natężenie prądu elektrycznego przepływającego przez przewodnik jest wprost proporcjonalne do napięcia panującego na jego końcach. Ilustracja 1. Georg Simon Ohm Prawo Ohma nie jest jednak spełnione dla wszystkich przewodników. Jeżeli chcesz się o tym przekonać, wykonaj doświadczenie opisane w zadaniu domowym. Zastanów się, czy wymiana elementu obwodu elektrycznego spowoduje jakieś zmiany. Ilustracja 2. Opór 99

101 Zmiana elementu obwodu elektrycznego spowodowała zmianę widoczną na wykresie. Widać różne kąty nachylenia wykresu. Od czego zależy to nachylenie? Skorzystajmy z prawa Ohma: I = U R = 1 R U Z czego wynika, że opór R = U. I Obliczmy wartość współczynnika R 1 i R 2, dzieląc wartość napięcia przez odpowiadające mu natężenie. R 1 = 1 V : 0,2 A = 5 R 2 = 1 V : 0,1 A = 10 Jak widać, wartości oporów są różne. Jeżeli taką samą wartość napięcia przyłożymy do końców opornika o małym oporze, to będzie przez niego płynął prąd o większym natężeniu i wykres dla takiego opornika będzie bardziej stromy. Miarą oporu elektrycznego danego elementu jest stosunek (iloraz) napięcia między końcami opornika do natężenia płynącego prądu. R = U I Jednostką oporu elektrycznego w układzie SI jest om, symbol Ω (to grecka litera, czytaj omega). 100

102 om w układzie SI jeden om (1 Ω) oznacza opór elektryczny, który stawia przewodnik przepływającemu prądowi elektrycznemu o wartości natężenia 1 A, który został wywołany stałym napięciem o wartości 1 V przyłożonym do końców tego przewodnika. 1 Ω = 1 V 1 A Ciekawostka Jak i od czego zależy opór? Zastanówmy się najpierw, skąd bierze się opór elektryczny. Na pierwszej lekcji w tym rozdziale mówiliśmy, że ładunki elektryczne poruszają się pod wpływem przyłożonego napięcia, zderzają się z atomami i oddają im swoją energię. Dlatego napięcie elektryczne musi być podłączone cały czas. Opór elektryczny wynika właśnie z tego przeciwdziałania stawianego przepływowi prądu przez element obwodu elektrycznego. Jest dość oczywiste, że jeżeli przewodnik będzie miał większą długość, to liczba zderzeń będzie odpowiednio większa. Innym parametrem przewodnika jest jego grubość, a dokładnie pole jego przekroju. Przy takim samym napięciu przez przewodnik o większym polu przekroju popłynie w tym samym czasie większy ładunek, a zatem natężenie prądu będzie większe, czyli opór przewodnika mniejszy. Opór elektryczny zależy także od rodzaju materiału, z którego dany element został wykonany. Każdy materiał ma określoną, charakterystyczną dla niego właściwość, nazywaną oporem właściwym. Opór elektryczny przewodnika zależy od: oporu właściwego (ρ), długości (l) i pola przekroju poprzecznego (S), co opisuje wzór: R = ρ l S Opór elektryczny zależy także od rodzaju materiału, z którego dany element został wykonany. Każdy materiał ma określoną, charakterystyczną dla niego właściwość, nazywaną oporem właściwym. Opór elektryczny przewodnika zależy od: oporu właściwego (ρ), długości (l) i pola przekroju poprzecznego (S), co opisuje wzór: 101

103 2. Prawo Ohma i opór elektryczny - rozwiązywanie zadań Przykład Przez żarówkę o oporze równym 1150 Ω płynie prąd o natężeniu 0,2 A. Oblicz wartość napięcia przyłożonego do żarówki. Rozwiązanie: Skorzystamy z zależności opisanej prawem Ohma: I = U R Z której wynika, że U = I R. Dane: R = 1150 Ω I = 0,2 A Szukane: U =? Obliczenia: U = 1150 Ω 0, 2 A = 230 V Odpowiedź: Napięcie przyłożone do żarówki wynosi 230 V. Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Przykład Przez grzałkę czajnika elektrycznego włączonego do napięcia 230 V przepływa prąd o natężeniu 250 ma. Oblicz, ile jest równy opór elektryczny grzałki? Rozwiązanie: U = R I / : I R = U I Dane: I = 250 ma = 0,25 A U = 230 V Szukane: R =? Obliczenia: R = 230 V 0, 25 A = 920 Ω Odpowiedź: Opór grzałki jest równy 920 Ω. 102

104 Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Przykład Na podstawie z wykresu zależności natężenia od napięcia dla pewnego odbiornika oblicz jego opór elektryczny. Ilustracja 3. Opór Wskazówka: Wybieramy jeden dowolny punkt należący do wykresu. Ilustracja 4. Wskazówka 103

105 Rozwiązanie: Aby wyznaczyć wartość oporu elektrycznego odbiornika, należy znać natężenie płynącego przez niego prądu przy danej wartości napięcia elektrycznego. Korzystamy z zależności: Wzór: R = U I Dane: Z wykresu odczytujemy: U = 1,0 V = 1 V I = 200 ma = 0,2 A Szukane: R =? Obliczenia: R = 1 V 0,2 A = 5 Ω Odpowiedź: Opór elektryczny odbiornika wynosi 5 Ω. Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Przykład Kalkulator o oporze 22,5 Ω jest zasilany baterią 4,5 V. Oblicz natężenie prądu płynącego przez kalkulator. Wzór: U = R I / : R 104

106 I = U R Dane: R = 22,5 Ω U = 4,5 V Szukane: I =? Obliczenia: I = 4,5 V 22,5 Ω = 0,2 A Odpowiedź: Przez kalkulator płynie prąd o natężeniu 0,2 A. Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Podsumowanie Prawo Ohma: Natężenie prądu (I) jest wprost proporcjonalne do napięcia (U) przyłożonego do końców przewodnika. I = 1 U.Występujący w równaniu współczynnik R nazywamy oporem elektrycznym. R Jednostką oporu elektrycznego w układzie SI jest om (Ω). Zależność między jednostkami opisuje wzór: 1 Ω = 1 V 1 A. Praca domowa 1 Wyszukaj informacje dotyczące wartości oporu elektrycznego ciała człowieka. Zanotuj je. Porównaj ją z wartościami oporów elektrycznych różnych urządzeń. 2 Poszukaj informacji na temat skutków przepływu prądu przez organizm człowieka. Wypisz po trzy skutki pozytywne i negatywne. 3 Podczas zajęć kółka fizycznego wykonaj z kolegami badanie zależności natężenia prądu elektrycznego płynącego przez żarówkę od napięcia między końcami żarówki. Warto użyć żarówki od oświetlenia choinki są one przeznaczone do pracy przy napięciu 14 V (koniecznie sprawdź oznaczenia na oprawce). Dla każdej pary napięcia U i natężenia I oblicz stosunek U do I. Wykonaj także wykres zależności natężenia prądu od na- 105

107 pięcia między końcami żarówki. Przeanalizuj wyniki i odpowiedz na pytanie: Czy żarówka spełnia prawo Ohma? Jaki wniosek wynika z analizy stosunku U do I? Słowniczek miara oporu elektrycznego stosunek napięcia elektrycznego miedzy końcami obwodu odcinka do natężenia prądu płynącego w tym odcinku. opór właściwy wielkość charakterystyczna dla danej substancji. Zadania podsumowujące moduł Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Zadanie 6 Badano zależność natężenia prądu płynącego przez opornik od napięcia na tym oporniku. Wyniki pomiarów umieszczono w poniżej tabeli. Tabela 1. Wyniki pomiarów U, V I, ma Aplikacja na epodreczniki.pl 106

108 Zadanie 7 Ilustracja 5. Zadanie 3 Aplikacja na epodreczniki.pl 107

109 2.4. Proste obwody elektryczne i ich schematy W praktyce wykorzystujemy różne elementy, przez które płynie prąd elektryczny i które pełnią różne funkcje. Wiele z tych urządzeń produkujemy w bardzo dużych ilościach. Gdyby pracownikom dawać obrazki tych elementów, to byłyby one ogromne. Mamy jednak na to sposób: używamy oznaczeń schematycznych, dzięki czemu nawet skomplikowany układ będzie mógł być przedstawiony na niewielkiej kartce. Jak wyglądają schematyczne oznaczenia różnych elementów, dowiesz się na dzisiejszej lekcji. Już potrafisz: podawać znaczenie pojęć napięcie elektryczne i natężenie prądu elektrycznego ; podać jednostkę natężenia prądu elektrycznego amper (A); podać jednostkę napięcia elektrycznego wolt (V); 108

110 wymieniać amperomierz jako przyrząd służący do pomiaru natężenia prądu elektrycznego, a woltomierz jako przyrząd służący do pomiaru napięcia elektrycznego; wymieniać ogniwa i baterie oraz akumulatory jako źródła napięcia elektrycznego. Nauczysz się: przedstawiać wybrane elementy obwodów elektrycznych (ogniwo, opornik, żarówkę, wyłącznik, amperomierz i woltomierz) za pomocą symboli graficznych; poprawnie odczytać i rysować schematy prostych obwodów elektrycznych; budować obwody elektryczne według zadanych schematów. 1. Symbole wybranych elementów obwodu elektrycznego Każde urządzenie elektryczne stanowi połączony układ zespołów, podzespołów lub elementów elektrycznych (elektronicznych), które wyznaczają zamkniętą drogę przepływu prądu elektrycznego nazywaną obwodem. obwód elektryczny układ elementów (przewodów, źródeł napięć, odbiorników, wyłączników) połączony w taki sposób, aby umożliwić przepływ prądu elektrycznego. Aby układ elektryczny spełniał swoje zadania, musi być wcześniej zaprojektowany. Podczas projektowania rysujemy schemat takiego obwodu, co umożliwia obliczenia jego parametrów. Jest to istotne także wtedy, gdy nastąpi awaria i układ przestanie działać prawidłowo. To wszystko umożliwiają odpowiednie schematyczne rysunki przedstawiające elementy obwodu przy użyciu symboli graficznych połączonych ze sobą w funkcjonalną całość. Taki układ nazywamy schematem obwodu elektrycznego. schemat obwodu elektrycznego odwzorowanie obwodu elektrycznego wykonane za pomocą symboli graficznych. 109

111 Ilustracja 1. Schemat budowy zasilacza Schemat budowy zasilacza Symbole graficzne elementów obwodu elektrycznego pozwalają opisać ich budowę i przeznaczenie. Schematy są niezwykle przydatne, słowny opis budowy i zasady działania np. zasilacza zająłby prawdopodobnie wiele kartek papieru. Można go jednak zastąpić jednostronicowym schematem. Schematy obwodów dla osób, które nie potrafią ich poprawnie odczytać, są trudne do zrozumienia. Elektromonterzy czy elektrycy bez trudu dają sobie radę z ich interpretacją. Bez nich budowanie takich układów, naprawa urządzeń lub ich konserwacja byłaby bardzo trudna. Nie wszystkie schematy obwodów elektrycznych są tak skomplikowane jak schemat zasilacza. Ich stopień komplikacji wzrasta wraz ze złożonością urządzenia, który opisują. Na ilustracji poniżej przedstawiono symbole graficzne elementów niezbędnych do sporządzenia schematów prostych obwodów elektrycznych. Ilustracja 2. Elementy obwodu elektrycznego i ich symbole 110

112 Zapamiętaj Woltomierz włączamy równolegle do elementu obwodu, ponieważ mierzy on napięcie między końcami tego elementu. Amperomierz włączamy szeregowo, ponieważ natężenie prądu jest jednakowe w każdym punkcie układu szeregowego. Jeżeli w obwodzie znajdą się np. 3 oporniki połączone szeregowo, to niezależnie od tego, czy włączymy amperomierz przed pierwszym z nich, między pierwszym a drugim, między drugim a trzecim lub za trzecim natężenie prądu będzie takie samo. Polecenie Dlaczego natężenie prądu w układzie szeregowym będzie wszędzie takie samo? Co by się stało, gdyby natężenia były różne? Polecenie Rozejrzyj się po klasie, w której odbywa się lekcja. Zidentyfikuj jak najwięcej elementów obwodów elektrycznych. Polecenie Narysuj schemat obwodu elektrycznego, który jest zgodny z rysunkiem poniżej. Ilustracja 3. Obwód elektryczny 5 111

113 Wśród symboli graficznych elementów obwodów elektrycznych nie znajdziemy symbolu żadnego urządzenia, w tym zegara. Czasami jednak istnieje konieczność zasygnalizowania ich obecności na schemacie jak stało sie to w powyższym ćwiczeniu. Wówczas możemy posłużyć się wykonanym samodzielnie rysunkiem. Pamiętajmy jednak, że powinien być on czytelny i zrozumiały. Doświadczenie 1 PROBLEMBADAWCZY: Czy istnieje związek między wartością napięcia elektrycznego a wartością natężenia prądu w zamkniętym obwodzie elektrycznym? 112

114 HIPOTEZA: Natężenie prądu przepływającego przez przewodnik jest wprost proporcjonalne do napięcia elektrycznego mierzonego na jego końcach. CO BĘDZIE POTRZEBNE: przewody; zaciski (lub taśma samoprzylepna); cztery ogniwa o takim samym napięciu elektrycznym, np. popularne paluszki. W klasie możesz skorzystać z zasilacza laboratoryjnego o regulowanym napięciu wyjściowym; miernik uniwersalny (amperomierz i woltomierz analogowy); jako odbiornik prądu elektrycznego może posłużyć kilkuset omowy rezystor, lub opornica suwakowa. INSTRUKCJA: 1. Zbuduj obwód elektryczny w taki sposób, jak pokazuje to ilustracja. Ilustracja 4. Schemat prostego obwodu elektrycznego V A 113

115 Zanotuj zmierzone wartości napięcia i natężenia prądu elektrycznego. Dołączaj do obwodu szeregowo kolejne baterie, powtarzaj pomiary i zapisuj wyniki. W zeszycie przedmiotowym sporządź poniższą tabelę. Tabela 1.:Zależność napięcia od natężenia prądu 1. pomiar 2. pomiar 3. pomiar 4. pomiar U, V I, A U I WAŻNE: Na schemacie woltomierz jest podłączony równolegle do opornika, a amperomierz szeregowo z innymi elementami obwodu. WSKAZÓWKA: Porównaj ze sobą ilorazy wartości napięcia i natężenia prądu elektrycznego, zapisane w ostatnim wierszu tabelki. Jaki nasuwa się wniosek? Sporządź w zeszycie wykres, na osi poziomej odłóż wartość napięcia elektrycznego U, a na osi pionowej wartość natężenia prądu I. Jakich jednostek użyjesz do oznaczenia osi w przypadku napięcia, a jakich w przypadku natężenia prądu elektrycznego? Polecenie W zeszycie napisz podsumowanie doświadczenia. Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl 114

116 Zapamiętaj Taką zależność, w której wzrost jednej wielkości pociąga za sobą proporcjonalny wzrost drugiej, nazywamy zależnością wprost proporcjonalną. Dane zapisane w tabelce i sporządzony wykres zależności I(U) wskazują na to, iż natężenie prądu elektrycznego przepływającego przez odbiornik pozostaje w zależności wprost proporcjonalnej do napięcia mierzonego na jego końcach. Fizycy na drodze pomiarów udowodnili prawdziwość tego stwierdzenia. Stanowi ono treść prawa, które od nazwiska jego odkrywcy nazywa się prawem Ohma i stanowi temat kolejnej lekcji. Podsumowanie Obwody elektryczne to układy elementów (przewodów, źródeł napięć, odbiorników, wyłączników) połączone w taki sposób, aby umożliwić przepływ prądu elektrycznego. Amperomierz to przyrząd służący do pomiaru natężenia prądu elektrycznego; do obwodów włączany jest szeregowo. Woltomierz to przyrząd służący do pomiaru napięcia elektrycznego; do obwodów włączany jest równolegle. Prąd może płynąć tylko w zamkniętych obwodach elektrycznych. Schemat obwodu elektrycznego to szkic, wykonany za pomocą symboli graficznych, pozwalający przedstawić wszystkie elementy obwodu elektrycznego i ich połączenia. Natężenie prądu elektrycznego przepływającego przez odbiornik jest wprost proporcjonalne do napięcie elektrycznego mierzonego między jego końcami. Praca domowa Sporządź schemat obwodu elektrycznego latarki kieszonkowej. a) b) Narysuj schemat układu, w którym dwa oporniki są połączone szeregowo z żarówką i ogniwem. Do końców żarówki jest podłączony woltomierz. Amperomierz znajduje się pomiędzy dwoma opornikami. Jak zmieni się wskazanie amperomierza, jeżeli włączymy go pomiędzy dwa oporniki a żarówkę? Słowniczek bateria układ połączonych ogniw, najczęściej szeregowo. 115

117 ogniwo chemiczne układ złożony z dwóch elektrod umieszczonych w elektrolicie, który zamienia energię chemiczną na elektryczną. woltomierz przyrząd służący do pomiaru napięcia elektrycznego, włączany do obwodu równolegle. Zadania podsumowujące moduł Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl 116

118 2.5. Połączenie szeregowe odbiorników Czasami lampki choinkowe przestają świecić. Wystarczy wymiana przepalonej żarówki, aby cały łańcuch zaczął znów działać. Jeśli chcesz się dowiedzieć, dlaczego tak się dzieje, zapoznaj się z tym tematem. Poznasz również dwa podstawowe sposoby łączenia odbiorników energii elektrycznej i to, jak płynie prąd w każdym z tych połączeń. Już potrafisz: posługiwać się pojęciem napięcie elektryczne ; wymieniać źródła napięcia elektrycznego; przedstawiać wybrane elementy obwodów elektrycznych (ogniwo, opornik, żarówkę, wyłącznik, amperomierz i woltomierz) za pomocą symboli graficznych; poprawnie odczytać i rysować schematy prostych obwodów elektrycznych; posługiwać się pojęciami: opór elektryczny, opór właściwy ; korzystać z zależności między natężeniem prądu, napięciem elektrycznym i oporem elektrycznym; opisywać wpływ długości przewodnika, pola jego przekroju i rodzaju materiału na opór przewodnika. Nauczysz się: rozpoznawać na schematach i w praktyce połączenie szeregowe odbiorników; posługiwać się zależnościami między natężeniem, napięciem i oporem elektrycznym w połączeniu szeregowym odbiorników; rozwiązywać problemy i zadania dotyczące połączenia szeregowego. 1. Połączenia szeregowe i równoległe Wspomniane we wstępie lampki choinkowe są jednym z przykładów połączenia szeregowego odbiorników prądu. Uszkodzenie (przepalenie) jednego z elementów obwodu, np. żarówki, uniemożliwia przepływ prądu obwód zostaje otwarty. Na ogół w instalacjach elektrycznych stosuje się 117

119 inny typ połączenia, tj. równoległe. Przekonaj się, jaka jest między nimi różnica. Zapoznaj się z poniższym ćwiczeniem. Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl W połączeniu szeregowym odłączenie jednej żarówki sprawia, że pozostałe przestają świecić. Natomiast w połączeniu równoległym nie wywołuje to żadnego skutku, tzn. pozostałe żarówki nadal świecą. Przyjrzyjmy się dokładnie wartościom napięcia i natężenia prądu płynącego w połączeniu szeregowym. Z pewnością zauważyłeś, że natężenie prądu między dowolnie wybranymi punktami w obwodzie elektrycznym nie zmieniało się. Napięcie elektryczne na żarówkach było różne, ale łącznie było równe napięciu wytwarzanemu przez źródło. Te spostrzeżenia są słuszne w obwodach połączonych szeregowo, tj. tak jak na schemacie na rysunku poniżej. Stwierdziliśmy, że napięcie w połączeniu szeregowym rozdziela się na odbiorniki: U = U 1 + U 2 (1) W obwodzie płynie prąd o natężeniu I. Uwzględnijmy zależność między napięciem i natężeniem: U = I R (2) Podstawiamy do równania (1) zależność (2) i otrzymujemy: I R = I R 1 + I R 2 (3) Równanie (3) dzielimy przez I i uzyskujemy wzór na opór całkowity: R = R 1 + R 2 (4) Wzór (4) pozwala obliczyć opór całkowity w obwodzie. W połączeniu szeregowym opór całkowity obliczamy, dodając do siebie opory wszystkich odbiorników. Opór całkowity nazywany jest też oporem zastępczym. Powodem jest to, że gdy zamiast oporników R 1 i R 2 włączymy jeden, ale mający opór równy sumie tych oporów, to natężenie prądu w obwodzie nie ulegnie zmianie. Zadanie 2 Ilustracja 1. Opór zastępczy w połączeniu szeregowym - ćwiczenie 118

120 Aplikacja na epodreczniki.pl Zadanie 3 Ilustracja 2. Opór zastępczy w połączeniu szeregowym - ćwiczenie2 Aplikacja na epodreczniki.pl 2. Połączenie szeregowe rozwiązywanie zadań Przykład Dwie żarówki o oporach R 1 = 30 Ω i R 2 = 70 Ω połączono szeregowo do źródła napięcia tak, że płynął przez nie prąd o natężeniu I = 150 ma. Oblicz wartości napięć przyłożonych do poszczególnych żarówek i napięcie wytwarzane przez źródło. Rozwiązanie: Natężenie prądy płynącego przez poszczególne żarówki jest jednakowe i wynosi I = 150 ma. Zgodnie z prawem Ohma (po przekształceniu): U = I R czyli: U 1 = I R 1 i U 2 = I R 2 119

121 Natomiast U całk = U 1 + U 2 Dane: R 1 = 30 Ω R 2 = 70 Ω I = 150 ma = 0,15 A Szukane: U 1 =? U 2 =? U =? Obliczenia: U 1 = 0,15 A 30 Ω = 4,5 V U 2 = 0,15 A 70 Ω = 10,5 V U całk = 4,5 V + 10,5 V = 15 V Odpowiedź: Do pierwszej żarówki przyłożone jest napięcie równe 4,5 V, do drugiej 10,5 V. Napięcie wytwarzane przez źródło prądu wynosi 15 V. Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Przykład Oporniki o oporach R 1 = 40 Ω i R 2 = 60 Ω połączono szeregowo i podłączono do układu napięcie U = 5 V. Oblicz natężenie prądu w obwodzie. Dane: R 1 = 40 Ω R 2 = 60 Ω U = 5 V Szukane: I =? Wzory: U = I R I = U R R = R 1 + R 2 Obliczenia: / : R R = 40 Ω + 60 Ω = 100 Ω I = 5 V = 0, 05 A 100 Ω Odpowiedź: W obwodzie płynie prąd o natężeniu 0,05 A. 120

122 Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Przykład W obwodzie elektrycznym znajdują się trzy oporniki o oporze R 1 = 2 Ω każdy, połączone szeregowo, oraz bateria o napięciu U = 9 V. Oblicz natężenie prądu w obwodzie oraz napięcie między końcami poszczególnych oporników. Zależności: I = U R R = 3 R 1 U = 3 U 1 Dane: R 1 = 2 Ω U = 9 V Szukane: U 1 =? I =? Obliczenia: R = 3 2 Ω = 6 Ω I = 9 V 6 Ω = 1,5 A U 1 = 1,5 A 2 Ω = 3 V Odpowiedź: W obwodzie płynie prąd o natężeniu 1,5 A, a napięcie między końcami każdego opornika wynosi 3 V. Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Podsumowanie W połączeniu szeregowym przez obwód elektryczny płynie prąd o natężeniu I. Jest ono jednakowe w każdym miejscu układu szeregowego. Napięcie między końcami układu szeregowego oporników jest równe sumie napięć miedzy końcami każdego z nich. Opór całkowity (zastępczy) R w połączeniu szeregowym jest sumą oporów poszczególnych odbiorników: R = R 1 + R 2 + R

123 Praca domowa Poszukaj w domu zestawu oświetlenia choinkowego. a) b) c) Sprawdź, jak połączono lampki (szeregowo czy równolegle). Opisz i uzasadnij swoją metodę badawczą. Na opakowaniu (lub urządzeniu sterującym lampkami) poszukaj informacji, do jakiego maksymalnego napięcia można je podłączyć i jakie może być maksymalne natężenie płynącego prądu. Następnie zanotuj te wielkości i oblicz opór całkowity. Sprawdź na opakowaniu lub oblicz, z ilu żarówek składa się łańcuch. Na podstawie otrzymanego wyniku oblicz opór jednej żarówki przy założeniu, że połączone są szeregowo. Zadania podsumowujące moduł Zadanie 7 Na rysunku przedstawiono schemat połączenia trzech oporników. Ilustracja 3. Opór zastępczy w połączeniu szeregowym - zadanie1 Aplikacja na epodreczniki.pl Zadanie 8 Ilustracja 4. Opór zastępczy w połączeniu szeregowym - zadanie2 122

124 Aplikacja na epodreczniki.pl Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Zadanie 11 Na rysunku przedstawiono schemat połączenia dwóch oporników R 1 < R 2. Ilustracja 5. Opór zastępczy w połączeniu szeregowym - zadanie3 Aplikacja na epodreczniki.pl 123

125 2.6. Połączenie równoległe odbiorników Jeśli w samochodzie przepali się jeden z reflektorów, to czy pozostałe światła będą działać bez zarzutu? Jeśli chcesz poznać odpowiedź na to pytanie, czytaj dalej! Już potrafisz: podać definicję napięcia elektrycznego U i jego jednostki jednego wolta (1 V); podać definicję natężenia I prądu elektrycznego i jego jednostki jednego ampera (1 A); stwierdzić, że natężenie prądu płynącego przez przewodnik jest wprost proporcjonalne do napięcia przyłożonego między jego końcami; podać definicje miary oporu elektrycznego przewodnika jako stosunek napięcia przyłożonego między jego końcami do natężenia prądu przezeń płynącego; podać definicję jednostki oporu elektrycznego jednego oma (1 Ω). Nauczysz się: rozpoznawać na schematach i w praktyce połączenie równoległe odbiorników; posługiwać się zależnościami między natężeniem, napięciem i oporem elektrycznym w połączeniu równoległym odbiorników; rozwiązywać problemy i zadania dotyczące połączenia równoległego odbiorników prądu elektrycznego. 1. Połączenie równoległe kilka słów o podstawach teoretycznych Natężenie prądu płynącego przez przewodnik podłączony do stałego źródła napięcia ma jednakową wartość w każdym miejscu przewodnika. Zastanówmy się, co dzieje się w sytuacji, w której nastąpi rozgałęzienie przewodnika, czyli gdy będzie on doprowadzał prąd do urządzeń połączonych równolegle. Czy natężenie prądu również będzie miało identyczną wartość? Punkt, w którym następuje rozgałęzienie, nazywane jest węzłem. Natężenie prądu dopływającego do węzła jest równe I. Z węzła wychodzą dwa przewody, w których natężenia prądu są różne. 124

126 Oznaczmy je I 1 oraz I 2. Suma natężeń prądów wypływających z węzła jest równa natężeniu prądu dopływającego do niego, czyli: I = I 1 + I 2 Ilustracja 1. Prawo Kirchhoffa Zależność ta nosi nazwę pierwszego prawa Kirchhoffa. Prawo: pierwsze prawo Kirchhoffa Suma natężeń prądów wpływających do dowolnego węzła jest równa sumie natężeń prądów wypływających z tego węzła. Sformułowanie, że odbiorniki są połączone równoległe, oznacza, iż są one połączone za pomocą przewodów z dwóch stron, a napięcie jest przyłożone do pary połączonych końcówek. Przyjrzyj się jeszcze raz połączeniu równoległemu oporników. Oglądając poniższy film, zwróć uwagę na zmierzone wartości napięcia i natężenia. Z pewnością zauważyłeś, że zmierzone napięcie między końcami oporników i napięcie źródła są sobie równe. Tak samo jest w przypadku wartości natężeń prądów dopływających do węzła i natężeń prądów z niego wypływających, czyli spełnione jest pierwsze prawo Kirchhoffa. Oporniki połączone równolegle można zastąpić jednym równoważnym opornikiem R, do końców którego przyłożona zostanie napięcie U i przez który przepływał będzie prąd o natężeniu I. Natężenie tego prądu będzie równe sumie natężeń prądów w opornikach połączonych równolegle. Aby wyznaczyć wartość tego zastępczego oporu, posłużymy się schematem i poznanymi zależnościami między napięciem, natężeniem i oporem elektrycznym. Ilustracja 2. Połączenie równoległe oporników 125

127 Zapisujemy pierwsze prawo Kirchhoffa dla obwodu: I = I 1 + I 2 (1) Uwzględniamy zależność między napięciem (U) oraz natężeniem (I) i otrzymujemy: U = I R (2) Przekształcamy wzór (2), dzieląc go przez opór (R), aby wyznaczyć natężenie: I = U R (3) Podstawiamy do równania (1) do zależność (3): U R = U R 1 + U R 2 (4) Równanie (4) dzielimy przez napięcie (U): 1 R = (5) R 1 R 2 Ze wzoru (5) wynika, że suma odwrotności oporów poszczególnych elementów jest równa odwrotności oporu zastępczego. Równanie łatwiej będzie zrozumieć, gdy zapoznacie się z przykładem. Przykład Dwa oporniki o oporach R 1 = 2 Ω i R 2 = 3 Ω połączono równolegle. Oblicz opór zastępczy tych oporników. Zależność: 1 R = R 1 R 2 Dane: 126

128 R 1 = 2 Ω R 2 = 3 Ω Szukane: R =? Obliczenia: 1 R = 1 2 Ω Ω Sprowadzamy ułamki do wspólnego mianownika: 1 R = 3 6 Ω Ω 1 R = 5 6 Ω Aby obliczyć opór zastępczy, należy postępować tak, jak w przypadku proporcji, czyli pomnożyć po przekątnych: 5 R = 1 6 Ω / : 5 R = 1,2 Ω Odpowiedź: Opór zastępczy układu oporników wynosi R = 1,2 Ω. Zadanie 1 Ilustracja 3. Prawo Kirchhoffa-zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Zadanie 2 127

129 Ilustracja 4. Połączenie równoległe - opór zastępczy Aplikacja na epodreczniki.pl opornik zastępczy Oporniki połączone równolegle można zastąpić jednym równoważnym opornikiem R, który nazywa się opornikiem zastępczym. Do końców opornika zastępczego przyłożone jest napięcie U i płynie przez niego prąd o natężeniu I będący sumą natężeń prądów w opornikach połączonych równolegle. Opór zastępczy w połączeniu równoległym oblicza się za pomocą wzoru: 1 R = R 1 R 2 gdzie: R n jest oporem n tego opornika; R oporem zastępczym. 2. Połączenie równoległe rozwiązywanie zadań Przykład Dwa oporniki o oporach R 1 = 20 Ω i R 2 = 30 Ω połączono równolegle. Oblicz natężenie prądu płynącego przez każdy opornik, jeśli podłączono je do źródła stałego napięcia U = 6 V. Zależności: I = U R Dane: R 1 = 20 Ω R 2 = 30 Ω U = 6 V Szukane: I 1 =? I 2 =? Obliczenia: I 1 = 6 V 20 Ω = 0,3 A 128

130 I 2 = 6 V 30 Ω = 0,2 A Odpowiedź: Przez opornik R 1 płynął prąd o natężeniu 0,3 A, a przez opornik R 2 prąd o natężeniu 0,2 A. Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Przykład Na podstawie danych zawartych na schemacie obwodu elektrycznego oblicz, jakie będą wskazania mierników. Amperomierz A 1 wskazuje 0,5 A. Ilustracja 5. Połączenie równoległe - przykład Zależności: I = U R Dane: R 1 = 6 Ω R 2 = 10 Ω I 1 = 0,5 A Szukane: I =? I 2 =? U =? Obliczenia: U = 0,5 A 6 Ω = 3 V I 2 = 3 V 10 Ω = 0,3 A 129

131 I = I 1 + I 2 I = 0, 5 A + 0, 3 A = 0, 8 A Odpowiedź: Woltomierz wskazuje 3 V, amperomierz A 2 pokazuje wartość 0,3 A, natomiast amperomierz A podaje wartość 0,8 A. Zadanie 4 Ilustracja 6. Połączenie równoległe - ćwiczenie aktywizujące Aplikacja na epodreczniki.pl Przykład Na podstawie schematu obwodu elektrycznego oblicz: a) b) c) napięcie wytwarzane przez baterię. natężenie prądu płynącego przez opornik R. opór opornika R. Ilustracja 7. Połączenie równoległe - przykład 130

132 Zależności: U = I 1 R 1 I = I 1 + I 2 R = U I 2 Dane: I = 0,4 A I 1 = 0,3 A R 1 = 100 Ω Szukane: U =? I 2 =? R =? Obliczenia: U = 0,3 A 100 Ω = 30 V 0,3 A + I 2 = 0,4 A I 2 = 0,4 A 0,3 A = 0,1 A R = 30 V 0,1 A = 300 Ω Przykład Odpowiedź: Bateria wytwarza napięcie 30 V. Natężenie prądu płynącego przez opornik R jest równe 0,1 A. Opór opornika wynosi 300 Ω. Zadanie 5 Ilustracja 8. Połączenie równoległe - ćwiczenie aktywizujące 131

133 Aplikacja na epodreczniki.pl Podsumowanie: Pierwsze prawo Kirchhoffa: suma natężeń prądów wpływających do węzła i suma natężeń prądów z niego wypływających są sobie równe. I = I 1 + I 2 Napięcie przyłożone do oporników połączonych równolegle i napięcie na poszczególnych opornikach mają taką samą wartość. Odwrotność oporu całkowitego (zastępczego R) w połączeniu równoległym odbiorników obliczamy, dodając do siebie odwrotności opory poszczególnych odbiorników (R n ). 1 R = R 1 R 2 Praca domowa W różnych instalacjach elektrycznych znajdują się bezpieczniki. Wyszukaj w dostępnych Ci źródłach (książki, Internet), jaką rolę pełni bezpiecznik w instalacji? Opisz, jak on działa. 132

134 Biogram Biogram Gustaw Robert Kirchhoff Ilustracja 9. Gustaw Robert Kirchhoff Data urodzenia: Miejsce urodzenia: Królewiec Data śmierci: Miejsce śmierci: Berlin Gustaw Robert Kirchhoff ( ) był niemieckim fizykiem o szerokich zainteresowaniach badawczych. Jest współtwórcą analizy spektralnej, czyli określania składu chemicznego np. mieszaniny pierwiastków poprzez analizę światła emitowanego przez substancje o wysokiej temperaturze. W 1845 r. opublikował prawa dotyczące przepływu prądu elektrycznego, poszerzając tym samym odkrycia Georga Ohma. Zadania podsumowujące moduł Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Zadanie 7 133

135 Ilustracja 10. Połączenie równoległe - zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl 134

136 2.7. Praca prądu elektrycznego Na rachunkach za zużycie energii elektrycznej widnieje napis: Ilość zużytych kilowatogodzin. Jeśli chcesz się dowiedzieć, dlaczego twoje kieszonkowe jest takie niskie i za co tak naprawdę muszą płacić rodzice czytaj dalej. Już potrafisz: podać definicję napięcia elektrycznego i jego jednostki jednego wolta (1 V); stwierdzić, że miarą natężenia I prądu przepływającego przez daną powierzchnię jest ilość ładunku elektrycznego przenoszonego przez tę powierzchnię w jednostce czasu; podać definicję jednostki natężenia prądu elektrycznego jednego ampera (1 A); podać definicję pracy mechanicznej i zapisać za pomocą wzoru jej związek z mocą; obliczać moc wydzielaną w odbiornikach elektrycznych, znając wartości natężenia płynącego przez nie prądu i napięcia między ich końcami. Nauczysz się: posługiwać się zależnością między pracą prądu elektrycznego, napięciem elektrycznym, natężeniem i czasem; przeliczać kilowatogodziny na dżule i dżule na kilowatogodziny; obliczać koszt zużytej energii elektrycznej; rozwiązywać zadania i problemy dotyczące pracy prądu elektrycznego. 1. Praca prądu elektrycznego Z lekcji poświęconej zjawisku przepływu prądu elektrycznego wiesz, że poruszające się pod wpływem napięcia elektrony w wyniku uderzeń w atomy i inne elektrony w przewodniku będą traciły energię. Prąd przestanie płynąć. Aby utrzymać przepływ prądu, musimy cały czas dostarczać energię elektronom w przewodniku. Oznacza to, że napięcie elektryczne jest potrzebne cały czas, a jego źródło musi dostarczać energię dryfującym elektronom, aby prąd mógł płynąć w obwodzie. 135

137 Na lekcji poświęconej napięciu elektrycznemu poznałeś definicję napięcia. Wynika z niej, że napięcie elektryczne między końcami przewodnika jest równe stosunkowi pracy W wykonanej podczas przenoszenia ładunku q między końcami przewodnika do tego ładunku: U = W q Wynika z tego dalej, że jeśli znamy wartość napięcia pomiędzy końcami przewodnika, potrafimy obliczyć pracę wykonywaną przez prąd elektryczny. W = U q Jak zapewne pamiętasz, na pierwszej lekcji poświęconej przepływowi prądu elektrycznego zdefiniowaliśmy wielkość zwaną natężeniem prądu: I = q t gdzie: I natężenie prądu elektrycznego, q ładunek, jednostka kulomb C, t czas, jednostka sekunda s. Z tej definicji wynika, że ładunek, jaki przepływa w czasie t, może być obliczony z zależności: q = I t Z powyższych wyliczeń można wysnuć wniosek, że praca, jaką wykonuje źródło napięcia, jest równa W = U q = U I t Jednostką pracy w układzie SI jest dżul, symbol J. Jednak dla określania pracy prądu elektrycznego jest ona za mała. Stosuje się inną jednostkę kilowatogodzinę, symbol kwh. kilowatogodzina energia zużyta przez urządzenie o mocy W (czyli 1 kilowata) w czasie 1 godziny. Sprawdźmy, ile dżuli ma jedna kilowatogodzina. 1 kwh = W 1 h = W s = J = 3, J = 3,6 MJ Widać więc, że dżul w porównaniu z kilowatogodziną jest niewielką jednostką. Zapamiętaj 1 kwh = 3, 6 MJ 136

138 Ciekawostka James Prescott Joule ( ) był angielskim fizykiem, uczniem Johna Daltona. Joule prowadził badania nad ciepłem i odkrył jego związek z energią mechaniczną. To odkrycie pozwoliło mu na sformułowanie prawa zachowania energii oraz pierwszego prawa termodynamiki. W wyniku prowadzonych obserwacji dotyczących ciepła i przepływu prądu odkrył związek między natężeniem prądu płynącego przez opornik i ciepłem na nim wydzielanym. Pracował także z Lordem Kelvinem nad tzw. absolutną skalą temperatur. Ilustracja 1. James Prescoult Joule Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl 137

139 2. Praca prądu elektrycznego rozwiązywanie zadań Przykład Mama Kasi używa odkurzacza o mocy W średnio przez 8 h w miesiącu. Oblicz pracę, jaką wykonuje odkurzacz w ciągu miesiąca. Wynik podaj w dżulach i kilowatogodzinach. Zależność: W = P t Dane: P = 2000 W = 2 kw t = 8 h = s = s Szukane: W =? Obliczenia: W = W s = J = 57,6 MJ W = 2 kw 8 h = 16 kwh Odpowiedź: Odkurzacz wykonuje pracę 57,6 MJ, czyli 16 kwh. Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Przykład Żarówka latarki kieszonkowej jest zasilana z baterii o napięciu 4,5 V i natężeniu 0,05 A. Ile energii elektrycznej zużyje latarka w czasie 3 minut? Zależności: W = U I t Dane: U = 4,5 V I = 0,05 A t = 3 min = 180 s Szukane: W =? Obliczenia: W = 4,5 V 0,05 A 180 s = 40,5 J Odpowiedź: Żarówka zużyje 40,5 J energii elektrycznej. 138

140 Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Przykład Pralka o mocy W była włączona przez 4 godziny. Oblicz koszt energii elektrycznej zużytej przez pralkę. Przyjmij, że cena 1 kwh wynosi 60 groszy. Dane: P = W = 1,5 kw t = 4 h Szukane: W =? W = P t Obliczenia: W = 1,5 kw 4 h = 6 kwh 6 0,60 zł = 3,60 zł Odpowiedź: Koszt energii elektrycznej zużytej przez pralkę wynosi 3,60 zł. Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Przykład W domowej instalacji elektrycznej urządzenia są połączone równolegle. Na podstawie danych zawartych w tabeli oblicz ilość zużytej energii elektrycznej przez wszystkie urządzenia. Jaki jest koszt zużytej energii elektrycznej w ciągu doby? Przyjmij, że cena 1 kwh wynosi 60 groszy. Tabela 1. Tabela mocy wybranych urządzeń domowych Urządzenie Moc (kw) Czas pracy w ciągu doby (h) Czajnik elektryczny 1,0 0,5 Żarówki 2,0 6 Lodówka 0,

141 Urządzenie Moc (kw) Czas pracy w ciągu doby (h) Odkurzacz 2,0 0,2 Zależności: W = W 1 + W 2 + W 3 + W 4 W = P t Dane: P 1 = 1,0 kw t 1 = 0,5 h P 2 = 2,0 kw t 2 = 6 h P 3 = 0,3 kw t 3 = 24 h P 4 = 2,0 kw t 4 = 0,2 h Szukane: W =? Obliczenia: Najpierw obliczamy energię zużytą przez każde urządzenie. W 1 = 1,0 kw 0,5 h = 0,5 kwh W 2 = 2,0 kw 6 h = 12 kwh W 3 = 0,3 kw 12 h = 3,6 kwh W 4 = 2,0 kw 0,2 h = 0,4 kwh Sumujemy uzyskane wyniki. W całk = 0,5 kwh + 12 kwh + 3,6 kwh + 0,4 kwh = 16,5 kwh Obliczamy koszt. 16,5 0,6 zł = 9,9 zł Odpowiedź: Koszt energii elektrycznej wynosi 9,9 zł. Podsumowanie Pracę prądu elektrycznego (W) oblicza się ze wzorów: W = P t lub W = U I t gdzie: P moc, t czas, U napięcie, I natężenie. Jednostką energii elektrycznej jest dżul (J), ale często używana jest kilowatogodzina, symbol kwh. Jedna kilowatogodzina jest równa energii elektrycznej zużytej przez odbiornik energii elektrycznej o mocy 1kW w ciągu 1 godziny. Jest ona równa 3,6 megadżuli: 1 kwh = 3,6 MJ 140

142 Praca domowa 1 Odszukaj rachunek za energię elektryczną. Odczytaj z niego i zapisz: ilość zużytej energii; cenę 1 kwh; kwotę do zapłaty. a) Oblicz koszt zużytej energii elektrycznej, korzystając z odczytanych danych. Porównaj otrzymaną kwotę z kwotą podaną na rachunku. Wyjaśnij, skąd bierze się różnica między twoim obliczeniem a kwotą z rachunku. Wypełnij formularz i wydrukuj Ilość zużytej energii:... kwh Cena 1 kwh:... zł Kwota do zapłaty:...zł Obliczony koszt:... zł Wyjaśnienie: Zastanów się, które urządzenie codziennego użytku jest najdłużej włączone (z wyjątkiem lodówki). Oszacuj, ile godzin (minut) ono pracuje. Odczytaj jego moc i oblicz miesięczny koszt zużytej przez nie energii elektrycznej. Przyjmij cenę 1kWh odczytaną z rachunku. Zadania podsumowujące moduł Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl 141

143 2.8. Moc prądu elektrycznego Wiesz już, że taka sama praca może być wykonywana w różnym czasie. Wielkością fizyczną, która opisuje, jak szybko wykonujemy pracę, jest moc. Uważny obserwator oglądając urządzenia elektryczne, może dostrzec na ich tabliczkach znamionowych zestawy danych, które opisują parametry eksploatacyjne takich urządzeń. Jednym z nich jest moc. Wiesz już, że moc to szybkość wykonywania pracy, lecz co to tak naprawdę oznacza w przypadku silnika elektrycznego? Czym jest moc prądu elektrycznego? Już potrafisz: Podać definicję napięcia elektrycznego i jego jednostki jednego wolta (1 V); Podać definicję natężenia prądu i jego jednostki jednego ampera (1 A); Sformułować prawo Ohma. Nauczysz się: posługiwać się zależnością między mocą, napięciem elektrycznym i natężeniem; rozwiązywać zadania i problemy dotyczące mocy prądu. 1. Moc prądu elektrycznego Na wielu urządzeniach elektrycznych codziennego użytku znajdują się napisy dotyczące ich mocy. Jak zwykle moc (P) informuje o pracy (W) wykonywanej przez urządzenie w jednostce czasu (t): P = W t Zastanówmy się, czym jest moc prądu elektrycznego. W tym celu rozważymy obwód elektryczny składający się ze źródła prądu, przewodów i dowolnego elementu. Tym elementem może być opornik, akumulator, silnik itp. 142

144 Ilustracja 1. Moc prądu w obwodzie Oprócz informacji o mocy urządzenia elektryczne mają podane napięcie elektryczne, przy którym pracują. W jaki sposób te dwie wielkości są ze sobą związane? Z poprzednich lekcji wiemy, że napięcie U między końcami danego odbiornika energii elektrycznej definiowane jest w następujący sposób: U = W q Gdzie W jest pracą wykonywaną przez źródło napięcia w celu przeniesienia ładunku elektrycznego q wzdłuż przewodnika. Ładunek q może być obliczony z zależności (również poznanej na pierwszej lekcji w tym dziale): q = I t A zatem: W = P t ; W = U q, a q = I t. Łącząc te zależności otrzymamy: W = P t = q U = U I t Z powyższej zależności otrzymamy łatwo, że P = U I 143

145 moc prądu elektrycznego ilość energii przekazywanej w jednostce czasu ze źródła do opornika; wyznaczamy ją ze wzoru: P = I U gdzie: I natężenie, a U napięcie elektryczne. Jednostką mocy w układzie SI jest jeden wat (1 W). 1 W = 1 V A = ( 1 J C) ( 1 C s ) = 1 J s Często używane są wielokrotności tej jednostki, czyli kilowat (kw) watów i megawat (MW) 1 milion watów. Ta ostatnia jednostka stosowana jest najczęściej przy opisie mocy wytwarzanych w elektrowniach. Ciekawostka Odkurzacz z napisem 2000 W wykona pracę 2000 J w czasie 1 sekundy, a odkurzacz o mocy 2500 W w tym samym czasie wykona pracę równą 2500 J. Jeśli kupisz odkurzacz o mocy 2500 W, zaoszczędzisz na czasie, ponieważ szybciej pracuje. Ale czy takie rozwiązanie jest tańsze? Elektryczna energia potencjalna może zamienić się na energię mechaniczną, chemiczną lub ciepło w zależności od elementu znajdującego się w obwodzie. Jeśli do źródła prądu podłączony zostanie silnik, to nastąpi zamiana w energię mechaniczną. Jeśli tym elementem jest akumulator (podłączony w celu naładowania), to energia jest zamieniana na energię chemiczną. W przypadku opornika energia zamieni się na energię wewnętrzną (co będzie prowadziło do wzrostu jego temperatury). Dla odbiornika o oporze R, na którym wydziela się ciepło, np. opornika lub żarówki, można połączyć wzory na napięcie i moc: U = I R i P = I U W rezultacie możemy otrzymać jedną z dwu możliwych zależności: P = I U = I I R = I 2 R lub P = I U = U R U = U2 R Powyższe wzory można stosować jedynie w wypadku, gdy następuje zamiana energii elektrycznej na energię termiczną (wewnętrzną). 144

146 Ciekawostka Jak działa (tradycyjna) żarówka? Jeśli moc rozproszona w przewodzie jest duża, to w czasie 1 sekundy wytwarza się duża ilość ciepła. Do włókna żarowego ciepło to jest dostarczane tak szybko, że nie ma ono czasu na emisję tego ciepła do otoczenia. Następuje zatem gwałtowny wzrost temperatury włókna żarowego. Jeśli temperatura jest wystarczająco wysoka, drut zaczyna się żarzyć i emituje światło. Szacuje się, że około 10% energii rozproszonej w żarówce jest zamieniana na światło, a reszta na ciepło (które przyczynia się do wzrostu temperatury drucika). Spora ilość energii wysyłana jest przez żarówkę do otoczenia. Ilustracja 2. Moc prądu w obwodzie Przykład Prąd o natężeniu 3 A przepływa przez piekarnik elektryczny pracujący pod napięciem 230 V. Oblicz moc piekarnika. Zależności: P = U I Dane: I = 3 A U = 230 V Szukane: P =? Obliczenia: 145

147 P = 230 V 3 A = 690 W Odpowiedź: Moc kuchenki jest równa 690 W. Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Przykład Żarówka o mocy 100 W jest włączona do sieci o napięciu 230 V. Oblicz natężenie prądu, jaki przez nią płynie. Jeśli żarówka zamienia 10% pobieranej energii na światło, to ile energii świetlnej emituje w czasie 1 sekundy? Zależności: P = I U / : U I = P U P = W t / t W = P t Dane: P = 100 W U = 230 V t = 1 s Szukane: I =? W =? Obliczenia: I = 100 W 230 V? 0,43 A W światła = 10% 100 W 1 s = 10 J Odpowiedź: Natężenie prądu płynącego przez żarówkę wynosi 0,43 A. Energia emitowana przez nią w formie światła w czasie 1 s wynosi 10 J. Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Przykład Spirala grzejna piekarnika o oporze 25 Ω jest zasilana z sieci domowej o napięciu 230 V. Oblicz moc grzałki w piekarniku. 146

148 Zależności: P = U2 R P = U I I = U R Uwaga: Zadanie może być rozwiązane poprzez zastosowanie bezpośrednio zależności pierwszej lub poprzez obliczenie wartości najpierw natężenia prądu (z prawa Ohma), a następnie mocy z zależności: P = U I. Dane: R = 23 Ω U = 230 V Szukane: P =? Obliczenia 1. sposób: P = ( 230 V) = W = 2300 W 23 Ω 23 Obliczenia 2. sposób: Natężenie prądu jest równe I = U R = 230 V 23 Moc P = U I = 230 V 10 A = 2300 W Odpowiedź: = 10 A Moc grzałki w piekarniku jest równa W. Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Podsumowanie Moc prądu elektrycznego (P) informuje o ilości energii elektrycznej (W) przekazanej elementowi obwodu elektrycznego w jednostce czasu (t): P = W t Moc prądu elektrycznego obliczamy, mnożąc napięcie elektryczne (U) przez natężenie prądu elektrycznego (I). P = U I 147

149 Praca domowa Doświadczenie 1 [DO WYKONANIA POD NADZOREM OSOBY DOROSŁEJ] WAŻNE: To doświadczenie można wykonać w domu lub na kółku fizycznym w szkole. CEL: Wyznaczenie mocy żarówki elektrycznej. CO BĘDZIE POTRZEBNE: żarówka (np. z latarki kieszonkowej); przewody; miernik uniwersalny; bateria. INSTRUKCJA: 1. Zbuduj pod opieką osoby dorosłej obwód według schematu. Ilustracja 3. Moc żarówki 148

150 Zmierz wartości napięcia i natężenia prądu elektrycznego w obwodzie. Oblicz moc żarówki. Pomiary powtórz trzykrotnie. PODSUMOWANIE: Porównaj uzyskany wynik z mocą zapisaną na żarówce. Wydrukuj formularz i sporządź notatkę. Tabela 1.:Zależność mocy żarówki od napięcia i natężenia prądu w obwodzie Nr pomiaru U, V I, A P, W

151 Nr pomiaru U, V I, A P, W Wartość średnia Wyznaczona moc żarówki:... Odczytana moc żarówki:... Podsumowanie doświadczenia:... Zadania podsumowujące moduł Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl 150

152 2.9. Wyznaczanie oporu elektrycznego i mocy wydzielanej w oporniku zasilanym z baterii. Powtórzenie wiadomości Czasem warto sprawdzić doświadczalnie, czy odbiornik energii elektrycznej ma taki opór, jaki wskazują oznaczenia, i czy wydzielana na nim moc jest zgodna z opisem urządzenia. Na tej lekcji nauczysz się, jak to zrobić. Już potrafisz: używać jednostki napięcia elektrycznego wolt [1 V], jednostki natężenia prądu amper [1 A] i mocy wat [1 W] oraz oporu elektrycznego om [1 ]; podawać definicje miary oporu elektrycznego jako stosunku napięcia elektrycznego przyłożonego między końcami przewodnika do natężenia płynącego przez niego prądu; stosować prawo Ohma; obliczać pracę i moc w obwodzie elektrycznym. Nauczysz się: wykonać rysunek schematyczny układu doświadczalnego w celu wyznaczenia oporu i mocy opornika zasilanego z baterii; budować układ doświadczalny; posługiwać się amperomierzem i woltomierzem, opisać ich rolę w pomiarach; wyznaczyć doświadczalnie opór elektryczny i moc wydzielaną w oporniku; 1. Wyznaczenie oporu elektrycznego i mocy wydzielanej w oporniku Krótkie przypomnienie: Prawo Ohma opisuje zależność między natężeniem prądu (I) płynącym w przewodniku a napięciem (U) przyłożonym między końcami tego przewodnika. Napięcie mierzy się w woltach (V), a 151

153 natężenie w amperach. Zależność ta przedstawia się następująco: I = 1 R U We wzorze R oznacza opór elektryczny, a jego jednostką jest om (Ω). Z prawa Ohma wynika, że miarą oporu przewodnika jest stosunek napięcia miedzy końcami przewodnika do natężenia płynącego prądu: R = U I Aby wyznaczyć wartość oporu elektrycznego żarówki, trzeba zatem zmierzyć wartości napięcia i natężenia prądu przy użyciu odpowiednich mierników. Amperomierz to przyrząd służący do pomiaru natężenia. Aby tego pomiaru dokonać, prąd musi przepływać przez miernik, dlatego amperomierz podłącza się szeregowo do obwodu. Prawidłowy pomiar natężenia prądu jest możliwy dzięki temu, że amperomierz wytwarza mały opórw porównaniu z innymi oporami w obwodzie. Gdyby opór miernika był duży, to sama obecność amperomierza zmieniłaby natężenie mierzonego prądu. Woltomierz to przyrząd służący do pomiaru napięcia. Aby je wyznaczyć, wystarczy przyłożyć końce woltomierza do dwóch końców przewodnika. Oznacza to, że podłączamy go równolegle. Woltomierz powinien mieć duży opór elektryczny w porównaniu z oporem elementu obwodu, do którego jest podłączony. Gdyby było inaczej, to przez miernik płynąłby prąd o dużym natężeniu, co zmieniałoby wartość wielkości fizycznych w obwodzie. Zastanów się, w jaki sposób można wyznaczyć opór elektryczny opornika. Pomocne w prawidłowych rozważaniach będą poniższe ćwiczenia. Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl 152

154 Kolejnym etapem jest wykonanie pomiarów i wyznaczenie oporu elektrycznego odbiornika energii elektrycznej. Zapoznaj się z przykładem przedstawionym na filmie. Za pomocą tego samego zestawu doświadczalnego możesz wyznaczyć moc żarówki. Gdy znasz napięcie (U) i natężenie (I), możesz obliczyć moc (P): Wzór do zagadnienia: moc P = U I Jednostką mocy jest wat (W). Obejrzyj, w jaki sposób wyznacza się moc żarówki. Dzięki pomiarowi napięcia i natężenia można wyznaczyć dwie wielkości fizyczne opór elektryczny i moc badanego odbiornika energii. Pozyskane dane mogą posłużyć także w dalszym określaniu zależności między wielkościami fizycznymi, także w postaci wykresów. Tak będzię np. między oporem żarówki a przyłożonym do niej napięciem lub między mocą urządzenia a przyłożonym do niego napięciem. Pytania można mnożyć, a na podstawie wyników badań formułować odpowiedzi. Analiza otrzymanych wyników pomiarów może przyczynić się do znalezienia nowych zależności międy wielkościami fizycznymi. Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Podsumowanie Aby wyznaczyć opór elektryczny i moc żarówki (lub innego elementu), trzeba zbudować obwód elektryczny składający się z: przewodów elektrycznych, baterii, żarówki (lub innego elementu), amperomierza i woltomierza. Następnie należy dokonać pomiaru napięcia i natężenia prądu. Na podstawie uzyskanych wyników doświadczalnych wyznaczymy opór i moc. Opór elektryczny (R) oblicza się, dzieląc napięcie (U) przez natężenie (I), czyli ze wzoru: R = U I Moc (P) oblicza się, mnożąc napięcie (U) przez natężenie (I), czyli ze wzoru: P = U I Po obliczeniu oporu lub mocy należy uwzględnić niepewność pomiarową związaną między innymi z dokładnością użytych mierników. 153

155 Praca domowa Doświadczenie 1 CEL: Wyznaczenie oporu elektrycznego i mocy żarówki. CO BĘDZIE POTRZEBNE: przewody elektryczne; żarówka (6 V/2,7 W) lub opornik (10 Ω); amperomierz cyfrowy lub analogowy; woltomierz cyfrowy lub analogowy; trzy ogniwa R14 (R20); dwie listewki; taśma klejąca; nożyczki. INSTRUKCJA: Zbuduj obwód elektryczny składający się z: przewodów, żarówki (opornika), amperomierza i woltomierza. Listewki połącz ze sobą taśmą klejąca tak, aby utworzyły korytko na baterie. Odczytaj dokładność pomiarową używanych przez ciebie mierników. Narysuj schemat układu doświadczalnego. Sporządź tabelkę, w której umieścisz wyniki pomiarów. Wystarczą trzy pomiary. 154

156 Tabela 1.:Doświadczenie wyniki pomiarów Nr pomiaru U, V I, A R, Ω P = U I, W Średnia arytmetyczna PODSUMOWANIE: 1. Oblicz średnią wartość wyników pomiaru napięcia i natężenia, a następnie wyznacz wartość oporu elektrycznego żarówki i moc żarówki. a. Wyznaczona wartość średnia oporu elektrycznego żarówki: b. Wyznaczona wartość średnia mocy żarówki: c. Dokładność urządzeń pomiarowych tj. amperomierza wynosi, a woltomierza jest równa. Opór elektryczny i moc żarówki można wyznaczyć, dzięki wykonanym pomiarom napięcia i natężenia prądu przez nią płynącego. Niepewność pomiaru Wiadomo, że wobec różnych wartości pomiarów wyznaczony opór czy moc są obarczone niepewnością. Największą wartość oporu uzyskamy, gdy do zależności R = U wstawimy największą wartość zmierzonego napięcia i minimalną natężenia prądu. Najmniejszą wartość oporu I uzyskamy, jeżeli do tej zależności wstawimy najmniejszą wartość napięcia i największą wartość natężenia prądu. Na podstawie tej informacji wyznacz największą i najmniejszą wartość oporu żarówki (przy danym napięciu zasilającym). Moc żarówki wyznaczymy z zależności P = U I. Na podstawie tej zależności i opisanego wyżej sposobu wyznaczenia minimalnej i maksymalnej wartości oporu oblicz minimalną i maksymalną wartość wyznaczonej mocy. 155

157 Słowniczek niepewność pomiarowa miara rozrzutu wyników serii pomiarów danej wielkości fizycznej. Nazywana jest też błędem pomiarowym. Przy obliczaniu niepewności pomiarowej należy uwzględnić między innymi: błędy obserwatora podczas odczytywania wskazań przyrządów analogowych, dokładności przyrządów pomiarowych (każdy przyrząd ma określoną najmniejszą podziałkę) oraz zbyt małą liczbę pomiarów. opór elektryczny stosunek napięcia przyłożonego między jego końcami do natężenia płynącego przez niego prądu. wat (W) jednostka mocy w układzie SI. 156

158 2.10. Podsumowanie wiadomości o elektryczności Ten dział poświęciliśmy zjawisku prądu elektrycznego. Opisaliśmy mikroskopowy obraz tego zjawiska, zdefiniowaliśmy natężenie prądu i jego jednostkę amper. Zwróciliśmy uwagę na napięcie elektryczne, które jest niezbędne do wywołania prądu. Sformułowaliśmy podstawowe prawo przepływu prądu prawo Ohma i zdefiniowaliśmy pojęcie oporu elektrycznego. Nauczyliśmy cię budowania prostych obwodów elektrycznych, tworzenia i interpretowania ich schematów oraz posługiwania się miernikiem uniwersalnym, który może pełnić funkcję amperomierza lub woltomierza. Przybliżyliśmy ci pojęcie energii elektrycznej, czyli pracy prądu elektrycznego, oraz mocy tegoż prądu. Umiesz już obliczać te wielkości zarówno w jednostkach układy SI, jak i tych spoza tego układu, ale powszechnie w Polsce stosowanych. 1. Natężenie prądu elektrycznego Ilustracja 1. Uproszczony rysunek symbolizujący mikroskopowy obraz prądu elektrycznego 1. Prąd elektryczny uporządkowany ruch cząstek obdarzonych ładunkiem elektrycznym. Cząstki te nazywamy nośnikami prądu. W metalach nośnikami prądu są elektrony. 157

159 2. Natężenie prądu ilość ładunku przeniesiona przez poprzeczny przekrój przewodnika w ciągu jednej sekundy. Możemy to zapisać wzorem: I = q t gdzie: I natężenie prądu elektrycznego; q wartość ładunku, który przepłynął przez poprzeczny przekrój przewodnika; t czas, w którym ten ładunek przepłynął. Jednostką natężenia prądu układzie SI jest amper symbol A. W przewodniku płynie prąd o wartości 1 ampera (1 A), jeśli w ciągu jednej sekundy (1 s) przez przekrój tego przewodnika przepływa ładunek o wartości 1 kulomba (1 C): 1 A = 1 C 1 s Natężenie prądu mierzy się amperomierzem lub miernikiem uniwersalnym ustawionym na tryb pracy amperomierza. Amperomierz łączymy szeregowo z tym elementem obwodu, dla którego chcemy zmierzyć płynący przezeń prąd. Prąd stały to taki, który ma stałą wartość natężenia i niezmienny kierunek przepływu. 2. Napięcie elektryczne Ilustracja 2. Symbol wysokiego napięcia elektrycznego 1. Napięcie elektryczne czynnik wywołujący przepływ prądu, tak jak różnica wysokości wywołuje przepływ wody. Liczbowo równe jest pracy, jaką trzeba wykonać, aby rozdzielić jeden kulomb ładunków ujemnych od ładunków dodatnich. 158

160 Źródłami napięcia stałego są baterie (akumulatory), które zamieniają energię reakcji chemicznych na energię elektryczną (ładunki ujemne rozdzielane są od dodatnich w wyniku reakcji chemicznych). Jednostką napięcia elektrycznego w układzie SI jest wolt, symbol V. Napięcie między dwoma punktami obwodu ma 1 wolt (1 V), jeśli do przemieszczenia między tymi punktami ładunku 1 kulomba (1 C) trzeba wykonać pracę 1 dżula (1 J): 1 V = 1 J 1 C Napięcie elektryczne mierzymy woltomierzem lub miernikiem uniwersalnym ustawionym na tryb pracy woltomierza. Woltomierz łączymy równolegle z tym elementem obwodu, na końcach którego chcemy zmierzyć napięcie. 3. Prawo Ohma Ilustracja 3. Rysunek ilustrujący w sposób zabawny ale poprawny merytorycznie treść prawa Ohma Prawo Ohma: Natężenie prądu jest wprost proporcjonalne do napięcia przyłożonego do końców przewodnika, co możemy zapisać wzorem: I = U R lub I = 1 R U, gdzie stała R oznacza opór przewodnika. Opór elektryczny jest wielkością charakterystyczną przewodnika, zależy od jego długości, grubości oraz rodzaju materiału, z którego został wykonany. 159

161 Jednostką oporu elektrycznego w układzie SI jest om, symbol Ω. Przewodnik ma opór 1 oma (1 Ω), jeśli przyłożone do jego końców napięcia 1 wolta (1 V) wywoła w nim prąd o natężeniu 1 ampera (1 A): 1 Ω = 1 V 1 A Wykresem zależności natężenia prądu (I) płynącego przez opornik (R) od napięcia (U) na końcach tego opornika jest linia prosta. Kąt nachylenia prostej zależy od oporu R: im większy kat nachylenia, tym mniejszy opór. Ilustracja 4. Rysunek przedstawia jakościowe charakterystyki prądowo-napieciowe dwóch oporników omowych o oporach R1 i R2, przy czym R1 < R Obwody prądu elektrycznego Ilustracja 5. Zdjęcie prostego obwodu elektrycznego 160

162 1. 2. Obwodem elektrycznym nazywamy zestaw przewodników, źródeł napięcia, włączników, wyłączników, oporników i innych odbiorników energii elektrycznej (takich jak żarówka, silnik elektryczny, grzałka) połączonych w sposób umożliwiający przepływ prądu. Z obwodów elektrycznych zbudowane jest każde urządzenie elektryczne lub elektroniczne (telewizor, komputer, lodówka, pralka), a także układ nerwowy człowieka i innych organizmów żywych. 5. Schemat obwodu elektrycznego Ilustracja 6. Rysunek schematu elektrycznego 161

163 Schemat obwodu elektrycznego rysunek przedstawiający elementy obwodu za pomocą ustalonych symboli graficznych połączonych ze sobą w funkcjonalną całość. Oto wykaz symboli graficznych niektórych elementów obwodów elektrycznych: Ilustracja 7. Elementy obwodu elektrycznego i ich symbole 162

164 6. Szeregowe łączenie oporników Ilustracja 8. Uproszczony schemat kilku oporników połączonych szeregowo Przez wszystkie oporniki połączone szeregowo płynie prąd o takim samym natężeniu: I 1 = I 2 = I 3 =... = I Napięcie przyłożone do układu oporników połączonych szeregowo rozdziela się na poszczególne oporniki, a suma napięć na poszczególnych opornikach równa jest napięciu całkowitemu: U 1 + U 2 + U U n = U Opór całkowity (zastępczy) oporników połączonych szeregowo jest sumą oporów poszczególnych oporników: R szer. = R 1 + R 2 + R R n 4. Uszkodzenie jednego z odbiorników połączonych szeregowo uniemożliwia przepływ prądu w pozostałych. 7. Równoległe łączenie oporników Ilustracja 9. Uproszczony schemat kilku oporników połączonych równolegle 163

165 1. Natężenie prądu płynącego przez układ oporników połączonych równolegle jest sumą natężeń prądów płynących przez poszczególne oporniki: I = I 1 + I 2 + I I n 2. Napięcie przyłożone do układu oporników połączonych równolegle i napięcie na każdym oporniku mają taką samą wartość: U 1 = U 2 = U 3 =... = U Odwrotność oporu całkowitego (zastępczego) w połączeniu równoległym obliczamy, dodając do siebie odwrotności oporów poszczególnych odbiorników: 1 = R równ. R 1 R 2 R 3 Uszkodzenie jednego z odbiorników połączonych równolegle nie zakłóca przepływu prądu w pozostałych, dlatego odbiorniki energii elektrycznej w instalacji domowej połączone są równolegle. 8. Moc prądu elektrycznego Ilustracja 10. Zdjęcie urządzenia elektrycznego wraz z napisem informującym o jego mocy 164

166 Moc prądu elektrycznego (P) ilość energii elektrycznej (W) przekazanej elementowi obwodu elektrycznego w jednostce czasu (t): P = W t Moc prądu elektrycznego równa jest iloczynowi napięcia elektrycznego (U) i natężenia prądu elektrycznego (I) wywołanego tym napięciem: P = U I, a po uwzględnieniu prawa Ohma ( U I = R ), P = U2 R lub P = I2 R Napis 2000 W, 230 V na urządzeniu elektrycznym oznacza, że jeśli urządzenie to podłączymy do napięcia 230 woltów, to płynący przez nie prąd spowoduje wydzielenie mocy 2000 watów. 9. Praca prądu elektrycznego Ilustracja 11. Zdjęcie fragmentu licznika energii elektrycznej 165

167 1. Prąd płynący przez urządzenie elektryczne czerpie energię ze źródła napięcia (baterii, akumulatora, elektrowni). Kosztem tej energii wykonuje pracę mechaniczną lub zamienia ją na inne formy energii (energia cieplna, światło, dźwięk itp.). 2. Ilość pobranej energii jest równa pracy wykonanej przez prąd, co możemy zapisać symbolicznie: W prądu =E elektryczna Wartość pracy prądu płynącego w urządzeniu o mocy (P) obliczamy, mnożąc tę moc przez czas t pracy urządzenia: W prądu = P t Jeśli moc urządzenia wyrazimy w kilowatach (kw), a czas w godzinach (h), to otrzymamy jednostkę pracy (energii) zwaną kilowatogodziną (kwh). 1 kwh = 1 kw 1 h Jednostka ta nie należy do układu SI. Przeliczenie kilowatogodziny na jednostki układu SI czyli dżule: 1 kwh = 1 kw 1h = 1000 W s = W s = J = 3,6MJ Ponieważ moc prądu P jest iloczynem napięcia i natężenia prądu (P = U I), pracę prądu możemy obliczyć ze wzoru: W prądu = U I t 166

168 10. Wyznaczanie oporu opornika Ilustracja 12. Zdjęcie oporników Aby wyznaczyć opór elektryczny opornika (lub innego elementu), należy: Zbudować obwód elektryczny składający się z: przewodów elektrycznych, źródła napięcia, opornika (lub innego badanego elementu), amperomierza, woltomierza i wyłącznika. Włączyć zasilanie obwodu i zmierzyć napięcie na końcach opornika oraz natężenie prądu płynącego przez opornik. Obliczyć opór elektryczny (R), dzieląc napięcie (U) przez natężenie (I), czyli ze wzoru: R = U I 11. Wyznaczanie mocy żarówki Ilustracja 13. Zdjęcie żarówki dużej mocy 167

169 Aby wyznaczyć moc prądu płynącego w żarówce (lub innym elemencie obwodu), należy: Zbudować obwód elektryczny składający się z: przewodów elektrycznych, źródła napięcia, żarówki (lub innego badanego elementu), amperomierza, woltomierza i wyłącznika. Włączyć zasilanie obwodu i zmierzyć napięcie przyłożone do żarówki oraz natężenie prądu płynącego przez żarówkę. Obliczyć moc prądu (P), mnożąc napięcie (U) przez natężenie (I), czyli ze wzoru: P = U I 12. Test Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl 168

170 Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl 169

171 Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl 13. Zadania Polecenie Żelazko jest zasilane napięciem 230 V. W przewodzie stanowiącym grzałkę żelazka płynie prąd o natężeniu I = 5 A. a) b) Oblicz ładunek przepływający przez przekrój tego przewodu w ciągu 5 minut. Wskazówka: pamiętaj o zamianie jednostek. Oblicz opór tego żelazka. Polecenie Podczas burzy w ziemię uderzył piorun. Czas wyładowania wynosił t = 0,3 ms (milisekundy), ładunek przeniesiony między chmurą a ziemią miał zaś wartość q = 6 C. a) b) c) Oblicz natężenie prądu w tym piorunie (błyskawicy). Oblicz pracę potrzebną do przeniesienia ładunku elektrycznego, jeśli napięcie miedzy Ziemią a chmurą wynosiło U = V. Chmura była naelektryzowana dodatnio. Napisz, w którą stronę poruszały się dodatnie jony powietrza podczas tego wyładowania. Polecenie Narysuj schemat obwodu, jaki należy zbudować, aby wyznaczyć moc suszarki elektrycznej. Polecenie Na żarówce jest napis: 3,5 V; 6 W. a) Podaj nazwy wielkości fizycznych, których wartości podane są w tym opisie. 170

172 b) Czy można tę żarówkę podłączyć do baterii wytwarzającej napięcie 9 V? Odpowiedź uzasadnij. Polecenie Podczas zabiegów leczniczych stosuje się prądy o małym natężeniu przepływające przez chore części ciała. W czasie takich zabiegów natężenie prądu stałego nie może przekraczać 14 ma. Jaką maksymalną wartość może mieć napięcie przyłożone do ręki pacjenta, jeśli wiadomo, że jej opór (dokładnie: opór suchej skóry) wynosi R = 1 kω? Polecenie Wiele urządzeń elektrycznych wyposażonych jest w lampkę kontrolą, sygnalizującą, że przez urządzenie płynie prąd. Czy taka lampka połączona jest z monitorowanym przez nią obwodem szeregowo czy równolegle? Uzasadnij swój wybór. Polecenie * Przez spiralę grzejnika elektrycznego płynie prąd o natężeniu 10 A. Grzejnik zasilany jest napięciem 230 V. a) b) Oblicz liczbę kilowatogodzin energii, jaką zużyje ten grzejnik podczas sześciu godzin pracy. Wskazówka: najpierw oblicz moc grzejnika i wyraź ją w kilowatach. Wyraź obliczoną liczbę kilowatogodzin w dżulach. 171

173 2.11. Sprawdzian wiadomości o elektryczności Ważne Przed przystąpieniem do rozwiązywania zadań przygotuj kartkę papieru i przybory do pisania. Może przydać się również kalkulator. Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Polecenie Narysuj schemat obwodu, jaki należy zbudować, aby wyznaczyć moc żarówki. Użyj właściwych symboli graficznych oraz sporządź spis użytych elementów i przyrządów. Polecenie Na czajniku elektrycznym znajduje się napis: 230 V, 2 kw. a) b) c) Zapisz nazwy wielkości fizycznych, których wartość podana jest w tym opisie. Oblicz energię (w kwh) pobraną przez ten czajnik w ciągu 5 minut. Oblicz natężenie prądu płynącego przez grzałkę czajnika. Polecenie Do źródła napięcia 12 V przyłączono dwie jednakowe połączone szeregowo żarówki. W żarówkach tych popłynął prąd o natężeniu 0,5 A. a) b) Oblicz opór układu żarówek. Jaką wartość osiągnie prąd w tym obwodzie, gdy pozostawimy w nim tylko jedną żarówkę? Odpowiedź uzasadnij, wykonując odpowiednie obliczenia. 172

174 Rozdział 3. Magnetyzm i elektromagnetyzm 3.1. Oddziaływania magnetyczne Już w starożytności wiedziano o istnieniu ciał, które przyciągały inne ciała. O ile bursztyn należało potrzeć, aby przyciągał włosy czy skrawki sukna, o tyle magnesy przyciągały zawsze, ale tylko przedmioty wykonane z żelaza. Starożytni odkryli również, że ciało zwane magnesem potrafi spowodować, iż inne ciało zrobione z żelaza i umieszczone blisko uzyska własności magnetyczne. Zauważyli także, że dwie strony magnesu mają różne właściwości zwrócone do siebie magnesy mogły się albo przyciągać, albo odpychać. O tym wszystkim uczyłeś się w I klasie gimnazjum. Dziś przyszedł czas na poznanie praw pozwalających zrozumieć, dlaczego oddziaływania magnetyczne są tak szeroko wykorzystywane. Już potrafisz: stwierdzić, że jednym z rodzajów oddziaływań jest oddziaływanie magnetyczne; wymienić najprostsze właściwości magnesów: zawsze posiadają dwa bieguny: dodatni i ujemny; opisać fakt, że bieguny jednoimienne przyciągają się, różnoimienne odpychają; stwierdzić, że magnesy oddziaływują na substancje wykonane z żelaza i stopów zawierających żelazo; wymienić niektóre zastosowania magnesów, np. w nawigacji (kompas). Nauczysz się: nazywać bieguny magnesów trwałych; opisywać oddziaływanie między magnesami; 173

175 wykazać doświadczalnie, że magnes ma dwa bieguny; wykonać doświadczenia prezentujące właściwości magnetyczne różnych substancji; podać przykłady wykorzystania oddziaływania magnetycznego; opisywać pole magnetyczne Ziemi. 1. Przestrzeń wokół magnesu Każdego dnia obserwujesz różne oddziaływania, które zachodzą na odległość nie wymagają bezpośredniego kontaktu ciał. Do tej grupy oddziaływań zalicza się oddziaływania magnetyczne. Znane są one ludzkości od wieków. Tales z Miletu uważał, że magnes ma duszę, która przyciąga żelazo. W dziełach Arystotelesa znajdują się informacje dotyczące przyciągających właściwości magnesu. W późniejszych czasach powstawały legendy i baśnie o magnesach, rozpowszechniano poglądy, że właściwości magnetyczne można zniszczyć przez potarcie diamentem. Obecnie wiadomo, że oddziaływania magnetyczne i elektryczne są ze sobą ściśle powiązane, ale więcej dowiesz się o tym na kolejnych lekcjach. Ilustracja 1. Zdjęcie magnetytu Magnetyt to minerał, który tak, jak magnes przyciąga przedmioty wykonane ze stali 174

176 Magnesem nazywamy wszystkie ciała, które posiadają właściwości przyciągające lub odpychające żelazo bądź inne magnesy. Kiedyś określenie to było stosowana tylko dla rud magnetytu lub pirytu. Magnes przyciąga spinacze, szpilki i inne przedmioty, które zostały wykonane ze stali. Wiesz już, że stal jest stopem żelaza i węgla. Zastanów się, czy spinacze będą jednakowo przyciągane przez cały magnes w każdym jego punkcie. Doświadczenie 1 CEL: Badanie przestrzeni wokół magnesu sztabkowego. CO BĘDZIE POTRZEBNE: magnes sztabkowy; kilka spinaczy. INSTRUKCJA: Połóż spinacze na stole. Zbliż do nich magnes. Zwróć uwagę, w jaki sposób przylgnęły do magnesu. Gdzie jest ich najwięcej? Zbliż magnes jednym, a następnie drugim końcem. Czy spinacze zostały przyciągnięte? Spróbuj zbliżyć środek magnesu do spinacza. Czy tym razem zaobserwowałeś przyciąganie? Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Najwięcej spinaczy gromadzi się na końcach magnesu, które nazywamy biegunami. Występuje tam największa siła przyciągania magnetycznego. Natomiast na środku magnesu ma ona najmniejszą wartość. W przestrzeni wokół magnesu działają siły magnetyczne mówimy, że w tej przestrzeni jest pole magnetyczne. 175

177 pole magnetyczne przestrzeń, w której działają siły magnetyczne. Pole magnetyczne jest niewidoczne dla naszych oczu, ale za pomocą opiłków żelaza możesz zobaczyć skutki jego działania. Ilustracja 2. Linie pola magnetycznego wokół magnesu sztabkowego Opiłki żelaza układają się w charakterystyczny sposób, tworząc linie wokół magnesu. Linie te ilustrują kształt pola magnetycznego wokół magnesu sztabkowego Najwięcej opiłków żelaza zbiera się w pobliżu biegunów, a pozostałe układają się wzdłuż linii pola. Obrazują one linie pola magnetycznego występującego wokół magnesu. Opiłki żelaza magnesują się, tzn. zyskują właściwosci magnetyczne i stają się małymi magnesami, które wzajemnie się przyciągają. Magnes ma dwa bieguny północny i południowy. Jeżeli zawiesimy magnes na sznurku i pozwolimy mu obracać się swobodnie, to swoją osią ustawi się w kierunku północ południe. Przyjęto, że północny biegun magnesu pokazuje północ geograficzną Ziemi. Nasza planeta jest ogromnym magnesem, którego magnetyczny biegun południowy znajduje się w pobliżu północnego bieguna geograficznego, a magnetyczny biegun północny w pobliżu południowego bieguna geograficznego. 176

178 Występujące razem bieguny północny (N) i południowy (S) nazywamy dipolem magnetycznym. Wiesz już, że magnes posiada dwa bieguny. Co się stanie, gdy przepiłujesz go w połowie? Okaże się, że dwa kawałki, które w ten sposób powstaną, będą tworzyły dwubiegunowy magnes. Nie można otrzymać ciała z jednym tylko biegunem. Dlaczego tak jest, dowiesz się, wybierając program rozszerzony fizyki w liceum. Ciekawostka Fizycy próbowali wykazać istnienie pojedynczego bieguna magnetycznego, który roboczo nazwano monopolem magnetycznym. Miał on być nośnikiem tylko jednego bieguna magnetycznego (północnego lub południowego). Jednak próby zakończyły się niepowodzeniem. Wszystkie badane magnesy mają dwa bieguny. dipol magnetyczny układ dwóch biegunów magnetycznych: północnego i południowego. Przykładem dipola magnetycznego jest magnes. Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Dotąd zajmowaliśmy się oddziaływaniem między magnesem a np. spinaczami. Zastanów się, czy dwa magnesy przyciągają się czy odpychają. W tych rozważaniach pomogą ci doświadczenia. Doświadczenie 2 CEL: Badanie oddziaływania między dwoma magnesami. CO BĘDZIE POTRZEBNE: dwa magnesy (najlepiej sztabkowe); gładka powierzchnia stołu. 177

179 INSTRUKCJA: Połóż magnesy na stole w pewnej odległości od siebie. Zbliż jeden magnes do drugiego. Zaobserwuj, czy magnesy się przyciągają czy odpychają. Odwróć magnes i zbliż go przeciwnym biegunem niż za pierwszym razem. Ponownie zaobserwuj zachowanie się magnesów. PODSUMOWANIE: Magnesy zbliżone tymi samymi biegunami odpychają się, a przeciwnymi przyciągają się. Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Oba doświadczenia miały identyczne wyniki. Gdy magnesy były zbliżane biegunami jednoimiennymi (tymi samymi), to wzajemnie się odpychały. Natomiast gdy były zbliżane biegunami różnoimiennymi (przeciwnymi) przyciągały się. Zapamiętaj Bieguny jednoimienne magnesów odpychają się, a bieguny różnoimienne przyciągają. Zajmiemy się teraz oddziaływaniem między magnesami i różnymi substancjami. Magnesy przyciągają różne przedmioty wykonane ze stali, która zawiera domieszkę żelaza. Czy mogą przyciągać przedmioty wykonane z innych substancji? Sprawdź to za pomocą doświadczenia. Doświadczenie 3 CEL: Badanie właściwości magnetycznych różnych substancji CO BĘDZIE POTRZEBNE: magnes, plastikowa linijka; 178

180 stół; monety: 1-groszowa, 1-złotowa; kartka papieru; folia aluminiowa; kawałek przewodu miedzianego; pierścionek lub kolczyki złote i srebrne; magnes na lodówkę; szpilki stalowe. INSTRUKCJA: Do każdego przedmiotu zbliż magnes. Zaobserwuj, czy zostanie przyciągnięty. PODSUMOWANIE: Przez magnes zostały przyciągnięte: magnes na lodówkę i szpilki stalowe. W przypadku pozostałych przedmiotów wykonanych z miedzi, złota, srebra i aluminium nie można było zaobserwować skutków oddziaływania. Przedmioty dzielimy więc na dwie grupy, tj. oddziałujące z magnesem i te, które na niego nie reagują. Materiały, które są silnie przyciągane przez magnes, nazywa się ferromagnetykami. Zaliczane są do nich: żelazo, nikiel, kobalt i niektóre pierwiastki oraz ich stopy, np. stal. W naszym otoczeniu występują pierwiastki, które praktycznie wcale nie oddziałują z polem magnetycznym: gazy szlachetne, miedź, złoto, krzem, grafit oraz lit, sód i potas. Dzielą się one na diamagnetyki (słabo odpychane) i paramagnetyki (słabo przyciągane). Z czego wynika różnica, dowiesz się podczas nauki w liceum. ferromagnetyki substancje silnie przyciągane przez magnes, np. żelazo, nikiel, kobalt i ich stopy. Ciekawostka Pole magnetyczne przenika niemal przez wszystkie materiały, nawet przez metale. Wyjątek stanowi żelazo. W krysztale żelaza sąsiednie atomy oddziałują na siebie, gdyż wytwarzają pole magnetyczne. Wzajemne oddziaływanie prowadzi do porządkowania właściwości magnetycznych na dużych obszarach (w stosunku do rozmiaru atomów), które nazywane są domenami magnetycznymi. Obszary takie można zobaczyć za pomocą mikroskopu. 179

181 Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl 2. Pole magnetyczne Ziemi Biegun północny igły magnetycznej wskazuje biegun magnetyczny południowy. Jeśli posłużymy się nią do wyznaczenia kierunków geograficznych, to wskazuje północ geograficzną. Ilustracja 3. Pole magnetyczne wokół Ziemi Do wyznaczanie kierunków geograficznych służy kompas. Wewnątrz znajduje się igła magnetyczna, która ustawia się równolegle do linii ziemskiego pola magnetycznego. Północny biegun igły magnetycznej wskazuje południe magnetyczne, ponieważ północny biegun igły jest przyciągany przez południowy magnetyczny biegun Ziemi. Ciekawostka Bieguny magnetyczne i geograficzne są względem siebie przesunięte. Oś magnetyczna Ziemi i oś obrotu nie pokrywają się. Biegun magnetyczny południowy jest oddalony o około 1800 km od północnego bieguna geograficznego i znajduje się w 180

182 północnej części Kanady. Biegun magnetyczny północny usytuowany jest na południe od Australii. Kompas nie wskazuje więc dokładnie północy geograficznej. Ciekawostka Ilustracja 4. Pasy Van Allena Pasy radiacyjne zostały zarejestrowane przez satelitę amerykańskiego Explorer 1 i radzieckiego Sputnika 3. Składają się one z dwóch pierścieni zewnętrznego i wewnętrznego. W pasie zewnętrznym znajdują się cząstki naładowane (protony, elektrony) pochodzące prawdopodobnie ze Słońca. Część cząstek naładowanych zostaje wciągnięta przez ziemskie pole magnetyczne tak, że krążą one w atmosferze między biegunami (po spiralnych torach wzdłuż linii pola). Zmiany w ziemskim polu magnetycznym następują wskutek podwyższonej aktywności Słońca. Co pewien czas na naszej gwieździe dochodzi bowiem do burz elektromagnetycznych, które powodują, że wysyłana jest większa porcja promieniowania, a więc cząstek naładowanych. Zaburzenia pola magnetycznego prowadzą czasami do zbliżania się tych cząstek do powierzchni Ziemi. Z kolei naładowane cząstki pobudzają do świecenia gazy znajdujące się w atmosferze, co obserwujemy jako zorzę polarną. Zjawisko to można często zobaczyć w okolicach koła podbiegunowego, czasami również w Polsce. Pasy (nazywane pasami van Allena) stanowią bardzo ważne zabezpieczenie przed docieraniem cząstek promieniowania kosmicznego o wysokiej energii, co byłoby groźne dla życia na Ziemi. Podsumowanie Każdy magnes jest dipolem, posiada dwa bieguny: północny (N) i południowy (S). Wokół magnesu występuje przestrzeń, w której na umieszczone przedmioty działa siła magnetyczna. Przestrzeń ta nazywana jest polem magnetycznym. Pole magnetyczne przedstawia się symbolicznie za pomocą linii pola. Liniom tym nadaje się zwroty od bieguna północnego do południowego. 181

183 Bieguny jednoimienne odpychają się, a różnoimienne przyciągają się. Jeżeli magnes przetniemy na dwie części, to każda z nich nadal będzie dwubiegunowym magnesem. Przedmioty wykonane z żelaza, kobaltu, niklu lub zawierające ich domieszki są przyciągane przez magnes i nazywane ferromagnetykami. Ziemia wytwarza wokół siebie pole magnetyczne. Północny biegun tego pola znajduje się blisko południowego bieguna geograficznego, a południowy biegun w pobliżu północnego bieguna geograficznego. Położenia obu biegunów magnetycznych zmieniają bez przerwy. Praca domowa Doświadczenie 4 CEL: Badanie pola magnetycznego wokół magnesu podkowiastego CO BĘDZIE POTRZEBNE: magnes podkowiasty; igła magnetyczna; spinacze, opiłki żelaza. INSTRUKCJA: Połóż spinacze na stole. Zbliż do nich magnes. Zwróć uwagę, w jaki sposób zostały przyciągniete. Gdzie jest ich najwięcej? Zbliż magnes jednym biegunem, a następnie drugim. Czy spinacze zostały przyciągnięte przez oba bieguny? Spróbuj zbliżyć środek magnesu do spinacza. Czy tym razem zaobserwowałeś przyciąganie? Za pomocą igły magnetycznej wyznacz biegun południowy magnesu: a. b. Na sztywnej kartce rozsyp spinacze lub opiłki żelaza. Pod sztywną kartkę podłóż magnes. Zaobserwuj, jak układają się linie pola magnetycznego wokół magnesu podkowiastego. 182

184 PODSUMOWANIE: Wykonaj rysunek przedstawiający rozkład linii pola magnetycznego, podpisz bieguny magnesu. Słowniczek bieguny jednoimienne para tych samych biegunów, tj. północ północ, południe południe. bieguny różnoimienne para biegunów przeciwnych, tj. północ południe. magnetyt minerał bardzo rozpowszechniony; był znany starożytnym Grekom, a jego nazwa pochodzi od dawnego miasta Magnesia (leżącego w Turcji, obecnie Manisa); minerał ten składa się z różnych tlenków żelaza. polikryształ zbiór wielu małych, przypadkowo ułożonych kryształów. stal stop węgla i żelaza. zorza polarna zjawisko świecenia gazów znajdujących się w atmosferze w wyniku zderzeń z wysokoenergetycznymi protonami i elektronami. 183

185 Biogramy Biogram Arystoteles Ilustracja 5. Arystoteles Data urodzenia: 384 r. p.n.e. Miejsce urodzenia: Stagira Data śmierci: 322 r. p.n.e. Miejsce śmierci: Chalkis Arystoteles był uczniem Platona. Jest autorem spójnego systemu wiedzy, który tłumaczy wszystkie aspekty świata ożywionego i nieożywionego. Swoje poglądy przedstawiał w pismach, które dotyczyły różnych dziedzin, tj. filozofii naturalnej, logiki, metafizyki, etyki, polityki, sztuki, retoryki, psychologii, fizyki i biologii. 184

186 Biogram Tales z Miletu Ilustracja 6. Tales z Miletu Data urodzenia: ok. 620 r. p.n.e. Miejsce urodzenia: Milet (ob. Turcja) Data śmierci: ok. 540 r. p.n.e. Tales z Miletu był zamożnym kupcem, który zyskał sławę, przepowiadając zaćmienie Słońca (podał tylko rok, a nie dokładną datę). Wzbogacał swoją wiedzę dzięki podróżom, podczas których spotykał uczonych. Nie wiadomo, czy napisał jakieś dzieła, gdyż żadne się nie zachowały. Zadania podsumowujące moduł Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl 185

187 3.2. Pole magnetyczne wokół przewodnika z prądem. Elektromagnesy i ich zastosowanie Gdy rozsypiemy drobne opiłki metalowe wokół magnesu i przewodnika, przez który przepływa prąd elektryczny, układają się one w określone kształty geometryczne. W przypadku magnesu za to zjawisko odpowiedzialne jest pole magnetyczne. Czy tak samo w przypadku przewodnika? Już potrafisz: opisać właściwości magnesu: każdy magnes jest dipolem, tzn. posiada dwa bieguny magnetyczne: północny (N) i południowy (S). Bieguny jednoimienne (N N, S S) odpychają się, a różnoimienne przyciągają się (N S, S N); podać definicję pola magnetycznego jako przestrzeni wokół magnesu, w której działają siły magnetyczne; stwierdzić, że północny biegun igły magnetycznej wskazuje magnetyczny biegun południowy, a południowy biegun igły magnetyczny biegun północny; wymienić właściwości ferromagnetyków i podać ich przykłady (żelazo, kobalt, nikiel); stwierdzić, że wokół Ziemi występuje pole magnetyczne. Nauczysz się: badania pola magnetycznego wokół przewodnika z prądem; opisywania i prezentowania działania elektromagnesu; omawiania roli rdzenia w elektromagnesie; budowania prostego elektromagnesu; zastosowania elektromagnesu. Przygotuj przed lekcją: przewód np. z miedzi o długości cm, 186

188 bateria 4,5V, gwóźdź, igła magnetyczna (lub kompas), drobne przedmioty np.: spinacze, szpilki, pierścionek, kolczyki, gumka do ścierania, folia aluminiowa itp., magnes, dodatkowo 2 złączki, tzw. krokodylki. Wskazówka Można wykorzystać znajdujące się w wielu szkołach przewody zakończone wtyczkami oraz podstawkę do baterii i inne elementy znajdujące się w zestawach do nauki o elektryczności. 1. Pole magnetyczne wokół przewodnika z prądem Obecność pola magnetycznego można zbadać za pomocą igły magnetycznej. W pobliżu magnesu ustawia się ona wzdłuż linii sił pola magnetycznego i wskazuje biegun południowy. Korzystając z igły magnetycznej, wyznacza się położenie biegunów magnetycznych Ziemi oraz kierunki geograficzne. Czy pole magnetyczne występuje tylko wokół magnesów i Ziemi? Spróbujemy odpowiedzieć na to pytanie, wykonując doświadczenie. Nagranie wideo 1. Oddziaływanie na odległość 187

189 Film na epodreczniki.pl Na filmie nie pokazano prostownika zamieniającego zmienne napięcie na stałe. Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Ruch igły magnetycznej w pobliżu przewodnika, przez który płynie prąd elektryczny, informuje o występowaniu pola magnetycznego. Kierunek wychylenia igły zależy od tego, w którą stronę płynie prąd. Wiele publikacji podaje, że związek ten odkrył Hans Christian Oersted, dlatego doświadczenie przedstawione na filmie nazywane jest doświadczeniem Oersteda. przewodniki prądu elektrycznego substancje, które przewodzą prąd, np. miedź, aluminium, złoto, elektrolity, zjonizowane gazy. Ciekawostka Już w dawnych czasach zauważono, że przedmioty żelazne magnesują się pod wpływem uderzenia pioruna. Źródła historyczne podają, że doświadczenie Oersteda po raz pierwszy w 1802 r. przeprowadził włoski prawnik Giandomenico Romagnosi. Opublikował on dwie prace dotyczące eksperymentu, w którym dotykanie igłą magnetyczną końca srebrnego łańcuszka połączonego drugim końcem z jednym biegunem ogniwa Volty powodowało odchylenie igły magnetycznej. Jego doświadczenie jednak opierało się na oddziaływaniu elektrostatycznym. 188

190 Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Polecenie Czy zmiana kształtu przewodnika wpłynie na zmianę kształtu pola magnetycznego? Nagranie wideo 2. Pole magnetyczne Film na epodreczniki.pl Linie pola magnetycznego wokół przewodnika zwiniętego w pętlę zagęszczają się w jej wnętrzu. Jeśli drut zwiniemy wielokrotnie, to otrzymamy zwojnicę, a opiłki żelaza będą się układać w identyczny sposób jak wokół magnesu. Zapamiętaj Wokół przewodnika, przez który płynie prąd, występuje pole magnetyczne. Układ linii tego pola zależy od kształtu przewodnika. Kierunek pola magnetycznego zależy od tego, w którą stronę płynie prąd. 2. Elektromagnesy i ich zastosowanie Występowanie pola magnetycznego wokół przewodnika z prądem ma szerokie zastosowanie w technice i przemyśle. Często wykorzystywane są urządzenia nazywane elektromagnesami. Elektromagnes składa się ze zwojnicy, rdzenia i źródła prądu. 189

191 Ilustracja 1. Budowa elektromagnesu Budowa elektromagnesu Ważną rolę odgrywa rdzeń elektromagnesu wykonany z ferromagnetyka. W jego wnętrzu powstają domeny magnetyczne, co wzmacnia pole magnetyczne zwojnicy. Zbudujmy elektromagnes i sprawdźmy jego działanie. Doświadczenie 1 CEL: Budowa elektromagnesu i badanie jego wpływu na różne substancje. CO BĘDZIE POTRZEBNE: przewód np. z miedzi o długości cm; bateria 4,5 V; gwóźdź; igła magnetyczna (lub kompas); drobne przedmioty np.: spinacze, szpilki, pierścionek, kolczyki, gumka do mazania, folia aluminiowa itp.; dodatkowo 2 złączki tzw. krokodylki. 190

192 INSTRUKCJA: Na gwóźdź nawiń przewód, pozostawiając swobodnie końce tak, by można je było połączyć z baterią. Połącz przewód z baterią. Zbadaj pole magnetyczne wokół zwojnicy za pomocą igły magnetycznej, określ bieguny magnetyczne elektromagnesu. Odłącz przewód od baterii. Połącz ponownie, zmieniając kierunek przepływu prądu. Zbadaj tym razem pole magnetyczne, określ bieguny magnetyczne elektromagnesu. Zbliżaj elektromagnes (przede wszystkim rdzeń) do małych przedmiotów. PODSUMOWANIE: Podczas badania pola magnetycznego zidentyfikowałeś bieguny magnetyczne północny i południowy. Drobne przedmioty wykonane z ferromagnetyków są najsilniej przyciągane przez bieguny elektromagnesu. Można więc stwierdzić, że pole magnetyczne wokół elektromagnesu jest podobne do pola magnesu sztabkowego. Elektromagnesy mają różne zastosowanie. W składnicach złomu dźwigi elektromagnetyczne przenoszą wraki samochodów. Elektromagnesy stosuje się w zamkach elektrycznych. Gdy przez elektromagnes płynie prąd, wytwarza on pole magnetyczne, które silnie działa na metalowy (stalowy) element wbudowany w drzwi. Zamek można otworzyć po odłączeniu prądu. Najsilniejsze elektromagnesy znajdują zastosowanie w akceleratorach do kontrolowania ruchu cząstek o wysokich energiach. Do niedawna pole magnetyczne wytwarzane przez przewodniki z prądem sterowało ruchem elektronów w kineskopach telewizyjnych i monitorach komputerowych. Podsumowanie Jeśli przez przewodnik płynie prąd, to wokół niego występuje pole magnetyczne. Kierunek linii siłpola magnetycznego można określić przy pomocy igły magnetycznej. Kierunek linii siłpola magnetycznego zależy od tego, w którą stronę płynie w przewodniku prąd elektryczny. Układ linii sił pola magnetycznego wokół przewodnika z prądem zależy od kształtu przewodnika. Wokół prostoliniowego przewodnika z prądem pole magnetyczne ma kształt współśrodkowych okręgów. Pole magnetyczne wokół zwojnicy przypomina kształtem pole wokół magnesu sztabkowego. Elektromagnes działa dzięki występowaniu pola magnetycznego wokół przewodnika z prądem. 191

193 Elektromagnes składa się ze zwojnicy i ferromagnetycznego rdzenia. Elektromagnesy stosuje się m. in. w zamkach elektromagnetycznych i akceleratorach. Praca domowa Doświadczenie 2 PROBLEMBADAWCZY: Czy elektromagnes i magnes działają na siebie? HIPOTEZA: Tak, elektromagnes i magnes działają na siebie. CO BĘDZIE POTRZEBNE: przewód np. z miedzi o długości cm; bateria 4,5 V; gwóźdź; dodatkowo 2 złączki tzw. krokodylki; magnes. INSTRUKCJA: Zbuduj elektromagnes nawiń przewód na gwóźdź, pozostawiając swobodne końce tak, by można je było połączyć z baterią. Zbadaj oddziaływanie magnesu i elektromagnesu, zbliżając je do siebie biegunami jednoimiennymi i różnoimiennymi. W zeszycie sporządź schemat doświadczenia i sporządź notatkę zawierającą wyniki obserwacji oraz wnioski. 192

194 Słowniczek akcelerator urządzenie, które przyspiesza elektrony, protony i jony do bardzo dużych prędkości, tzn. bliskich prędkości światła ( km/s). elektromagnes magnes, którego pole magnetyczne powstaje w wyniku przepływu prądu elektrycznego. Jest to zwojnica, wewnątrz której znajduje się ferromagnetyczny rdzeń (np. ze stali, żelaza). Biogram Biogram Hans Christian Oersted Ilustracja 2. Hans Christian Oersted Data urodzenia: Miejsce urodzenia: RudkØbing Data śmierci: Miejsce śmierci: Kopenhaga Hans Christian Oersted był duńskim fizykiem i chemikiem, który odkrył, że prąd elektryczny wywołuje powstawanie pola magnetycznego. Jak podają źródła historyczne, 21 kwietnia 1820 r. podczas wykładu Oersted zauważył, że igła kompasu odchyla się od kierunku północnego, gdy przewód jest na przemian włączany i odłączny od baterii. To była podstawa do twierdzenia, że występuje jakiś związek między elektrycznością i magnetyzmem. Trzy miesiące 193

195 później Oested opublikował pracę, w której pokazał, że pole magnetyczne wokół przewodnika z prądem ma kształt okręgu. Zadania podsumowujące moduł Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl 194

196 3.3. Działanie silnika elektrycznego prądu stałego Silniki elektryczne są powszechne w naszym życiu. Znajdują się one w wielu urządzeniach, takich jak: elektryczna szczoteczka do zębów, suszarka do włosów, mikser winda, tramwaj czy samochód. Kiedy jest gorąco, używamy wentylatora. Przykładów stosowania silników elektrycznych jest bardzo wiele. O tym, jak działa taki silnik, bez którego nie wyobrażamy sobie codziennego życia, dowiesz się z tej lekcji. Już potrafisz: opisać właściwości magnesów; stwierdzić, że pole magnetyczne to przestrzeń, w której działa siła magnetyczna; wyjaśnić, że pole magnetyczne występuje wokół magnesów, Ziemi i przewodników, przez które płynie prąd elektryczny; stwierdzić, że ferromagnetyki to substancje, które oddziałują z magnesem np. żelazo, kobalt, nikiel, stal; opisać zasadę działania elektromagnesu. Nauczysz się: demonstrować działanie siły elektrodynamicznej na przewodnik z prądem umieszczony w polu magnetycznym; opisywać i prezentować działanie silnika elektrycznego na prąd stały; 195

197 1. Siła elektrodynamiczna Doświadczenie 1 CEL: UWAGA! Brak podanego celu doświadczenia. CO BĘDZIE POTRZEBNE: magnes w kształcie podkowy; giętki przewód z wyłącznikiem; baterie 4,5 V lub zasilacz prądu stałego INSTRUKCJA: 1. Ustawiamy elementy jak na rysunku: Ilustracja 1. Badanie siły elektrodynamicznej 196

198 Zamyknij obwód i obserwuj zachowanie się odcinka przewodu znajdującego się pomiędzy biegunami magnesu. Zmień kierunek płynącego prądu, obserwuj ponownie zachowanie się odcinka przewodu znajdującego się między biegunami magnesu. Odwróć magnes tak, aby biegun południowy S znalazł się na dole, a północny N na górze. Powtórz obserwacje dla dwóch kierunków przepływu prądu. PODSUMOWANIE: Podczas przepływu prądu pojawiała się siła, która powodowała albo wypychanie przewodnika z przestrzeni pomiędzy biegunami, albo wciąganie go w głąb podkowy magnesu. Oznacza to, że siła działała prostopadle do przewodnika. Zwrot tej siły zależał od tego, w którą stronę płynął prąd i jak były ustawione bieguny magnesu. Wniosek: gdy przewodnik, przez który płynie prąd, umieścimy w polu magnetycznym, to będzie działała na niego siła o kierunku prostopadłym do przewodnika. 197

199 siła elektrodynamiczna siła, z jaką działa pole magnetyczne na umieszczony w nim przewodnik, w którym płynie prąd elektryczny. Czy można przewidzieć, w którą stronę będzie działała na przewodnik siła elektrodynamiczna? Jaki będzie zwrot tej siły? Dokładna analiza przebiegu doświadczenia pozwala na zauważenie pewnej reguły, przedstawionej na rysunku poniżej: Ilustracja 2. Kierunek i zwrot siły elektrodynamicznej Z tej reguły wynika, że siła elektrodynamiczna jest prostopadła zarówno do przewodnika, jak i linii pola przebiegających od bieguna północnego do południowego. Tę regułę można dość łatwo zapamiętać i używać jej do określania kierunku oraz zwrotu siły elektrodynamicznej za pomocą trzech palców lewej dłoni. Trzeba ustawić kciuk, palec wskazujący i palec wielki prostopadle do siebie. Palec wskazujący ustawiamy wzdłuż kierunku linii siłpola, biegnących od bieguna północnego do południowego. Wielki palec ustawiamy wzdłuż przewodnika, tak aby wskazywał kierunek przepływu prądu (jest on umowny). Gdy tak zrobimy, to kciuk będzie wskazywał kierunek i zwrot siły elektrodynamicznej. Zastosuj teraz tę regułę do przeprowadzonego doświadczenia i sprawdź, czy przewidywania są zgodne z wynikami. Polecenie Rysunek przedstawia sytuację, w której przewodnik umieszony został między biegunami dwóch magnesów. W przewodniku płynie prąd w stronę wskazaną strzałką. 198

200 Ilustracja 3. Zadanie 1 W tej sytuacji sile elektrodynamiczna będzie działała: a) b) c) d) w górę. w dół. w lewo. w prawo. Polecenie Rysunek przedstawia sytuację, w której przewodnik w kształcie ramki został umieszony między biegunami dwóch magnesów. W przewodniku płynie prąd w stronę wskazaną strzałką. Ilustracja 4. Zadanie 2 W sytuacji przedstawionej na rysunku siła elektrodynamiczna będzie działała: a) b) c) d) na bok AB w górę, a na bok CD w dół. na oba boki w gorę. na bok AB w dół, a na bok CD w górę. na oba boki w dół. 2. Silnik elektryczny Jeżeli rozwiązałeś prawidłowo dwa ostatnie zadania, to jesteś bliski zrozumienia tego, jak działa silnik elektryczny. Zmodyfikujmy nieco rysunek z zadania

201 Ilustracja 5. Zasada budowy i działania silnika elektrycznego Jak widać, końce ramki są teraz przymocowane do dwóch półpierścieni, do nich z kolei przylegają tzw. szczotki są to sprężyste blaszki. Do szczotek przyłączone jest napięcie elektryczne. Dwa półpierścienie tworzą tzw. komutator, czyli przełącznik. Ramka wraz z komutatorem tworzy tzw. wirnik, który może obracać się wokół osi O 1 O 2. Przeanalizujmy teraz krok po kroku działanie silnika. Zgodnie z rysunkiem 1. na bok AD ramki działa siła elektrodynamiczna mająca zwrot w dół, a na bok CD ramki siła działająca w górę. Pod wpływem obu sił ramka zacznie obracać się w lewo i po obrocie o kąt większy niż 90 stopni miejsce boku AB zajmie bok DC jest to pokazane na rysunku 2. Teraz prąd będzie płynął w ramce od punktu D przez C, D do A. Oznacza to, że będzie płynął w przeciwną stronę niż przedtem. Jak wpłynie to na siły działające na boki ramki? Popatrzmy jeszcze raz na rysunek 2. Teraz siła elektrodynamiczna będzie działała na bok DC w dół (przedtem działała w górę). Podobnie jest w przypadku boku AB siła działała wcześniej w dół, a teraz w górę. W którą zatem stronę będzie obracał się wirnik? Część z was już znalazła odpowiedź wirnik nadal będzie obracał się w lewo. Dlaczego? Bo siła elektrodynamiczna działa zawsze w dół na ten bok ramki, który jest bliższy biegunowi N i w górę na ten bok, który jest bliższy biegunowi S. Znamy więc zasadę działania silnika elektrycznego zasilanego stałym napięciem. Głównymi elementami silnika są więc wirnik i magnesy. Stanowią one tzw. stojan. Często zamiast magnesów stałych są tam elektromagnesy. Podsumowanie Na przewodnik, w którym płynie prąd elektryczny, w polu magnetycznym działa siła elektrodynamiczna. Siła elektrodynamiczna ma kierunek prostopadły do przewodnika. Jej zwrot zależy od tego, w którą stronę płynie prąd elektryczny, oraz od tego, jak ustawiony jest przewodnik względem biegunów magnesu. Do przewidywania kierunku i zwrotu siły elektrodynamicznej stosujemy regułę trzech palców lewej ręki. Silnik zbudowany jest ze stojana i wirnika. Stojan składa się z minimum dwóch magnesów trwałych lub elektromagnesów. Ruch wirnika spowodowany jest działaniem magnesów (lub elektromagnesów) na przewodnik z prądem (wirnik). 200

202 Silnik elektryczny zamienia energię elektryczną na pracę mechaniczną. Praca domowa W naszym przykładzie na lekcji silnik obracał się w lewo. Jakich dwóch sposobów możesz użyć, aby wirnik obracał się w prawo? Przedstaw te sposoby i podaj ich wyjaśnienie. 201

203 3.4. Wzbudzanie przepływu prądu elektrycznego [R] Wiesz już, że prąd elektryczny w przewodniku można wzbudzić poprzez przyłożenie napięcia elektrycznego do końców przewodnika. Napięcie pochodzi z ogniwa lub baterii ogniw. Istnieje jednak sposób wzbudzania tego prądu bez użycia źródeł chemicznych. Prąd będzie płynął także w wyniku zjawiska indukcji elektromagnetycznej zjawisko to jest obecnie najważniejszym mechanizmem wytworzenia napięcia elektrycznego w elektrowniach. Zapoznaj się z treścią tej lekcji, a ułatwi ci to rozumienie wielu zagadnień. Już potrafisz: opisać magnes jako dipol, czyli obiekt, który posiada dwa bieguny: północny (N) i południowy (S); podać znaczenie pojęcia pole magnetyczne jako przestrzeni, w której działają siły magnetyczne; opisać działanie biegunów magnetycznych: jednoimienne odpychają się, a różnoimienne przyciągają się; podać, że pole magnetyczne występuje wokół magnesów, Ziemi i przewodników, przez które płynie prąd. Nauczysz się: wytwarzania prądu za pomocą ruchu magnesu; wyjaśniania powstawania prądu indukcyjnego; omawiania zjawiska indukcji elektromagnetycznej; doświadczalnego prezentowania zjawiska indukcji elektromagnetycznej; zasady działania transformatora. Przygotuj przed lekcją: Doświadczenie 1. (element fakultatywny) potrzebne materiały: 202

204 bateria 1,5 V; 2 spinacze; zwojnica; miernik uniwersalny lub woltomierz; magnes neodymowy. Doświadczenie 2. (element faultatywny) potrzebne materiały: dwie zwojnice o różnej liczbie zwojów; rdzeń (np. ze stali) w kształcie litery U; 4 przewody ze złączami krokodylowymi; miernik uniwersalny lub woltomierz; zasilacz generator prądu. 1. Zjawisko indukcji elektromagnetycznej Kiedy w XIX wieku odkryto, że przepływ prądu w przewodniku powoduje wytworzenie wokół niego pola magnetycznego, postawiono pytanie: Czy jest możliwe zjawisko odwrotne czy magnes może wywołać przepływ prądu elektrycznego? Michael Faraday, odkrywca tego zjawiska zwanego zjawiskiem indukcji elekromagnetycznej poświęcił wiele lat na potwierdzenie powstawania prądu w przewodniku z użyciem magnesu. Swego odkrycia dokonał 29 sierpnia 1831 roku. 203

205 Biogram Michael Faraday Ilustracja 1. Michael Farady Data urodzenia: 1791 r. Miejsce urodzenia: Newington Butts (współcześnie należy do Londynu) Data śmierci: 1867 r. Miejsce śmierci: Hampton Court Michael Faraday był angielskim uczonym, który przyczynił się do rozwoju elektromagnetyzmu i elektrochemii. Do jego największych odkryć zalicza się: indukcję elektromagnetyczną, diamagnetyzm i elektrolizę. Jest uznawany za jednego z największych odkrywców, mimo że miał słabe podstawy teoretyczne. Wyniki badań dotyczących pola magnetycznego wokół przewodnika z prądem doprowadziły do stworzenia koncepcji pola elektromagnetycznego. Jego odkrycia są podstawą działania silników na prąd stały, generatorów prądu. Aby potwierdzić doświadczenie Faraday a, wykonaj następujące doświadczenie: Doświadczenie 1 PROBLEMBADAWCZY: Czy względny ruch zwojnicy i magnesu może być źródłem prądu? 204

206 HIPOTEZA: Względny ruch przewodu i magnesu jest źródłem prądu. CO BĘDZIE POTRZEBNE: zwojnica; magnes stały; miernik uniwersalny lub amperomierz o małym zakresie (wykorzystaj znajdujące się w szkole mierniki uniwersalne demonstracyjne, takie jak pokazane na poniższych ilustracjach); INSTRUKCJA: Wybierz na mierniku zakres małych prądów. Ustaw amperomierz na minimalnym zakresie pomiarowym. Połącz zwojnicę z miernikiem. Ilustracja 2. Indukcja Sposób połączenia elementów zestawu doświadczalnego Szybkim ruchem zbliż do zwojnicy magnes i równie energicznym ruchem oddal go. Zaobserwuj wskazania amperomierza. Odwróć magnes tak, by zbliżyć go przeciwnym biegunem niż za pierwszym razem. Szybkim ruchem zbliż do zwojnicy magnes i oddal go. Połóż magnes w pobliżu zwojnicy i poruszaj nią, obserwuj wskazania. 205

207 PODSUMOWANIE: Gdy poruszałeś magnesem, amperomierz wskazywał pewne wartości, które ulegały zmianie. Oznacza to, że poruszający się względem przewodu magnes wywołuje przepływ prądu. Gdy magnes spoczywał i poruszałeś przewodnikiem, to również zaczął płynąć prąd. Wniosek: Wzajemny ruch magnesu i przewodnika wywołuje przepływ prądu elektrycznego. Zmienne pole magnetyczne wytwarza napięcie elektryczne. Wyniki doświadczenia pokazują, że bateria nie jest jedynym źródłem napięcia elektrycznego. By wytworzyć prąd elektryczny, wystarczy względny ruch magnesu i przewodnika. Amperomierz pokazuje, że natężenie płynącego prądu zależy od szybkości względnego ruchu zwojnicy i magnesu. Powstawanie prądu elektrycznego pod wpływem zmiennego pola magnetycznego nazywamy indukcją elektromagnetyczną, a prąd płynący w zwojnicy prądem indukcyjnym. Oprócz Michaela Faraday a badania nad tymi zjawiskami prowadził Amerykanin Joseph Henry. Biogram Joseph Henry Ilustracja 3. Joseph Henry Data urodzenia: 1797 r. Miejsce urodzenia: Alabamy, Nowy Jork Data śmierci: 1878 r. Miejsce śmierci: Waszyngton Joseph Henry był amerykańskim naukowcem. Podczas budowania elektromagnesów odkrył zjawisko samoindukcji elektromagnetycznej oraz indukcji elektromagnetycznej (niezależnie od Faraday'a, który jako pierwszy opublikował wyniki doświadczeń). Zajmował się praktycznym zastosowaniem elektromagnesów m.in. jest konstruktorem dzwonka elektrycznego iprzekaźnika elektromagnetycznego. Jego praca nad przekaźnikiem była dla Samuela Morse'a podstawą do zbudowania telegrafu. 206

208 indukcja elektromagnetyczna zjawisko wytwarzania napięcia elektrycznego przez zmienne pole magnetyczne. prąd indukcyjny prąd płynący w przewodniku na skutek działania zmiennego pola magnetycznego. Ciekawostka Dynamo. Przykładem prądnicy jest dynamo. Pod jego korpusem znajduje się stały magnes i zwoje. Element, który styka się z oponą, to obracający się magnes, który jest źródłem zmiennego pola magnetycznego. To zmienne pole magnetyczne wytwarza prąd w uzwojeniu, który następnie za pomocą przewodów doprowadzany jest do żarówki. Ilustracja 4. Dynamo Budowa prostej prądnicy rowerowej 2. Działanie transformatora Napięcie elektryczne otrzymywanie w elektrowni ma wartości sięgające 20 tysięcy woltów, a napięcie w instalacji domowej tylko 230 V. Podczas przesyłu energii elektrycznej napięcie ma dużą wartość, wykorzystuje się więc tzw. linie wysokiego napięcia. Obniżenie napięcia do wartości codziennego użytku następuje dzięki zjawisku indukcji elektromagnetycznej. Urządzenie, które umożliwia obniżanie lub podwyższanie napięcia, nazywamy transformatorem. Zapoznaj się ze sposobem jego działania, wykonując doświadczenie. 207

209 wolt jednostka napięcia w układzie SI, symbol V. Doświadczenie 2 [DO WYKONANIA POD NADZOREM OSOBY DOROSŁEJ] CEL: Poznanie budowy i sposobu działania transformatora. CO BĘDZIE POTRZEBNE: 2 zwojnice o różnej ilości zwojów; rdzeń (np. ze stali) w kształcie litery U; miernik uniwersalny lub woltomierz; zasilacz; przewody. INSTRUKCJA: Włóż zwojnice na rdzeń. Do jednej ze zwojnic podłącz zasilacz. Ustaw go tak, by był źródłem prądu zmiennego (poproś o pomoc nauczyciela). Drugą zwojnicę połącz z miernikiem, ustaw odpowiedni zakres pomiarowy (poproś o pomoc nauczyciela). Ilustracja 5. Transformator Podpis: Sposób połączenia elementów zestawu doświadczalnego. Włącz zasilacz i obserwuj wskazania miernika. Zwiększ napięcie prądu z zasilacza i obserwuj wskazania miernika. Wyłącz zasilacz. Podłącz zasilacz do drugiej zwojnicy, a miernik do pierwszej. Zwiększaj stopniowo napięcie i obserwuj. 208

210 PODSUMOWANIE: Zmiana napięcia między końcami jednej zwojnicy wywołuje zmianę napięcia między końcami drugiej zwojnicy. Napięcie jest wyższe w zwojnicy o większej liczbie zwojów. Wniosek: Transformator służy do zmiany napięcia poprzez dobranie odpowiedniej ilości zwojów, może je obniżać lub podwyższać. Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Transformator to urządzenie, które poprzez dobranie ilości zwojów może służyć do podwyższania lub obniżania napięcia. Zastanówmy się, jak on działa. Uzwojenie, do którego podłącza się źródło prądu, nazywane jest uzwojeniem pierwotnym. Wokół uzwojenia pierwotnego powstaje zmienne pole magnetyczne, które jest wzmacniane za pomocą rdzenia (ferromagnetycznego). Z kolei to zmienne pole magnetyczne wywołuje przepływ prądu w drugiej zwojnicy. Ta druga część nazywana jest uzwojeniem wtórnym. Poprzez dobranie liczby zwojów na uzwojeniu pierwotnym i wtórnym możemy zmienić wartość napięcia. Jeśli uzwojenie pierwotne liczy więcej zwojów niż uzwojenie pierwotne, to transformator będzie obniżał napięcie. W odwrotnej sytuacji, czyli gdy na uzwojeniu pierwotnym będzie mniej zwojów niż na uzwojeniu wtórnym, transformator będzie podwyższał napięcie. Związek między napięciem i liczbą zwojów opisuje równanie: napięcie wejściowe napięcie wyjściowe = uzwojenie pierwotne uzwojenie wtórne U p z p = U w z w Przykład Uzwojenie pierwotne liczy 20 zwojów, a wtórne 60 zwojów. Jakie jest napięcie wyjściowe, jeśli napięcie na wejściu jest równe 5 V? Pierwszy sposób rozwiązania Dane: z p = 20 z w = 60 U p = 5 V Szukane: U w =? Wzór: U p z p = U w z w 209

211 Obliczenia: 5 V 20 = U w 60 20U w = 5 V 60 / : 20 U w = 300 V 20 U w = 15 V Odpowiedź: Napięcie na wyjściu jest równe 15 V. Drugi sposób rozwiązania Na uzwojeniu wtórnym znajduje się trzy razy więcej zwojów. Transformator zwiększy napięcie trzykrotnie, czyli: U w = 3 5 V = 15 V Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Przeanalizuj, czy zwiększanie napięcia w uzwojeniu wtórnym kłóci się z zasadą zachowania energii. Wzrost napięcia powoduje obniżanie natężenia prądu. Energia jest przekazywana z jednego uzwojenia do drugiego. Szybkość tego przekazu jest mocą transformatora. Moc w uzwojeniu wtórnym pochodzi z uzwojenia wtórnego, a zgodnie z zasadą zachowania energii obie moce są sobie równe. Moc prądu jest iloczynem napięcia i natężenia, czyli: P wejściowa = P wyjściowa (U I) pierwotne = (U I) wtórne Widać, że zwiększenie napięcia wywołuje obniżenie natężenia. Możliwość zmiany napięcia jest zaletą prądu zmiennego. Jeśli w przewodzie płynie prąd o dużym natężeniu, to do otoczenia emitowane jest ciepło. Podczas przesyłu energii chcemy te straty ograniczyć do niezbędnego minimum. Dlatego przy przesyłaniu prądu na duże odległości stosuje się wysokie napięcie, a małe natężenie. W elektrowniach napięcie wyjściowe wynosi około V. Jest ono podwyższane nawet do wartości V. W lokalnych punktach (stacjach transformatorowych) obniża się jego wartość stopniowo do uzyskania wartości potrzebnej odbiorcy. Ilustracja 6. Przesył energii 210

212 Podczas przesyłania energii kilkakrotnie stosuje się transformatory, aby podwyższać i obniżać napięcie zasada zachowania energii energii nie można wytworzyć ani zniszczyć, można zmieniać jej formę. Całkowita energia nie ulega zmianie. transformator urządzenie, które przenosi energię elektryczną dzięki zjawisku indukcji elektromagnetycznej. moc szybkość przekazywanej energii; symbol P. Jednostką mocy w układzie SI jest wat (W) 211

213 Podsumowanie Jeżeli w pobliżu przewodnika będziemy zmieniać pole magnetyczne, to między końcami tego przewodnika pojawi się napięcie elektryczne. Zjawisko to nazywamy zjawiskiem indukcji elektromagnetycznej. Jeżeli przewodnik stanowi obwód zamknięty, to popłynie w nim prąd indukcyjny. Zjawisko indukcji elektromagnetycznej stanowi podstawowe źródło wywarzania energii elektrycznej. Do przesyłania energii elektrycznej na duże odległości służą linie wysokiego napięcia. Stosowanie wysokich napięć podczas przesyłania energii elektrycznej powoduje zmniejszenie natężenia płynącego prądu i ograniczenie do minimum strat związanych z emisją ciepła do otoczenia. Transformator jest urządzeniem, które może obniżać lub podwyższać napięcie poprzez dobranie odpowiedniej liczby zwojów. Transformator zbudowany jest z uzwojeń pierwotnego i wtórnego, które są nawinięte na ferromagnetycznym rdzeniu. Podłączenie prądu zmiennego do uzwojenia pierwotnego wywołuje przepływ prądu w uzwojeniu wtórnym dzięki zjawisku indukcji elektromagnetycznej. Praca domowa 1 Z dwóch urządzeń, np. zasilacza do laptopa i ładowarki telefonu komórkowego, odczytaj napięcie prądu wejścia (input) i prądu wyjścia (output). Na podstawie tych informacji ustal, czy transformatory wbudowane w te przyrządy obniżają czy podwyższają napięcie. Oszacuj, ile raz podwyższają lub obniżają napięcie. 2 Uzwojenie pierwotne transformatora zawiera 1000 zwojów. Uzwojenie wtórne zawiera także 1000 zwojów, ale jest tak nawinięte, że po 100, 300 i 800 zwojach zrobiono tzw. odczepy. Do uzwojenia pierwotnego podłączono napięcie 230 V z sieci domowej. W jaki sposób możemy uzyskać napięcia 23 V, 46 V, 69 V, 115 V i 161 V? Zadania podsumowujące moduł Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl 212

214 3.5. Rodzaje fal elektromagnetycznych oraz ich zastosowanie Czy możesz sobie wyobrazić codzienne życie bez radia, telewizji lub Internetu bezprzewodowego? Czy telefon komórkowy, kuchenka mikrofalowa i aparat rentgenowski mają ze sobą coś wspólnego? Aby uzyskać odpowiedzi na te pytania, czytaj dalej. Już potrafisz: opisać pole magnetyczne jako przestrzeń, w której na niektóre przedmioty działa siła magnetyczna; wskazać, że pole magnetyczne występuje wokół magnesów, Ziemi i przewodników, przez które płynie prąd; opisać elektromagnes jako magnes, którego pole magnetyczne powstaje w wyniku przepływu prądu elektrycznego; podać, że zmienne pole magnetyczne wytwarza prąd elektryczny w przewodniku; Nauczysz się: rozpoznawać i nazywać zakresy promieniowania elektromagnetycznego; opisywać zastosowanie fal radiowych, mikrofal oraz promieniowań: podczerwonego, nadfioletowego i rentgenowskiego. 1. Fale elektromagnetyczne * Wiesz już z poprzedniej lekcji, że zmiana położenia magnesu w pobliżu przewodnika może powodować przepływ prądu elektrycznego. Ponieważ przepływ ten wymaga oddziaływań elektrycznych, wynika z tego, że zmienne oddziaływania magnetyczne powodują powstanie oddziaływań elektrycznych. Wiesz także, że przepływ prądu w przewodniku spowoduje powstanie pola magnetycznego wokół przewodnika, a jeżeli prąd będzie płynął raz w jedną, a raz w drugą stronę lub jego natężenia będzie wzrastać lub maleć, to pole magnetyczne, jakie ten prąd wytworzy, będzie zmienne. 213

215 Co się stanie, gdy w jakimś miejscu pojawi się zmienne oddziaływanie magnetyczne? Okazuje się, że natychmiast pojawia się zmienne oddziaływanie elektryczne. Nie musi się tam znajdować przewodnik. A gdy w jakimś miejscu pojawi się zmienne oddziaływanie elektryczne? Na przykład poruszający się tam i z powrotem elektron. Tak, masz rację pojawi się w tym miejscu zmienne oddziaływanie magnetyczne. W ten sposób przenoszą się te oddziaływania w przestrzeni. Robi to w taki sam sposób jak odkształcenie powierzchni wody rozchodzi się, tworząc falę. A zgęszczenie powietrza wywołane ruchem struny przenosi się w powietrzu, tworząc fale dźwiękową. W przypadku ziennego pola elektrycznego i magnetycznego mówimy o fali elektromagnetycznej. Teorie rozchodzenia się tych fal opracował w II połowie XIX wieku James Clark Maxwell. Podobno miał powiedzieć, że jest to niezwykle piękna teoria, która się nigdy do niczego nie przyda. Fale elektromagnetyczne odkrył w 1886 roku Heinrich Hertz. Teoria Maxwella została potwierdzona, ale Hertz nie dożył lat, w których powstało radio. Jak wynika z powyższego tekstu, aby wzbudzić falę elektromagnetyczną, trzeba w jakimś miejscu wywołać zmianę pola magnetycznego lub elektrycznego. A jak stwierdzić, że fala gdzieś dotarła? Jeżeli przy jednym brzegu jeziora wzbudzimy falę mechaniczną, to po jej dotarciu do łódki stojącej na wodzie przy drugim brzegu zauważymy, że łódka zacznie się podnosić i opadać. Fala elektromagnetyczna, którą tworzy zmienne pole magnetyczne, spowoduje przepływ prądu w zamkniętym obwodzie odbiornika. To oczywiście pierwszy krok. O tym, jak spowodować, aby fala niosła informacje np. o dźwięku, a potem jak te informacje przełożyć z powrotem na dźwięk, będziesz się uczył w liceum (jeżeli wybierzesz poziom rozszerzony) i na studiach technicznych. fala elektromagnetyczna rozchodzenie się w przestrzeni zmiennych oddziaływań elektrycznych i magnetycznych. Do fal elektromagnetycznych zalicza się: fale radiowe, mikrofale, podczerwień, światło widzialne, ultrafiolet, promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie gamma. Podane fale różnią się między sobą długością i częstotliwością. Długość fali i częstotliwość są do siebie odwrotnie proporcjonalne: λ = v f gdzie: λ długość fali; v prędkość rozchodzenia się fali; f częstotliwość fali. W próżni wszystkie rodzaje fal elektromagnetycznych rozchodzą się z jednakowymi prędkościami. Wartość tej prędkości wynosi c = m. Długość fali będzie wtedy s równa: λ = c f 214

216 2. Zakresy fal elektromagnetycznych i ich zastosowanie Tabela 1. Zakresy długości fal elektromagnetycznych Rodzaj fali Długość fali Fale radiowe Mikrofale Podczerwień Światło widzialne Ultrafiolet Promieniowanie rentgenowskie powyżej 1 m od 1 mm do 1 m od 700 nm do 1 mm od 380 nm do 700 nm od 10 nm do 380 nm od 5 pm do 10 nm Ilustracja 1. Fale Fale zostały uszeregowane według rosnącej częstotliwości, a malejącej długości. Fale o większych długościach mają małe częstotliwości. Fale o dużych częstotliwościach tj. ultrafiolet, promieniowanie rentgenowskie i gamma niosą ze sobą dużą energię. Oddziaływanie tych fal z organizmami żywymi może zakończyć się uszkodzeniem komórek, a nawet śmiercią (w przypadku dużej dawki promieniowania) Przykład W kuchence mikrofalowej wykorzystuje się fale o częstotliwości 2,45 GHz. Jaką długość mają te fale? Prędkość rozchodzenia się mikrofal wynosi m s. Dane: f = 2,45 GHz = 2, Hz v = c = m s Szukane: 215

217 λ =? Wzór: λ = c f Obliczenia: λ = m s 2, Hz Odpowiedź:? 1, m = 1, m = 0,12 m = 12 cm Mikrofale wykorzystywane w kuchence mikrofalowej mają długość około 12 cm. Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Fale radiowe i telewizyjne mają najmniejsze częstotliwości. Są wykorzystywane przede wszystkim w komunikacji. Dzięki ich istnieniu możliwe jest przekazywanie obrazu i dźwięku, co jest podstawą działania stacji radiowych i telewizyjnych. Ze względu na długość fale radiowe dzieli się na fale długie i krótkie. Na tzw. falach krótkich nadają rozgłośnie radiowe, których częstotliwości nadawania dla różnych miejsc w kraju są inne. Są też stacje, które na obszarze całej Polski nadają na jednej częstotliwości, wtedy wykorzystywane są tzw. fale długie. Dzięki nim można odbierać programy stacji radiowych z innych krajów europejskich. Fale radiowe znalazły też zastosowanie w obserwacjach astronomicznych. W kosmosie występują ciała niebieskie będące naturalnymi źródłami fal radiowych. W obserwatoriach wykorzystuje się tzw. radioteleskopy, które umożliwiają prowadzenie tzw. nasłuchu, czyli badań odległych zakątków kosmosu. Ilustracja 2. Radioteleskop APEX 216

218 Fale radiowe to fale elektromagnetyczne o najmniejszej częstotliwości. Są wykorzystywane w radiofonii i telewizji oraz do obserwacji astronomicznych. Mikrofale najczęściej kojarzone są z kuchenką mikrofalową, a jest to tylko jedno z wielu możliwych ich zastosowań. Są one wytwarzane przez specjalne lampy elektronowe. Mikrofale rozchodzą się bez problemów w powietrzu, nawet gdy występują niesprzyjające warunki atmosferyczne (mgła, opady). Dzięki temu znalazły zastosowanie w urządzeniach służących do określania położenia radarach. Radary stosuje się w meteorologii, np. do śledzenia chmur deszczowych. Mikrofale mają także zastosowanie w łączności radioliniowej i satelitarnej, tzn. do i z satelity na Ziemię (telefony, faksy, transmisja danych) oraz między satelitami. Częstotliwość odpowiadająca mikrofalom wykorzystywana jest również w: telefonii komórkowej, nawigacji GPS, łączności bluetooth i bezprzewodowych sieciach komputerowych WLAN. Zapamiętaj Mikrofale to fale elektromagnetyczne stosowane w radarach, łączności satelitarnej, nawigacji GPS. Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Promieniowanie podczerwone jest wysyłane przez wszystkie ciała o temperaturze wyższej niż zero absolutne. Źródłem podczerwieni jest rozgrzane żelazko, żarówka, skóra człowieka, Słońce itp. Niektóre termometry działają na podstawie pomiaru częstotliwości wysyłanego promieniowa- 217

219 nia przez skórę. Dzięki temu, że ciało człowieka jest źródłem podczerwieni, w nocy można prowadzić obserwacje z wykorzystaniem noktowizorów i kamer termowizyjnych. W ten sam sposób otoczenie obserwują żmije, gdyż zaopatrzone są w receptory działające tak jak noktowizor. Powierzchnie ciał stałych i cieczy nagrzewają się dzięki podczerwieni, ponieważ częstotliwość fali i częstotliwość drgań cząsteczek ciał stałych i cieczy są zbliżone. Promieniowanie podczerwone nie ogrzewa gazów, więc astronomowie wykorzystują tę właściwość do obserwacji rodzących się gwiazd w mgławicach. Podczerwień ma również zastosowanie w przesyłaniu danych w aparatach komórkowych IRDA oraz w światłowodach. Płyty CD odczytywane są przez lasery o długościach nm. Ilustracja 3. Rodzące się gwiazdy w mgławicy Zdjęcie wykonane w podczerwieni Zapamiętaj Podczerwień jest wysyłana przez różne ciała, np. żarówki, Słońce, ciało człowieka. Ogrzewa ciała stałe i ciecze, na które pada. Ma zastosowanie m.in. w noktowizorach i kamerach termowizyjnych. Światło widzialne należy do zakresu od 400 nm do 780 nm. Ten zakres fal elektromagnetycznych wyróżniany jest ze względu na to, że jest ono rejestrowane przez ludzki wzrok. Oko odbiera fale o różnych częstotliwościach i ich złożenia, mózg rejestruje je zaś jako kolory. Ilustracja 4. Spektrum światła widzialnego Długości fal podano w nanometrach 218

220 Tabela 2. Zakresy długości fal odpowiadających poszczególnym kolorom Kolor Długość fali, nm Fioletowy Niebieski Zielony Żółty Pomarańczowy Czerwony Ilustracja 5. Czułość oka ludzkiego na poszczególne kolory Narząd wzroku jest najbardziej wrażliwy na kolor zielony i jego odcienie. Dlatego też w sygnalizatorach świetlnych stosuje się światło zielone jako sygnał do ruszenia. Warto też w notatkach wykorzystywać kolor zielony, gdy notujemy ważne informacje. Wśród wielu linijek jednobarwnego (czarnego, niebieskiego) teksu oko skupi się na fragmencie zapisanym (zaznaczonym) kolorem zielonym 219

221 Ultrafiolet (UV) to promieniowanie, które dociera do nas razem z promieniami słonecznymi. Jest ono niezbędne do wytwarzania witaminy D w organizmie człowieka, ale jego nadmiar może grozić poważnymi konsekwencjami. Gdy się opalasz, to właśnie promieniowanie UV wywołuje opaleniznę, ale czasem poparzenie skóry. Długotrwałe opalanie powoduje uszkodzenia włókien kolagenowych skóry, a skutkiem tego jest szybsze starzenie się skóry powstawanie zmarszczek. Zbyt duże dawki promieniowania UV mogą prowadzić do trwałych zmian w skórze, nawet nowotworowych. Dlatego ważna jest ochrona przed tym promieniowaniem. Warto stosować kremy z filtrem UV o dużych wartościach, które rzeczywiście chronią skórę. Ilustracja 6. Lampa kwarcowa Lampa może służyć do odczytywania znaków wodnych na banknotach. Źródłem promieniowania UV są lampy kwarcowe. Ultrafiolet wpływa niekorzystnie na organizmy żywe, co wykorzystuje się w szpitalach np. do wyjałowienia pomieszczeń lub sterylizacji sprzętu medycznego. Promieniowanie UV stosuje się także do odczytywania znaków wodnych na banknotach i papierach wartościowych, a w kryminalistyce pozwala na obserwację śladów biologicznych np. krwi Zapamiętaj Ultrafiolet to fala elektromagnetyczna o częstotliwości większej od światła widzialnego. Jego źródłem jest Słońce i lampy kwarcowe. Ma zastosowanie m.in. w sterylizacji i kryminalistyce. 220

222 Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Promieniowanie rentgenowskie (X) odkrył w 1895 roku Wilhelm Röntgen. Jego źródłem są specjalne lampy, w których promieniowanie emitowane jest w wyniku hamowania ropędzonych elektronów na metalowej elektrodzie. Promieniowanie rentgenowskie ma szerokie zastosowanie w diagnostyce medycznej (prześwietlenia RTG, mammografia i inne), ponieważ przenika przez skórę i jest pochłaniane przez kości. Zbyt duża dawka tego promieniowania może prowadzić do uszkodzeń narządów wewnętrznych i zmian chorobowych, dlatego podczas badań stosuje się osłony fatruchy wykonane z ołowiu. Ilustracja 7. Zastosowanie promieniowania rentgenowskiego W zależności od długości fali promieniowanie X ma zastosowanie w: mammografii i prześwietleniach CT oraz na lotniskach do prześwietlania zawartości bagażu 221

223 Biogram Wilhelm Konrad Röntgen Ilustracja 8. Wilhelm Roentgen Data urodzenia: 1845 r. Miejsce urodzenia: Lennep Data śmierci: 1923 r. Miejsce śmierci: Monachium W 1901 roku otrzymał pierwsz sługi oddane poprzez odkrycie W 1895 roku odkrył nowy typ promieniowania, który przenikał przez papier i tekturę. Ze względu na ograniczoną wiedzę nazwał je promieniowaniem X. Pierwszą osobą, na której przetestował swoje odkrycie, była żona Berta. Dzięki zrobionemu zdjęciu mogła zobaczyć fragment swojego szkieletu, a dokładnie dłoń. Wkrótce po tym Röntgen opublikował wyniki swojej pracy wraz ze zdjęciem ręki żony, gdyż obawiał się, że ktoś może również dokonać takiego samego odkrycia jak on. Bardzo szybko znaleziono praktyczne zastosowanie tego promieniowania w medycynie do wykonywania prześwietleń. Trzy miesiące od odkrycia tych promieni przeprowadzono pierwszą operację z ich wykorzystaniem. Na jego cześć nazwano dawkę promieniowania jonizującego i pierwiastek o liczbie atomowej 111. Zapamiętaj Promieniowanie rentgenowskie to fala elektromagnetyczna o dużej częstotliwości. Jest przenikliwa, co pozwala na wykonywanie prześwietleń bagaży na lotniskach i badań diagnostycznych. 222

224 Promieniowanie gamma jest falą elektromagnetyczną o największej częstotliwości i najmniejszej długości fali. Jest dużo bardziej przenikliwe niż promieniowanie X, może swobodnie przenikać przez papier, tekturę, aluminium. Pochłaniane jest przez warstwę ołowiu. Jego źródłem są różne pierwiastki promieniotwórcze. Niektóre z nich stosowane są w medycynie, radioterapii. Więcej temat promieniowania gamma dowiecie się w modułach poświęconych fizyce jądrowej i atomowej. Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Podsumowanie Fale elektromagnetyczne są falami poprzecznymi, które rozchodzą się z prędkością km/s. Długość fali λ oblicza się ze wzoru: λ = v f gdzie v prędkość rozchodzenia się, f częstotliwość. Im większa jest długość fali, tym mniejsza jest jej częstotliwość. Mówimy, że długość i częstotliwość fali są do siebie odwrotnie proporcjonalne. Do fal elektromagnetycznych zaliczamy: fale radiowe i telewizyjne, mikrofale, podczerwień, światło widzialne, ultrafiolet, promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie gamma. Fale radiowe mają największą długość fali, a najmniejszą częstotliwość. Znalazły zastosowanie w radiofonii i telewizji. Mikrofale mają mniejszą długość niż fale radiowe. Stosuje się je m.in. w radarach, łączności satelitarnej, kuchenkach mikrofalowych. Podczerwień jest emitowana przez ciała ciepłe i gorące, także ciało człowieka. Ultrafiolet ma większą częstotliwość niż światło widzialne. Jego źródłem są lampy kwarcowe i Słońce. Promieniowanie rentgenowskie jest przenikliwe, zatrzymuje je warstwa ołowiu. Promieniowanie gamma ma największą częstotliwość i jest najbardziej przenikliwe. 223

225 Praca domowa Obserwacja 1 Promieniowanie podczerwone w domu CEL: Obserwacja promieniowania podczerwonego. CO BĘDZIE POTRZEBNE: telefon komórkowy wyposażony w kamerę lub aparat fotograficzny z możliwością nagrywania plików audiowizualnych; piloty do różnych urządzeń, np. telewizora, wieży Hi-Fi, bramy itp. INSTRUKCJA: Włącz kamerę w telefonie/aparacie. Skieruj kamerę na diodę pilota. Przytrzymuj dowolny przycisk na pilocie i rozpocznij nagrywanie, przerwij je po kilku sekundach. Naciśnij inny przycisk na pilocie i powtórz czynność 2 i 3. zmień pilota, powtórz czynności od 2 do 4. PODSUMOWANIE: Po odtworzeniu filmów okazało się, że kamera zarejestrowała: Wniosek: Piloty wysyłają

226 Słowniczek fale radiowe i telewizyjne fale elektromagnetyczne o najmniejszej częstotliwości. Są wykorzystywane w radiofonii i telewizji oraz do obserwacji astronomicznych. mikrofale fale elektromagnetyczne stosowane w radarach, łączności satelitarnej, nawigacji GPS. podczerwień jest wysyłana przez różne ciała np. żarówki, Słońce, ciało człowieka. Ogrzewa ciała stałe i ciecze, które ją pochłaniają. Ma zastosowanie m.in. w noktowizorach, kamerach termowizyjnych. promieniowanie rentgenowskie (X) fala elektromagnetyczna o dużej częstotliwości. Jest przenikliwa, co pozwala na wykonywanie prześwietleń bagaży na lotniskach i badań diagnostycznych. ultrafiolet (UV, nadfiolet) fala elektromagnetyczna o częstotliwości większej od światła widzialnego. Jej źródłem jest Słońce i lampy kwarcowe. Ma zastosowanie m.in. w sterylizacji i kryminalistyce. Zadania podsumowujące moduł Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl 225

227 3.6. Podsumowanie wiadomości o magnetyzmie Ten dział poświęcony został oddziaływaniom magnetycznym. Napisaliśmy o magnesach stałych ich biegunach, otaczającym je polu magnetycznym, oddziaływaniu między sobą i z innymi substancjami. Przedstawiliśmy Ziemię jako wielki magnes sztabkowy i wyjaśniliśmy, jak działa kompas. Podzieliliśmy substancje ze względu na ich właściwości magnetyczne, na ferro-, para- i diamagnetyki. Pokazaliśmy związek między prądem a magnetyzmem, co znalazło zastosowanie w elektromagnesach i silnikach elektrycznych, ale też przejawia się w istnieniu fal elektromagnetycznych (radiowych, świetlnych czy rentgenowskich). Ponadprogramowo przedstawiliśmy ci zjawisko indukcji elektromagnetycznej oraz przykłady jego zastosowania w prądnicy i transformatorze. 1. Magnes trwały Ilustracja 1. Zdjęcie magnesu sztabkowego z oznaczonymi biegunami 226

228 Magnes ciało, które przyciąga żelazo albo przyciąga lub odpycha inne magnesy Każdy magnes posiada dwa bieguny: północny oznaczony symbolem N; południowy oznaczony symbolem S. Magnes podzielony na pół utworzy dwa magnesy; każdy z dwoma biegunami. Bieguny magnesów oddziałują ze sobą: jednoimienne odpychają się; różnoimienne przyciągają się. 2. Pole magnetyczne magnesu Ilustracja 2. Linie pola magnetycznego 227

229 Przestrzeń wokół magnesu nazywana jest polem magnetycznym. Na umieszczone w tej przestrzeni przedmioty żelazne lub inne magnesy działa siła magnetyczna. Pole to można przedstawić graficznie za pomocą linii pola. Kształt tych linii najłatwiej pokazać za pomocą opiłków żelaznych rozsypanych wokół magnesu. Pole magnetyczne jest najsilniejsze w pobliżu biegunów i tam następuje zagęszczenie linii pola. Liniom pola nadaje się zwrot od bieguna N do bieguna S. 3. Pole magnetyczne Ziemi. Kompas Ilustracja 3. Pole magnetyczne wokół Ziemi 228

230 Ziemia jako planeta jest otoczona i wypełniona polem magnetycznym. Jego obecność można wykryć za pomocą igły magnetycznej (małego lekkiego magnesu w kształcie igły), którą umieścimy tak, aby mogła się swobodnie obracać. Wszystkie takie igły zostawione swobodnie ustawiają się w kierunku północ południe. Koniec igły skierowany w kierunku północnym nazwano biegunem północnym N. Powyższe zachowanie igły wykorzystuje się w działaniu kompasu. Kompas jest przyrządem, którego zasadniczym elementem jest igła magnetyczna często w kształcie strzałki (grot strzałki to biegun N), umieszczona na tle tarczy z podziałka kątową. Igła ta może się obracać w płaszczyźnie poziomej. Pole magnetyczne Ziemi ma taki kształt, jakby wewnątrz Ziemi znajdował się ogromny magnes sztabkowy. Biegun magnetyczny S znajduje się w pobliżu geograficznego bieguna północnego, a biegun N w pobliżu geograficznego bieguna południowego. Pole magnetyczne Ziemi, zwane też magnetosferą, sięga daleko w przestrzeń kosmiczną znacznie dalej niż atmosfera. 4. Substancje magnetyczne. Ilustracja 4. Zdjęcie drobnych przedmiotów (spinaczy, szpilek) przyciągniętych przez magnes 229

231 Ze względu na oddziaływanie z magnesami substancje dzieli się na trzy kategorie: Ferromagnetyki silnie przyciągane przez magnes, w obecności innych magnesów same stają się magnesami. przykłady: żelazo, kobalt, nikiel, neodym oraz związki i stopy tych metali. zastosowanie: budowa magnesów trwałych, rdzenie elektromagnesów, rdzenie transformatorów, nośniki pamięci (dyski, dyskietki, taśmy magnetyczne, paski magnetyczne), uchwyty magnetyczne i wiele innych; Paramagnetyki słabo przyciągane przez magnes. przykłady: aluminium, sód, potas, lit. Diamagnetyki słabo odpychane przez magnes. przykłady: miedź i jej stopy w tym mosiądz, grafit, bizmut, złoto, woda destylowana, gazy szlachetne, cukry i inne związki organiczne; 5. Pole magnetyczne prądu Ilustracja 5. Zdjęcie (rysunek) doświadczenia Oersteda 230

232 1. Jeśli przez przewodnik płynie prąd, to wokół niego występuje pole magnetyczne. 2. Obecność oraz kierunek linii tego pola można wykryć za pocą igły magnetycznej. 3. Zmiana kierunku przepływu prądu wywołuje zmianę kierunku pola magnetycznego. 4. Układ linii pola magnetycznego wokół przewodnika z prądem zależy od kształtu przewodnika. 5. Wokół prostoliniowego przewodnika z prądem pole magnetyczne ma kształt współśrodkowych okręgów. Ilustracja 6. Zdjęcie linii pola magnetyczne wokół przewodnika liniowego 6. Pole magnetyczne wokół zwojnicy przypomina kształtem pole wokół magnesu sztabkowego. Ilustracja 7. Zdjęcie linii pola magnetycznego zwojnicy 231

233 6. Elektromagnesy Ilustracja 8. Elektromagnes Elektromagnes to magnes powstający w wyniku przepływu prądu elektrycznego. Elektromagnes najczęściej zbudowany jest ze zwojnicy, w której płynie prąd, i ferromagnetycznego rdzenia, wzmacniającego pole magnetyczne. 232

234 3. 4. Elektromagnesy oddziałują między sobą i z magnesami: przyciągają się biegunami różnoimiennymi, a odpychają jednoimiennymi. Zastosowanie (przykłady): dźwigi elektromagnetyczne na złomowiskach, zamki i zawory elektromagnetyczne, włączniki i styczniki elektromagnetyczne, akceleratory, magnetyczny rezonans jądrowy 7. Silnik elektryczny Ilustracja 9. Zdjęcie modelu silnika na prąd stały Na przewodnik z prądem umieszczony w polu magnetycznym działa siła zwana siłą elektrodynamiczną. Siła ta działa prostopadle do przewodnika oraz prostopadle do linii pola. Zależy od kierunku i natężenia prądu oraz od ustawienia przewodnika względem linii pola. Oddziaływanie to można wyjaśnić w oparciu o oddziaływanie magnesu z polem magnetycznym wytworzonym przez prąd. 233

235 Oddziaływanie pola magnetycznego na przewodnik z prądem znalazło zastosowanie w silnikach elektrycznych. W silniku elektrycznym energia elektryczna zamieniana jest na energię mechaniczną. Silnik na prąd stały zbudowany jest z: stojana tworzą go magnesy trwałe lub elektromagnesy; wirnika ułożyskowanej zwojnicy, umieszczonej między magnesami, czyli wewnątrz stojana. Wirnik, w którym płynie prąd, staje się elektromagnesem, który oddziałuje z magnesami. To magnetyczne oddziaływanie powoduje obracanie się wirnika. 8. Zjawisko indukcji elektromagnetycznej [R] Ilustracja 10. Zdjęcie typowego zestawu do wzbudzania prądu indukcyjnego Względny ruch magnesu i przewodnika wywołuje przepływ prądu, który nazywamy prądem indukcyjnym. Zmienne pole magnetyczne wytwarza napięcie elektryczne zjawisko to nazywamy indukcją elektromagnetyczną. Zjawisko indukcji elektromagnetycznej zostało odkryte niezależnie przez dwóch naukowców: Anglika Michaela Faraday'a i Amerykanina Josepha Henry'ego. 234

236 9. Prądnica i transformator [R] Ilustracja 11. Zdjęcie transformatora lub jego modelu Zjawisko indukcji elektromagnetycznej ma zastosowanie w prądnicach i transformatorach prądu zmiennego. W prądnicy energia mechaniczna zamieniana jest na energię elektryczną. Prądnica (generator prądu) to zwojnica obracająca się w polu magnetycznym. Przykładem prądnicy jest dynamo rowerowe. Transformator to urządzenie służące do obniżania lub podwyższania napięcia elektrycznego. Transformator zbudowany jest z uzwojenia pierwotnego i wtórnego, które umieszczone są na wspólnym rdzeniu ferromagnetycznym. Przepływ prądu zmiennego w uzwojeniu pierwotnym wzbudza prąd w uzwojeniu wtórnym dzięki zjawisku indukcji elektromagnetycznej. Poprzez dobór liczby zwojów na uzwojeniu pierwotnym i wtórnym możemy regulować napięciem zgodnie z równaniem: napięcie wejściowe napięcie wyjściowe = uzwojenie pierwotne uzwojenie wtórne lub U p Z p = U w Z w 10. Fale elektromagnetyczne Ilustracja 12. Szereg 6 symboli charakteryzujących różne typy fal elektromagnetycznych 235

237 1. Fale elektromagnetyczne powstają w wyniku zaburzenia pola magnetycznego lub elektrycznego. Dzieje się tak dlatego, że prąd elektryczny jest źródłem pola magnetycznego, a źródłem prądu jest zmienne pole magnetyczne. W efekcie wzajemnej zależności elektryczności i magnetyzmu w przestrzeni rozchodzi się zaburzenie nazywane falą elektromagnetyczną. 2. Fale elektromagnetyczne rozchodzą się w próżni z prędkością c = km/s. 3. Długość fali λ oblicza się ze wzoru: λ = v f lub w próżni λ = c f gdzie v prędkość rozchodzenia się, f częstotliwość. Im większa jest długość fali, tym mniejsza jest jej częstotliwość. Mówimy, że długość i częstotliwość fali są do siebie odwrotnie proporcjonalne. Do fal elektromagnetycznych zaliczamy (w kolejności rosnącej częstotliwości): fale radiowe mają największą długość fali, a najmniejszą częstotliwość. Znalazły zastosowanie w radiofonii i telewizji oraz telekomunikacji; mikrofale mają mniejszą długość niż fale radiowe. Stosuje się je m.in. w radarach, łączności satelitarnej, kuchenkach mikrofalowych, telefonii komórkowej; podczerwień długość fali mniejsza od mikrofal, ale większa od światła widzialnego, emitowana przez wszystkie ciała o temperaturze większej od bezwzględnego zera, także ciało człowieka. Stosowane między innymi w noktowizorach, termowizji oraz komunikacji typu IRDA; światło widzialne rejestrowane przez wzrok człowieka. Różnym długościom fali odpowiada różna barwa światła: najkrótsze są fale światła fioletowego a najdłuższe czerwonego. ultrafiolet ma większą częstotliwość niż światło widzialne. Jego źródłem są lampy kwarcowe i Słońce. W dużych dawkach jest szkodliwy dla skóry, w małych dawkach sto- 236