FIZYKA Świat pod lupą wersja robocza

Transkrypt

1 FIZYKA Świat pod lupą wersja robocza klasa 3, gimnazjum

2 Świat pod lupą wersja robocza Podtytuł: podręcznik tymczasowy Przedmiot: fizyka Autor podręcznika: Uniwersytet Przyrodniczy Format treści: E-podręcznik dla ucznia Data wydania: 22 października 2015 Typ szkoły: gimnazjum Oznaczenia treści: treści rozszerzające oprawa metodyczna

3 Świat pod lupą wersja robocza 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

4 Elektrostatyka Rozdział 1. Elektrostatyka 1.1. Ładunki elektryczne i ich oddziaływanie. Ładunek elementarny Czy zauważyłeś, że zdarza się, iż 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; 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 mających ładunek elektryczny 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. wiórki drewniane. Z biegiem czasu okazało się, że jego 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. 4

5 Ładunki elektryczne i ich oddziaływanie. Ładunek elementarny Uwaga Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_3_8_film_01 _sweter_i_balony 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: Oddziaływanie balon balon : a. nadmuchaj balony i każdy zwiąż nitką; 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 punkty1 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. 5

6 Ładunki elektryczne i ich oddziaływanie. Ładunek elementarny Zjawisko odpychania się dwóch naelektryzowanych baloników i przyciągania między swetrem a balonem sugeruje, 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. Posługując się pojęciem 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. Polecenie Uruchom symulację. Wybierz opcję balon i sweter. Obserwuj położenie ładunków dodatnich i ujemnych. Uwaga Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_3_8_symulacja_01_sweter_i_balony Ważne Podczas pocierania na powierzchni balonu zgromadziły się tylko ładunki ujemne. Polecenie Uruchom symulację. Wybierz opcję dwa balony i sweter. Obserwuj rozmieszczenie ładunków dodatnich i ujemnych. Uwaga Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_3_8_symulacja_01_sweter_i_balony Ważne Podczas pocierania o sweter na powierzchni baloników zgromadził się nadmiar ładunku ujemnego, który stał się przyczyną ich wzajemnego odpychania. Zgromadzony na powierzchni ciał ładunek decyduje o kierunku oddziaływania. Jak już wspomniano, fizycy jego obecność opisują, używając symboli plus i 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 6

7 Ładunki elektryczne i ich oddziaływanie. Ładunek elementarny 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. Zapamiętaj 1 milikulomb=1 mc=0,001 C=10-3 C 1 mikrokulomb=1 μc=0, C=10-6 C Polecenie Uruchom symulację. Wybierz opcję dwa balony i sweter. Potrzyj jednym z nich o sweter, po chwili powtórz czynność, wykorzystując drugi balon. Zwróć uwagę, jak balony oddziałują między sobą. Powtórz doświadczenie, pocierając intensywniej jednym z balonów. Przyjrzyj się zachowaniu przedmiotów. Uwaga Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_3_8_symulacja_01_sweter_i_balony W drugim przypadku na powierzchni balonu zgromadziła się większa ilość ładunku, co doprowadziło do wzrostu siły odpychania pomiędzy balonami. Zapamiętaj Im większy ładunek znajduje się na powierzchni ciał i im bliżej względem siebie te ciała się znajdują, tym oddziaływanie (odpychające lub przyciągające) między nimi staje się większe. Siłę działającą między ciałami naelektryzowanymi nazywamy siłą elektrostatyczną (elektryczną) lub siłą Coulomba. Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl 7

8 Ładunki elektryczne i ich oddziaływanie. Ładunek elementarny 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 1. Katastrofa sterowca Hindenburg Film na epodreczniki.pl 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 obojętny elektrycznie, to znaczy, że ma jednakową ilość ładunków dodatnich i ujemnych. Uwaga Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3_d8_m1_animacja_1_budowa_atomu_wodoru Obejrzana animacja przedstawia tzw. model planetarny atomu wodoru, który powstał na początku XX wieku. W centrum atomu znajduje się jądro atomowe, które zbudowane jest 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 elektro- 8

9 Ładunki elektryczne i ich oddziaływanie. Ładunek elementarny nów ujemny. Neutrony są cząstkami obojętnymi elektrycznie. Model planetarny atomu pozwalał na wyjaśnienie niektórych zjawisk mikroświata, jednak nie wszystkich. Wymagało to stworzenia innych, bardziej skomplikowanych modeli opisu. Dowiecie się o nich podczas dalszej nauki w szkole ponadgimnazjalnej i na studiach. Korzystając z układu okresowego, możemy uzyskać informację o liczbie protonów, elektronów i neutronów każdego znanego nam pierwiastka chemicznego. Ilustracja 1. Układ okresowy pierwiastków W przypadku potasu K1940 liczba 19 to liczba protonów (nazywana też liczbą atomową lub liczbą porządkową). Pierwiastek jest obojętny elektrycznie, z tego względu liczba elektronów jest także równa 19. Liczba 40 niesie informację o ilości składników jądra (jest to tzw. liczba masowa). W celu ustalenia liczby neutronów, od liczby masowej (łącznej liczby protonów i neutronów w jądrze) należy odjąć liczbę atomową: 40-19=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 je- 9

10 Ładunki elektryczne i ich oddziaływanie. Ładunek elementarny den bądź kilka elektronów, to staje się on jonem dodatnim. Jon dodatni ma więcej protonów niż elektronów. Ilustracja 2. Dodatni jon sodu 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 jak dotąd doświadczeniach i symulacjach przemieszczały się tylko ładunki ujemne. Zapamiętaj Ładunki elektryczne, które przemieszczają się pomiędzy ciałami stałymi, to elektrony. 10

11 Ładunki elektryczne i ich oddziaływanie. Ładunek elementarny Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl 3. Ładunek elementarny Pod koniec XIX wieku pojawiło się 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, natomiast 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 , udowadniając, że ładunek elektryczny ma strukturę ziarnistą i wyznaczając 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 - to ładunek elementarny. 11

12 Ładunki elektryczne i ich oddziaływanie. Ładunek elementarny 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 badając promieniowanie kosmiczne, odkryto cząstki o masie równej masie elektronu, ale ładunku dodatnim. Nazwano je pozytonami. 4. Siła Coulomba Siła elektrostatyczna zależy od wielkości ładunków oddziaływujących ze sobą ciał. Im większe są te ładunki, tym większa jest 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: F=kQ1 Q2r2 12

13 Ładunki elektryczne i ich oddziaływanie. Ładunek elementarny F siła, k stała elektrostatyczna, k=9 109N m2c2, Q 1, Q 2 punktowe ładunki elektryczne, r odległość między punktowymi ładunkami elektrycznymi. Stosując ten wzór, można obliczyć wielkość działającej siły elektrostatycznej. Definicja Ładunki punktowe Jako ładunki punktowe traktowane są takie ciała naładowane, których rozmiary są małe w porównaniu z dzielącą je odległością. Zapamiętaj Prawo Coulomba jest słuszne 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. Uwaga Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3_d8_symulacja_02_ładunki_elektrostatyczne Zapamiętaj Siła Coulomba zależna jest zarówno od odległości między ładunkami, jak i ich wartości. Gdy odległość rośnie siła maleje, gdy odległość maleje siła rośnie. Wzrost lub spadek wielkości siły oddziaływania elektrostatycznego spowodować może również zmiana wartości ładunku elektrycznego zgromadzonego na ciałach. Czym jest on większy, tym większa jest siła, odwrotnie gdy maleje, maleje również siła. 13

14 Ładunki elektryczne i ich oddziaływanie. Ładunek elementarny Polecenie Uruchom ponownie symulację. Przyjrzyj się, w jaki sposób ta wielkość się zmienia. Rozważania ułatwią Ci pytania. 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 Korzystając z dowolnego źródła, np. Internetu, postaraj się odnaleźć informacje na temat zdarzeń, w których istotną rolę odegrał nagromadzony ładunek elektrostatyczny. Słowniczek Definicja Atom to najmniejsza cząstka pierwiastka. Każdy atom jest obojętny elektrycznie. 14

15 Ładunki elektryczne i ich oddziaływanie. Ładunek elementarny Biogram Charles Augustin de Coulomb Ilustracja 4. Charles Augustin Data urodzenia: de Coulomb 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 uhonorowany został 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. Definicja Jon atom, któremu zostały dostarczone lub odebrane elektrony. Definicja Jon dodatni atom, w którym liczba protonów przewyższa liczbę elektronów. Definicja Jon ujemny atom, w którym liczba elektronów jest większa od liczby protonów. Definicja Ładunek elementarny stała fizyczna o wartości 1, C, odpowiadająca ładunkowi elektrycznemu protonu. 15

16 Ładunki elektryczne i ich oddziaływanie. Ładunek elementarny Definicja Kulomb (C) jednostka ładunku elektrycznego w układzie SI. Definicja Milikulomb (mc) jednostka pochodna jednostki ładunku elektrycznego kulomba (C) w układzie SI, równa co do wartości 10-3 C. Definicja Mikrokulomb (µc) jednostka pochodna jednostki ładunku elektrycznego kulomba (C) w układzie SI, równa co do wartości 10-6 C. Definicja Pierwiastek chemiczny składa się z atomów, które mają taką samą liczbę atomową. Definicja Liczba atomowa (lub liczba porządkowa) oznaczana literą Z, określająca liczbę protonów w jądrze atomu. Definicja 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 (Bibl_01_04). Definicja Liczba masowa oznaczana literą A, określająca łączną liczbę protonów i neutronów (nukleonów) w jądrze atomowym. Definicja Proton (p) składnik jądra atomowego pierwiastków chemicznych. Ładunek protonu odpowiada wielkości ładunku elementarnego. Główny składnik promieniowania kosmicznego. 16

17 Ładunki elektryczne i ich oddziaływanie. Ładunek elementarny Definicja Neutron (n) obojętny elektrycznie składnik jądra atomowego. Neutrony występujące samodzielnie są niestabilne, ulegają rozpadowi. Definicja 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. Definicja 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. Dzisiejszy jej wygląd zawdzięczamy fizykowi duńskiemu, laureatowi Nagrody Nobla, Nielsowi Bohrowi. Zadania Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Uwaga Zadanie 17 Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl 17

18 Elektryzowanie ciał przez tarcie, dotyk i indukcję 1.2. Elektryzowanie ciał przez tarcie, dotyk i indukcję Jeśli chcesz poznać mechanizm elektryzowania sią ciał, opisać proces tworzenia chmur burzowych i za pomocą elektryczności sterować ruchem puszki usiądź wygodnie i czytaj dalej! Już potrafisz: że na ciałach gromadzą się ładunki elektryczne; ładunki jednoimienne się odpychają, a różnoimienne przyciągają; między ciałami stałymi przemieszczają się elektrony; nieruchome ładunki elektryczne oddziałują ze sobą siłą elektrostatyczną, której wielkość określa prawo Coulomba. 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 spotykamy się w życiu codziennym, np. podczas rozczesywania suchych włosów po kąpieli. Możemy wówczas zaobserwować, że ich końce unoszą się w stronę grzebienia, a same włosy między sobą się odpychają. Podobny efekt możemy uzyskać, gdy pocieramy nadmuchanym balonem o wełniany sweter. Zjawisko to daje się wytłumaczyć jedynie na poziomie mikroświata. Obejrzyj symulację i odpowiedz na poniższe pytania. Uwaga Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_3_8_symulacja_01_sweter_i_balony 18

19 Elektryzowanie ciał przez tarcie, dotyk i indukcję Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Polecenie Po prawidłowym rozwiązaniu ćwiczeń obejrzyj film o elektryzowaniu się włosów. Uwaga Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_3_8_film_02_elektryzowanie_włosów Symulacja i film ilustrują fakt, że elektryzowanie przez tarcie polega na przemieszczaniu się elektronów z jednego ciała na drugie, ciała elektryzują się ładunkami o przeciwnych znakach. Ilustracja 1. Obieg wody w przyrodzie 19

20 Elektryzowanie ciał przez tarcie, dotyk i indukcję Ilustracja 2. Błyskawica Do wyładowań może dochodzić nie tylko między powierzchnią Ziemi a chmurą, ale także między chmurami oraz wewnątrz samej chmury. Wyładowania takie są niezwykle zjawiskowe, a napięcie elektryczne przed wyładowaniem sięga rzędu kilkudziesięciu milionów woltów. Gwałtownie wyzwolona energia podczas wyładowania elektrycznego (piorun) niesie za sobą duże zagrożenie dla człowieka, budynków, drzew itd. Ochronę przed tego typu niebezpieczeństwem gwarantuje zamontowanie piorunochronu. O jego działaniu dowiesz się więcej w następnym zagadnieniu. Definicja 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 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 20

21 Elektryzowanie ciał przez tarcie, dotyk i indukcję Ciekawostka Powstawanie błyskawicpodczas formowania się chmur burzowych (cumulonimbus) dochodzi w nich do 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 powstałe 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. Ma ono miejsce podczas zetknięcia ciała naładowanego elektrycznie z ciałem nienaelektryzowanym. W trakcie zbliżania do siebie obu ciał dochodzi do rozdzielenia ładunku elektrycznego 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 ładunku ujemnego przechodzi z ciała metalowego na pałeczkę, a zatem na ciele metalowym powstaje nadmiar ładunku dodatniego. Jeżeli zbliżaliśmy pałeczkę naładowaną ujemnie, to na ciele metalowym ładunki ujemne odepchnięte przez ładunki ujemne na pałeczce uciekają na przeciwną stronę tego ciała. Na stronie zbliżonej do pałeczki powstaje wtedy nadmiar ładunku dodatniego i po zetknięciu ładunki ujemne z pałeczki przechodzą na ciało metalowe. 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. Uwaga Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_3_8_2_film _03_elektryzowanie_dotyk Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl 21

22 Elektryzowanie ciał przez tarcie, dotyk i indukcję 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 zaobserwujemy wychylenie wskazówki. Aby zobojętnić elektroskop, 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 naelektryzowana jest 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 Definicja Elektryzowanie przez dotyk polega na dotknięciu ciałem naelektryzowanym ciała nienaelektryzowanego. W efekcie oba ciała są naładowane ładunkiem tego samego znaku. 22

23 Elektryzowanie ciał przez tarcie, dotyk i indukcję Ciekawostka Benjamin Franklin dzięki swoim obserwacjom zauważył, że błyskawica ma naturę elektryczną. Korzystając z 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 przewodzącej siatki. Ilustracja 4. Instalacja odgromowa 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 w skutek uderzenia pioruna może dojść do ich stopienia. Dom wówczas przestanie być chroniony i kolejne wyładowanie może stworzyć zagrożenie dla przebywających w pomieszczeniu ludzi i spowodować straty materialne. Ciekawostka Elektroskop wykorzystany został do pomiaru promieniowania kosmicznego. 23

24 Elektryzowanie ciał przez tarcie, dotyk i indukcję 3. Elektryzowanie przez indukcję (wpływ) 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. W zjawisku elektryzowania przez indukcję zbliżając ciało naładowane do ciała obojętnego, powodujemy przesunięcie elektronów w przewodniku bądź polaryzację atomów (cząsteczek) w izolatorze. By lepiej zrozumieć to zagadnienie, wykonaj poniższe doświadczenie. Doświadczenie 1 [DO WYKONANIA POD NADZOREM OSOBY DOROSŁEJ] Tresowanie puszki PROBLEM BADAWCZY: 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: 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 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. 24

25 Elektryzowanie ciał przez tarcie, dotyk i indukcję 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. Uwaga Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_3_8_2_animacja_02_elektryzowanie_indukcja 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 większościowym 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, a więc siła przyciągania ma 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, wykonując doświadczenie. Doświadczenie 2 [DO WYKONANIA POD NADZOREM OSOBY DOROSŁEJ] PROBLEM BADAWCZY: Czy można naelektryzować przez indukcję izolator? 25

26 Elektryzowanie ciał przez tarcie, dotyk i indukcję HIPOTEZA: Tak. Za przykład mogą posłużyć skrawki papieru. CO BĘDZIE POTRZEBNE: plastikowa linijka lub rurka; wełniany koc lub sweter; skrawki papieru. INSTRUKCJA: 1) 2) 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 26

27 Elektryzowanie ciał przez tarcie, dotyk i indukcję 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. Definicja 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. Zapamiętaj Jeżeli zbliżymy (nie dotykając) ciało naelektryzowane do nienaelektryzowanego natychmiast pojawi się efekt indukcji: na części tego ciała najbliższej ciału naładowanemu 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. 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 pozbawionego ładunku. Jeżeli naelektryzowane ciało jest naładowane dodatnio, to ładunek ujemny przechodzi z ciała obojętnego elektrycznie na 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. 27

28 Elektryzowanie ciał przez tarcie, dotyk i indukcję 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). Korzystając z Internetu, zdobądź informację na temat domowych sposobów budowy elektroskopu. Spróbuj go skonstruować. 28

29 Elektryzowanie ciał przez tarcie, dotyk i indukcję Słowniczek Definicja dipol elektryczny to układ dwóch o jednakowej wartości ładunków różnoimiennych, które znajdują się w pewnej odległości od siebie Definicja elektroskop przyrząd laboratoryjny służący do wykrywania ładunku elektrycznego. Wykorzystuje zjawisko wzajemnego odpychania się jednoimiennych ładunków elektrycznych Biogram Benjamin Franklin Ilustracja 6. Portret Beniamina Data urodzenia: Franklina Miejsce urodzenia: Boston Data śmierci: Miejsce śmierci: Filadelfia 29

30 Elektryzowanie ciał przez tarcie, dotyk i indukcję 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. Definicja 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 Definicja 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 Definicja promieniowanie kosmiczne cząstki i promieniowanie elektromagnetyczne dochodzące do Ziemi z otaczającej ją przestrzeni kosmicznej. Jednym ze źródeł promieniowania kosmicznego jest Słońce 30

31 Przewodniki i izolatory prądu elektrycznego. Przepływ prądu w przewodnikach 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 drzewa? Czy prąd elektryczny może płynąć w substancjach niemetalicznych? Co odróżnia przewodnik od izolatora? 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. 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. 31

32 Przewodniki i izolatory prądu elektrycznego. Przepływ prądu w przewodnikach 1.1 Przewodniki metaliczne (elektronowe) Zastanówmy 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 1. Miedź Uwaga Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_3_8_3_zdjęcie_przekroju_przewodu_elektrycznego 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? 32

33 Przewodniki i izolatory prądu elektrycznego. Przepływ prądu w przewodnikach Ilustracja 2. 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 to miało miejsce w doświadczeniu z tresowaniem puszki. Uwaga Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_3_8_3_ilustracja _02_przewodnik_schemat 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. Definicja Przewodnik elektronowy to ciało, w którym przenoszenie ładunku elektrycznego realizowane jest przez elektrony. Zaliczamy do nich głównie metale, między innymi miedź, aluminium, żelazo i złoto. 33

34 Przewodniki i izolatory prądu elektrycznego. Przepływ prądu w przewodnikach 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 przewodem ochronnym. Jego rolą jest zabezpieczenie przed porażeniem prądem elektrycznym (uziemienie). Kolorem jasnoniebieskim oznaczamy przewód neutralny (tzw. zero robocze). Uwaga Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_3_8_3_zdjęcie_04_kabel 1.2 Przewodniki jonowe 1.2 Przewodniki jonowe Czy 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 ). Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_3_8_3_ilustracja _04_przewodnictwo_jonowe 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. Uwaga Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_3_8_3_film_01_przewodnictwo_jonowe_szkła 34

35 Przewodniki i izolatory prądu elektrycznego. Przepływ prądu w przewodnikach Mechanizm przewodnictwa w gazach zbliżony jest do tego, który już znamy z cieczy. Gaz (lub mieszanina gazów) może przewodzić prąd elektryczny, jeśli ma nośniki ładunków jony i elektrony swobodne. Powstają one w wyniku zjawiska jonizacji, które zachodzi pod wpływem wysokiej temperatury lub pola elektrycznego. Definicja 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 3. Korona słoneczna Zapamiętaj Przewodnictwo jonowe możliwe jest również w gazach i ich mieszaninach. 35

36 Przewodniki i izolatory prądu elektrycznego. Przepływ prądu w przewodnikach 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 akumulatorapod maską samochodu znajduje się akumulator (najczęściej taki, który potocznie nazywany jest ołowiowym). Pod jego zewnętrzną obudową mieszczą się dwa rodzaje płyt jedne są pokryte grubą warstwą PbO 2 (dwutlenku ołowiu), a drugie wykonano z metalicznego ołowiu. W naładowanym akumulatorze płyty ołowiane zanurzone są w wodnym roztworze kwasu siarkowego (o stężeniu 37%). Płyty pokryte PbO 2 pełnią rolę elektrod dodatnich, płyty pokryte Pb elektrod ujemnych. Ilustracja 4. 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 36

37 Przewodniki i izolatory prądu elektrycznego. Przepływ prądu w przewodnikach 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 PlazmaZjonizowany gaz określa się mianem czwartego stanu skupienia materii plazmy. Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl 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 faktu 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 Definicja Izolator to substancja o znikomym przewodnictwie, charakteryzująca się w szerokim zakresie temperatur niską koncentracją nośników ładunku elektrycznego. 37

38 Przewodniki i izolatory prądu elektrycznego. Przepływ prądu w przewodnikach Ciekawostka PółprzewodnikPółprzewodniki są materiałami mającymi pośrednie własności przewodzenia prądu między przewodnikami a izolatorami. Ich najważniejszą cechą jest to, że możemy zmieniać te własności poprzez wprowadzenie pewnej liczby 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 własnościom 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 faktu, że ze wzrostem temperatury wzrasta liczba swobodnych nośników ładunku. Ilustracja 5. Zastosowanie krzemu w elementach elektronicznych Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Podsumowanie 38

39 Przewodniki i izolatory prądu elektrycznego. Przepływ prądu w przewodnikach Ciała ze względu na łatwość, z jaką przewodzą prąd elektryczny, dzielimy na przewodniki i izolatory. 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 związane z rdzeniem atomu wpływają na szereg 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. Zaliczamy do nich 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 zjawisko przekształcania atomów (cząsteczek) gazu w jony pod wpływem czynników zewnętrznych temperatury, promieniowania lub pola elektrycznego. Przewodnictwo jonowe w gazach znalazło zastosowanie w technice oświetleniowej (świetlówki, lampy neonowe). Izolator substancja, która nie przewodzi prądu elektrycznego, 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 własności przewodzenia prądu między przewodnikami a izolatorami. Najważniejszą cechą półprzewodników jest to, że możemy zmieniać te własności 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 faktu, 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 własności 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. 39

40 Przewodniki i izolatory prądu elektrycznego. Przepływ prądu w przewodnikach 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 Definicja 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. Definicja Elekrolit wodny roztwór kwasu lub zasady dobrze przewodzący prąd elektryczny, np. wodny roztwór kwasu siarkowego. Definicja Elektrony swobodne to elektrony niezwiązane lub słabo związane z atomami w metalach. Mogą poruszać się swobodnie w objętości substancji, odpowiadają za jej dobre właściwości cieplne i elektryczne. Definicja Elektron walencyjny jeden z najbardziej zewnętrznych elektronów w atomie. Liczba elektronów walencyjnych oraz to jak mocno są one związane z rdzeniem atomu wpływają na szereg własności fizycznych pierwiastka, między innymi na przewodnictwo cieplne i elektryczne. Definicja 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. Definicja Krypton (Kr) gaz szlachetny, stosowany jako wypełniacz w żarówkach i szybach zespolonych. 40

41 Przewodniki i izolatory prądu elektrycznego. Przepływ prądu w przewodnikach Definicja Ksenon (Xe) gaz szlachetny wykorzystywany do produkcji jarzeniówek, lamp błyskowych i żarówek dużej mocy. Definicja Neon (Ne) gaz szlachetny, bezbarwny i bezwonny. Stosowany do wypełniania lamp neonowych oraz substancja robocza w laserach helowo-neonowych. Biogram Karol Olszewski Ilustracja 6. 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. Definicja Plazma zjonizowana materia, będąca gazem zawierającym jednakową liczbę jonów dodatnich i odpowiadających im elektronów swobodnych. Uznawana za czwarty stan skupienia materii. Definicja Powłoka walencyjna to najbardziej oddalona od jądra atomu powłoka, na której znajdują się elektrony. Definicja Półprzewodnik to ciało stałe, które jest gorszym przewodnikiem prądu 41

42 Przewodniki i izolatory prądu elektrycznego. Przepływ prądu w przewodnikach 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. Definicja Przewodnik jonowy przewodnik, w którym dominującymi nośnikami ładunku elektrycznego są jony. Przewodniki jonowe mogą być cieczami, ciałami stałymi lub gazami. 42

43 Zasada zachowania ładunku elektrycznego 1.4. Zasada zachowania ładunku elektrycznego 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. Nauczysz się: jak zastosować zasadę zachowania ładunku do wyjaśnienia zjawiska elektryzowania ciał; podawać przykłady zjawisk fizycznych, które spełniają zasadę 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. 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. 43

44 Zasada zachowania ładunku elektrycznego Uwaga Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_3_8_animacja _01_zasada_zachowania 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 elektroskopu 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. Uwaga Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_3_8_symulacja_01_sweter_i_balony 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 zo- 44

45 Zasada zachowania ładunku elektrycznego stały przeniesione z jednego ciała na drugie. Polecenie Wykonaj poniższe doświadczenie. Jak zinterpretowałbyś jego wynik? Napisz samodzielnie podsumowanie. Doświadczenie 1 [DO WYKONANIA POD NADZOREM OSOBY DOROSŁEJ] PROBLEM BADAWCZY: 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: 1. Umieść dwa elektroskopy obok siebie. 45

46 Zasada zachowania ładunku elektrycznego 2. Połącz je ze sobą za pomocą łącznika Naelektryzuj przez tarcie pręt ebonitowy. Zbliż pręt do głowicy jednego z elektroskopów (ale nie dotykaj). 5. Oddal od elektroskopów łącznik. 46

47 Zasada zachowania ładunku elektrycznego 6. Następnie odsuń pręt (przynajmniej na odległość jednego metra) Obserwuj wychylenia wskazówek elektroskopów. Ponownie połącz ze sobą elektroskopy za pomocą łącznika. PODSUMOWANIE: Podsumowanie. 47

48 Zasada zachowania ładunku elektrycznego 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. Uwaga Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_3_8_animacja _02_animacja_elektryzowanie_tarcie 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. Uwaga Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_3_8_animacja _03_animacja_elektryzowanie_dotyk 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 48

49 Zasada zachowania ładunku elektrycznego 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. Uwaga Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_3_8_animacja _04_animacja_elektryzowanie_indukcja 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 49

50 Zasada zachowania ładunku elektrycznego Ciekawostka Zasada zachowania ładunku jest fundamentalnym prawem opisującym przebieg wielu zjawisk w mikroświecie, np. anihilacji par cząstek elektron pozyton. Uwaga Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_3_8_ilustracja_05_pozyton Podsumowanie 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 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 Definicja Anihilacja pary elektron-pozyton zjawisko znikania pary cząstek elektron pozyton, którego skutkiem jest zwykle wytworzenie promieniowania?. Masa pary cząstek zamieniona zostaje w równoważną jej energię promienistą, a ładunek zachowany (e- + e+ 2?). 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. Definicja 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. 50

51 Zasada zachowania ładunku elektrycznego Definicja Polaryzacja dielektronowa zjawisko powstawania dipoli w dielektryku lub zmiany orientacji (uporządkowania) już istniejących. Definicja 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. Definicja Prawo Kirchhoffa suma natężeń prądów wpływających do węzła sieci elektrycznej jest równa sumie natężeń prądów z niego wypływających. Definicja Układ izolowany elektrycznie ciała izolowane elektrycznie, jest to układ ciał, w którym nie dochodzi do wymiany ładunku elektrycznego ze swoim otoczeniem. Definicja Węzeł sieci elektrycznej miejsce, w którym rozgałęziają się przewody elektryczne. Definicja 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 Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl 51

52 Podsumowanie wiadomości z elektrostatyki 1.5. Podsumowanie wiadomości z elektrostatyki W tym dziale przedstawiliśmy wam informacje o ładunkach elektrycznych, ich pochodzeniu, rodzajach, oddziaływaniach i prawach rządzących tymi oddziaływaniami. Pokazaliśmy jak samemu przekonać się o istnieniu ładunków i sprawdzić, od czego zależy i siła ich wzajemnego oddziaływania. Podaliśmy klasyfikację materiałów ze względu na właściwości elektryczne i nauczyliśmy wskazywania przykładów izolatorów i przewodników. 1. Elektryzowanie ciał Element multimedialny do ramki: Fiz_gim_kl3_d8_m5_zdjęcie_1_włosy Tytuł: Podpis: WOMI w tekście: tak WOMI w przypince: nie WOMI w galerii podręcznika: nie Lupka: nie 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. 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 (nie dotknięcia!) 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. 52

53 Podsumowanie wiadomości z elektrostatyki Efekt ten znika, gdy oddalimy ciało naelektryzowane. 2. Ładunek elektryczny. Element multimedialny do ramki: Fiz_gim_kl3_d8_m5_zdjęcie_2_iskra Tytuł: Podpis: WOMI w tekście: tak WOMI w przypince: nie WOMI w galerii podręcznika: nie Lupka: nie 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. Ciało, w którym liczba elektronów jest równa liczbie protonów jest elektrycznie obojętne. Ciało, w który liczba elektronów jest większa od liczby protonów jest naładowane ujemnie. Ciało, w którym liczba elektronów jest mniejsza od liczy protonów jest naładowane dodatnio. Ładunek elektryczny oznaczany jest najczęściej literą Q lub q. Jednostką ładunku elektrycznego jest kulomb; oznaczmy ją symbolem C. 3. Oddziaływanie ładunków elektrycznych Element multimedialny do ramki: Fiz_gim_kl3_d8_m5_zdjęcie_3_siła_kulomba Tytuł: Podpis: WOMI w tekście: tak WOMI w przypince: nie WOMI w galerii podręcznika: nie Lupka: nie Ciała obdarzone ładunkiem elektrycznym oddziałują z sobą siłą, zwaną siła 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 53

54 Podsumowanie wiadomości z elektrostatyki ciał nazywamy prawem Coulomba (czyt. Kulomba). Prawo: prawo Coulomba Siła wzajemnego oddziaływania dwóch ładunków punktowych Q1 i Q2 jest wprost proporcjonalna do iloczynu tych ładunków, a odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi. Zapisać je można symbolicznie w postaci wzoru: F=kQ1 Q2r2 F siła, k stała elektrostatyczna, k=9 109N m2c2, Q1, Q2 punktowe ładunki elektryczne, r odległość między punktowymi ładunkami elektrycznymi. 4. Ładunek elementarny Element multimedialny do ramki: Fiz_gim_kl3_d8_m5_zdjęcie_4_elektron Tytuł: Podpis: WOMI w tekście: tak WOMI w przypince: nie WOMI w galerii podręcznika: nie Lupka: nie 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 Element multimedialny do ramki: Fiz_gim_kl3_d8_m5_zdjęcie_5_ Tytuł: Podpis: WOMI w tekście: tak WOMI w przypince: nie WOMI w galerii podręcznika: nie Lupka: nie 1. Ładunki elektryczne nie giną ani nie można ich stworzyć mogą jedynie się przemieszczać. 54

55 Podsumowanie wiadomości z elektrostatyki 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. 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 indukcję), zasady rządzące przepływem prądu elektrycznego (pierwsze prawo Kirchhoffa będziecie się o nim uczyć w III klasie) i wiele zjawisk w mikroświecie, na przykład reakcje jądrowe. 6. Przewodniki i izolatory Element multimedialny do ramki: Fiz_gim_kl3_d8_m5_zdjęcie_6_przewodniki_izolacja Tytuł: Podpis: WOMI w tekście: tak WOMI w przypince: nie WOMI w galerii podręcznika: nie Lupka: nie 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; 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 mający pośrednie własności przewodzenia prądu między przewodnikami a izolatorami. przykładem są krzem i german; najważniejszą cechą półprzewodników jest to, że możemy zmieniać ich zdolność przewodzenia prądu poprzez wprowadzenie pewnej liczby domieszek; 55

56 Podsumowanie wiadomości z elektrostatyki 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 z faktu, 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 grupy zaliczysz oddziaływanie między naelektryzowanymi balonikami. Odpowiedź uzasadnij. 56

57 Podsumowanie wiadomości z elektrostatyki 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 wiadomo, 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. 57

58 Sprawdzian wiadomości elektrostatyka 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 = 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, wskazując na właściwości wybranego materiału. 58

59 Elektryczność 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 jak 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. 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 jednostką ładunku elektrycznego 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 elektro- 59

60 Prąd elektryczny i jego natężenie statyce dowiedzieliście się, że istnieją dwie podstawowe grupy substancji: przewodniki i izolatory. Różnica 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 nie są nieruchome. Zachowują się jak cząsteczki gazu spotyka się często 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 by to się odbywało na rzece? Wyobraźmy sobie bardzo szeroką rzekę, taką, że będąc na jej środku nie widzimy brzegów (Amazonka ma u ujścia szerokość około 80 km). I po tej rzece pływają w dowolny sposób łódki. Brzegów nie widać, widzimy tylko ten chaotyczny ruch łódek. A gdybyśmy popatrzyli z góry? Widzielibyśmy, że oprócz tego chaotycznego ruchu, mamy przenoszenie wszystkich tych łódek w stronę oceanu. Powiemy, że one 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 oczywiście decyzja kapitana, ale zderzenia z atomami lub innymi elektronami. Podczas zderzeń elektrony mogą tracić energię. To dlaczego poruszają się dalej? W przypadku łódek na rzece czynnikiem unoszącym je, jest woda płynąca z miejsca położonego wyżej do miejsca położonego niżej. Co każe elektronom dryfować w którąś stronę? W przypadku łódek woda płynie z miejsca położonego wyżej do miejsca położonego niżej. Im większa różnica wysokości tym z większą prędkością płynie woda. W przypadku prądu elektrycznego rolę różnicy wysokości pełni napięcie elektryczne. Definicję tej wielkości poznacie w szkole ponadgimnazjalnej (liceum lub technikum). Na razie będziemy jej tylko używać, co będzie wystarczające do opisu zjawisk związanych z przepływem prądu elektrycznego. Nieco więcej dowiesz się z następnej lekcji. napięcie elektryczne prądem elektrycznym nazywamy uporządkowany ruch nośników ładunków elektrycznych Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_3_9_schemat_01_przekrój Tytuł: Przekrój poprzeczny przewodnika Podpis: Ruch ładunków w przewodniku o przekroju poprzecznym o kształcie powierzchni koła WOMI w treści podręcznika: tak WOMI w przypince: tak WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie Na powyższym rysunku przedstawiono tylko dryf elektronów, który jest ruchem uporządkowanym, a pominięto ruch chaotyczny. Widać na rysunku, 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. 60

61 Prąd elektryczny i jego natężenie Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl 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=qt 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. Jednostkę natężenia nazwano na cześć francuskiego fizyka Ampera. Amper jest dużą jednostką, więc podobnie, jak w przypadku kulomba C posługujemy się podwielokrotnościami: 1 ma=0,001 A=10-3A Dokładną definicję ampera poznasz w liceum. Jeżeli już teraz chcesz dowiedzieć się więcej o jednostce natężenia prądu, to 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 Amper'a. Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_3_9_zdjęcie_01_Amper Tytuł: André Marie Ampère Podpis: Nazwa jednostki natężenia prądu elektrycznego jeden amper (1 A) pochodzi od nazwiska André Marie Ampère a 61

62 Prąd elektryczny i jego natężenie WOMI w treści podręcznika: tak WOMI w przypince: tak WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie 2. Pomiar natężenia prądu elektrycznego Do pomiaru natężenia prądu służy amperomierz. Często stosuje się mierniki uniwersalne, w których wybierając odpowiednie ustawienia przyrządu można zmierzyć natężenie. Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_3_9_zdjęcie_01_m1_mierniki_pomiarowe Tytuł: Mierniki prądu elektrycznego Podpis: A amperomierz, B miernik uniwersalny, C miernik laboratoryjny (miliamperomierz) WOMI w treści podręcznika: tak WOMI w przypince: tak WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie Aby zmierzyć natężenie w obwodzie trzeba do niego podłączyć amperomierz tak, jak to pokazuje poniższy film. Ten rodzaj połączenia nazywamy połączeniem szeregowym. Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_3_9_film_01_pomiar_natężenia Tytuł: Pomiar natężenia prądu elektrycznego Podpis: Jak zmierzyć natężenie prądu elektrycznego za pomocą miernika uniwersalnego? WOMI w treści podręcznika: tak WOMI w przypince: tak WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie Doświadczenie 1 CEL: Kształtowanie umiejętności posługiwania się miernikiem uniwersalnym amperomierzem. CO BĘDZIE POTRZEBNE: przewody, 62

63 Prąd elektryczny i jego natężenie amperomierz, źródło prądu (np. baterie 1,5 V tzw. paluszek lub 4,5 V tzw. płaska), 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. 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. 63

64 Prąd elektryczny i jego natężenie Tabela 2. Wartości natężenia prądu dla wybranych urządzeń Urządzenie Natężenie prądu Ładowarka do telefonu komórkowego Suszarka do włosów Odkurzacz 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. 64

65 Prąd elektryczny i jego natężenie Rozwiązanie: Aby obliczyć natężenie prądu stosujemy wzór: I=qt. Podstawiamy dane liczbowe pamiętając o zamianie na jednostki podstawowe: q=500 mc=0,5 C I=0,5 C5 s= 0,1 A 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=qt/ t I t=q q=i t Wypisujemy dane: I = 750 ma = 0,75 A t = 5 min = 300 s Podstawiamy wartości do wzoru: q=0,75 A 300 s=225 C 65

66 Prąd elektryczny i jego natężenie Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Przykład Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_3_9_wykres_04_natężenie Tytuł: Zależność natężenia prądu elektrycznego od czasu I(t) Podpis: WOMI w treści podręcznika: tak WOMI w przypince: tak WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie Korzystając z 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. Przykład Rozwiązanie (dla t = 30 s ): Z wykresu odczytujemy I = 350 ma = 0,35 A. Dla czasu t1=30 s otrzymujemy q=0,35 A 30 s=1 050 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 66

67 Prąd elektryczny i jego natężenie Przykład Element multimedialny do zadania: Fiz_gim_3_9_wykres_01_natezenieTytuł: Wykres zależności natężenia prądu I od czasu t Podpis: WOMI w treści podręcznika: tak WOMI w przypince: tak WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie 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 nie będzie to pole prostokąta, ale pole trójkąta. Oblicz ładunek, jaki przepłynie w czasie 8 s w sytuacji przedstawionej na wykresie. Rozwiązanie: W momencie t = 8 s natężenie prądu, odczytane z wykresu, 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=12a h=12 8 s 0,4 A=1,6 C 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: I=qt/ t I t=q :I t=qi Wypisujemy dane: I = 300 A q = 12 kc = C 67

68 Prąd elektryczny i jego natężenie Podstawiamy wartości do wzoru t=12000 C300 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=qt Praca domowa Doświadczenie 2 CEL: Kształtowanie umiejętności posługiwania się miernikiem uniwersalnym amperomierzem CO BĘDZIE POTRZEBNE: przewody, amperomierz miernik uniwersalny, żarówka (taka z oświetlenia choinkowego), dwie cienkie blaszki metalu aluminiowa i miedziana, cytryna (może być też jabłko, kiszony ogórek). INSTRUKCJA: 1. Przekrój cytrynę na pół. 68

69 Prąd elektryczny i jego natężenie Wbij w nią blaszki. Przyłóż do blaszek żarówkę. Sprawdź, czy świeci. Wybierz na mierniku pomiar natężenia prądu i ustaw na odpowiednim zakresie. 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 to jednostka prądu elektrycznego, symbol A amperomierz to przyrząd służący do pomiaru natężenia prądu elektrycznego Zadania podsumowujące moduł Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl 69

70 2.2. Napięcie elektryczne Napięcie elektryczne Z poprzedniej lekcji pamiętacie, że czynnikiem powodującym przepływ prądu jest napięcie elektryczne. Pełni ono rolę analogiczną do różnicy poziomów, powodujących przepływ wody. Dzisiejsza lekcja pozwoli przybliżyć 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; wymienić amperomierz jako przyrząd do pomiaru natężenia prądu. 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. Wiemy z poprzedniej lekcji, że przepływ prądu to uporządkowany ruch elektronów. To dryf elektronów poza tym poruszających się ruchem chaotycznym. Ruch ten odbywa się pod wpływem przyłożonego napięcia. Ale co to jest to napięcie elektryczne? Wyobraźmy sobie, że mamy dwie oddalone od siebie metalowe płytki jedna naładowana jest ładunkiem dodatnim, a druga ujemnym. Naładowanie dodatnie oznacza, że płytka ta ma niedobór ładunków ujemnych elektronów, a naładowanie ujemnie że płytka ma nadmiar ładunków ujemnych również elektronów. Co się stanie, gdy obie płytki połączymy przewodnikiem? Czyli ciałem, w którym znajdują się mogące się przemieszczać elektrony? Płytka naładowana ujemnie będzie odpychała elektrony w przewodniku, a płytka naładowana dodatnio będzie je przyciągała. Na elektrony w przewodniku będzie działała siła, powodująca ich dryf. Jak widać, mamy już prąd elektryczny! Trzeba tu koniecznie jednak zwrócić uwagę na dwie sprawy. Wiemy z dynamiki, że jeżeli ciało uzy- 70

71 Napięcie elektryczne ska 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 uderzały w atomy i inne elektrony w przewodniku, i będą traciły energię. Prąd przestanie płynąć. Czyli do utrzymania przepływu prądu, musimy 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 stanie się równe zero a prąd w przewodniku przestanie płynąć. Wniosek jest taki, że napięcie elektryczne jest potrzebne cały czas, a jego źródło musi dostarczać energię dryfującym elektronom, aby prąd mógł w obwodzie płynąć. 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 czego to w ogóle jest ruch. W pewnym momencie rozwoju fizyki przyjęto, że poruszają się ładunki dodatnie. I 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 zarówno dodatnie jak 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 teraz też obowiązuje zasada, że prąd płynie od bieguna dodatniego źródła napięcia do bieguna ujemnego tego źródła. 3. Działanie ogniwa chemicznego Skoro już wiemy, w jakich warunkach płynie prąd elektryczny, pozostaje nam 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. Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_3_9_2_film_01_ogniwo_Volty_red Tytuł: Ogniwo Volty Podpis: Budowa i działanie ogniwa Volty WOMI w treści: tak WOMI w przypince: tak 71

72 Napięcie elektryczne WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie 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. INSTRUKCJA: do zlewki wypełnionej rozcieńczonym kwasem siarkowym należy włożyć blaszki, umieścić je w stosunku do siebie w małej odległości, za pomocą woltomierza sprawdzić, która blaszka jest biegunem dodatnim ogniwa, a która ujemnym, odłączyć woltomierz i podłączyć 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.szczegółowo zachodzące reakcji miedzi i cynku z kwasem siarkowym poznacie 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 ładuje się ona dodatnio. Miedzy 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 przeciek elektrolitu, co prowadzi często do uszkodzenia urządzenia.. 72

73 Napięcie elektryczne 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. Energii dostarcza ogniwo, tracona zaś energia powoduje szybszy ruch drgający atomów i większą amplitudę drgań. Efektem jest wydzielanie ciepła przez przewodnik a nawet jego świecenie. Zestawmy obwód elektryczny, składający się ze źródła napięcia ogniwa lub baterii ogniw (bateria plaska ma 3 ogniwa) i odbiornika żarówki elektrycznej. Po zamknięciu obwodu zauważymy, że odbiornik wydziela energię cieplną i światło. Żarówka nagrzewa się i świeci. Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_3_9_2_animacja_01_energia_wodaTytuł: Przemiany energii Podpis: Przemiany energii podczas wnoszenia wiaderka z wodą na pewną wysokość i przemiany energii zachodzące w baterii są do siebie podobne WOMI w treści: takwomi w przypince: tak WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie 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 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. Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_3_9_2_schemat_01_bateria_w2Tytuł: Ogniwo w obwodzie elektrycznym Podpis: Działanie ogniwa w obwodzie. Na jednej elektrodzie mamy nadmiar ładunków dodatnich (+), a na drugiej nadmiar ładunków ujemnych (-). Przyjmujemy umownie, że prąd płynie od bieguna dodatniego do ujemnego. WOMI w treści: tak WOMI w przypince: tak WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie W ogniwie elektrycznym następuje przetwarzanie energii chemicznej w energię elektryczną.bardziej szczegółowo o energii elektrycznej powiemy podczas następnych lekcji. W chwili obecnej używamy różnych rodzajów źródeł napięcia, w tym wiele przenośnych. Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_3_9_2_zdjęcie_01_przenosne_zrodla_energiiTy- 73

74 Napięcie elektryczne tuł: Przenośne źródła energii Podpis: Przenośne źródła prądu stałego a) b) c) Ogniwo 1,5 V ( paluszek ) Bateria składająca się z 3 ogniw o napięciu 1,5 V każde i dająca napięcie 4,5V (tzw. bateria płaska ) Akumulator do telefonu komórkowego o napięciu 3,7 V (widok dwustronny) WOMI w treści: tak WOMI w przypince: tak WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie Ciekawostka Ogniwo galwaniczne.pod koniec XVIII wieku Włoch Luigi Galvani odkrył zjawisko, które nazwał elektrycznością zwierzęcą. Zaobserwował kurczenie się mięśnia odpowiednio spreparowanego 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 zbudowane są z ogniw połączonych 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. Definicja napięcie elektryczne U między dwoma punktami przewodnika jest równe liczbowo stosunkowi pracy W wykonanej podczas przenoszenia ładunku q między tymi punktami przewodnika do tego ładunku U= Wq 74

75 Napięcie elektryczne Jednostką napięcia elektrycznego w układzie SI jest wolt (1 V) 1 V= 1 J1 C Do pomiaru napięcia służy woltomierz, który zawsze podłączamy do obwodu elektrycznego równolegle. Wynika to z faktu, że woltomierz najczęściej mierzy napięcie pomiędzy końcami przewodnika. Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_3_9_2_zdjęcie_06_woltomierze Tytuł: Woltomierze Podpis: Woltomierze: a) analogowy(tradycyjny) b) miernik uniwersalny (multimetr) WOMI w treści: tak WOMI w przypince: tak WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie 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: Element multimedialny do doświadczenia: Fiz_gim_3_9_2_film _02_woltomierz_uniwersalny Tytuł: Mierniki napięcia Podpis: Obsługa miernika uniwersalnego WOMI w treści: tak WOMI w przypince: tak 75

76 Napięcie elektryczne WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie 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, następnie wbij w jabłko metalowe płytki, zmierz napięcie między płytkami, zanotuj wartość zmierzonego napięcia, 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 UAB jest liczbowo równe pracy, jaką należy wykonać, aby przenieść ładunek jednostkowy (1 C) z jednego punktu przewodnika do drugiego. U= Wq Jednostką napięcia elektrycznego w układzie SI jest wolt (V) 1 V= 1 J1 C Wolt (1 V) odpowiada pracy jednego dżula (1 J), którą 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. 76

77 Napięcie elektryczne Praca domowa Wykonaj doświadczenie i opisz jego wyniki. 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-cio 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. 77

78 Napięcie elektryczne PODSUMOWANIE: W zeszycie zapisz wyniki swoich pomiarów i odpowiedz na poniższe pytania Co wpływa na napięcie elektryczne, którego źródłem jest Twoja bateria? 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 to przewodnik w fazie ciekłej lub stałej, w którym prąd elektryczny jest przenoszony za pomocą jonów ogniwo elektryczne to źródło napięcia stałego, zamienia energię pochodzącą z reakcji chemicznych w energię elektryczną wolt (V) to 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 to przyrząd służący do pomiaru napięcia elektrycznego 78

79 Napięcie elektryczne Biogram Biogram 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, którego od jego nazwiska nazwano ogniwem Volty. Profesor uniwersytetu w Pawii. Element multimedialny do biogramu: Fiz_gim_3_9_2_zdjęcie_04_VoltaTytuł: Alessandro Volta Podpis: Alessandro Volta włoski fizyk, konstruktor użytecznego ogniwa. Zadanie podsumowujące moduł Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl 79

80 Prawo Ohma i jego zastosowanie. Opór elektryczny 2.3. Prawo Ohma i jego zastosowanie. Opór elektryczny Podczas ostatniej lekcji przekonaliście się, że natężenie prądu płynącego przez opornik jest wprost proporcjonalne do napięcia między końcami tego opornika. Dzisiaj zajmiemy się bardziej dokładnie 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); 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 podłączymy napięcie elektryczne to popłynie prąd. Zbadajmy, jak zależy natężenie tego prądu od przyłożonego napięcia. W tym celu przeprowadzamy doświadczenie. Element multimedialny do zagadnienia: 80

81 Prawo Ohma i jego zastosowanie. Opór elektryczny Fiz_gim_kl3_dz9_m4_film_01_prawo Ohma Tytuł: Prawo Ohma Podpis: Zależność między natężeniem prądu a napięciem w prostych obwodach elektrycznych WOMI w treści podręcznika: tak WOMI w przypince: tak WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie 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 one do siebie wprost proporcjonalne. Prawo: prawo Ohma Natężenie prądu płynącego przez przewodnik jest wprost proporcjonalne do napięcia przyłożonego między jego końcami.zapisujemy to zależnością: I=UR 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. Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_3_9_zdjęcie_01_Ohm Tytuł: Georg Simon Ohm Podpis: Odkrywca zależności między natężeniem przepływającego prądu przez przewodnik a napięciem na jego końcach WOMI w treści podręcznika: tak WOMI w przypince: tak WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie Prawo Ohma jednak nie jest spełnione dla wszystkich przewodników. Jeżeli chcecie się o tym przekonać, wykonajcie doświadczenie opisane w zadaniu domowym. Zastanówmy się, czy wymiana elementu obwodu elektrycznego spowoduje jakieś zmiany. Obejrzyjmy film Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3_dz9_m4_film_02_prawo Ohma Tytuł: Prawo Ohma Podpis: Jak zmiana elementów obwodu elektrycznego wpływa na wartości natężenia i napięcia w prostym obwodzie elektrycznym? 81

82 Prawo Ohma i jego zastosowanie. Opór elektryczny WOMI w treści podręcznika: tak WOMI w przypince: tak WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie Porównajmy wyniki doświadczeń. Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3_dz9_m4_wykres_01_opor Tytuł: Prawo Ohma Podpis: Wykres zależności natężenia prądu od napięcia elektrycznego między końcami przewodnika WOMI w treści podręcznika: tak WOMI w przypince: tak WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie Zmiana elementu obwodu elektrycznego spowodowała zmianę widoczną na wykresie. Widać różne kąty nachylenia wykresu. Od czego zależy to nachylenie? Skorzystajmy z prawa Ohma I=UR=1R U Z czego wynika, że opór R=UI Obliczmy wartość współczynnika R1 i R2 dzieląc wartość napięcia przez odpowiadające mu natężenie. R1=1 V : 0,2 A=5 R2=1 V : 0,1 A=10 Jak widać wartości oporów są różne. Jeżeli takie samo napięcie przyłączymy między końcami 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=UI Jednostką oporu elektrycznego w układzie SI jest om, symbol Ω (to grecka litera, czytaj omega). Reguła: definicja oma w układzie SI jeden ohm (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 V1 A 82

83 Prawo Ohma i jego zastosowanie. Opór elektryczny 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 własność, nazywaną oporem właściwym. Opór elektryczny przewodnika zależy od: oporu właściwego (ρ), długości (l) i pola przekroju poprzecznego (S), co opisuje wzór: R=ρlS Opór elektryczny zależy także od rodzaju materiału, z którego dany element został wykonany. Każdy materiał ma określoną, charakterystyczną dla niego własność, nazywaną oporem właściwym. Opór elektryczny przewodnika zależy od: oporu właściwego (ρ), długości (l) i pola przekroju poprzecznego (S), co opisuje wzór: 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=UR Z której wynika, że U=I R Dane: R=1150 Ω I=0,2 A Szukane: 83

84 Prawo Ohma i jego zastosowanie. Opór elektryczny 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=UI Dane: I = 250 ma = 0,25 A U= 230 V Szukane: R=? Obliczenia: R=230 V0,25 A=920 Ω Odpowiedź: Opór grzałki jest równy 920 Ω. Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Przykład Korzystając z wykresu zależności natężenia od napięcia dla pewnego odbiornika oblicz jego opór elektryczny.element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3_dz9_m4_wykres _02_opór Tytuł: Wykres zależności natężenia od napięcia elektrycznego dla pewnego odbiornika Podpis: 84

85 Prawo Ohma i jego zastosowanie. Opór elektryczny WOMI w treści podręcznika: tak WOMI w przypince: tak WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie Wskazówka: Wybieramy jeden dowolny punkt należący do wykresu. Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3_dz9_m4_wykres _03_wskazówka Tytuł: Wskazówka Podpis: Wybieramy jeden dowolny punkt należący do wykresu WOMI w treści podręcznika: tak WOMI w przypince: tak WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie Rozwiązanie: Aby wyznaczyć wartość oporu elektrycznego odbiornika, należy znać natężenie płynącego przez niego prądu przy danej wartości napięcia elektrycznego. Korzystamy z zależności: Wzór: R=UI Dane: Z wykresu odczytujemy: U=1,0 V=1 V I=200 ma=0,2 A Szukane: R=? Obliczenia: R=1 V0,2 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 I=UR Dane: R=22,5 Ω 85

86 Prawo Ohma i jego zastosowanie. Opór elektryczny U= 4,5 V Szukane: I=? Obliczenia: I=4,5 V22,5 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=1R U.Występujący w równaniu współczynnik R nazywamy oporem elektrycznym. Jednostką oporu elektrycznego w układzie SI jest om (Ω). Zależność między jednostkami określa wzór 1 Ω=1 V1 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 wykonajcie 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 sprawdźcie oznaczenia na oprawce). Dla każdej pary napięcia U i natężenia I obliczcie stosunek U do I. Wykonajcie także wykres zależności natężenia prądu od napięcia między końcami żarówki. Przeanalizujcie wyniki i odpowiedzcie na pytanie: czy żarówka spełnia prawo Ohma? Jaki wniosek wynika z analizy stosunku U do I? 86

87 Prawo Ohma i jego zastosowanie. Opór elektryczny Słowniczek miara oporu elektrycznego odcinka obwodu to stosunek napięcia elektrycznego miedzy końcami obwodu do natężenia prądu płynącego w tym odcinku om jednostka oporu elektrycznego w układzie SI, symbol - Ω opór właściwy wielkość charakterystyczna dla danej substancji prawo Ohma mówi o zależności między natężeniem prądu elektrycznego i napięciem przyłożonym do końców odbiornika Zadania podsumowujące moduł Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Zadanie Badano zależność natężenia prądu płynącego przez opornik od napięcia na tym oporniku. Wyniki pomiarów umieszczono w poniżej tabeli. Tabela 1. Wyniki pomiarów U, V

88 Prawo Ohma i jego zastosowanie. Opór elektryczny I, ma Aplikacja na epodreczniki.pl Zadanie Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3_dz9_m4_wykres _07_zadanie3 Tytuł: Zależność natężenia prądu płynącego przez cztery różne oporniki od napięcia Podpis: WOMI w treści podręcznika: tak WOMI w przypince: tak WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie Aplikacja na epodreczniki.pl 88

89 Proste obwody elektryczne i ich schematy 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. Tego, jak wyglądają schematyczne oznaczenia różnych elementów, dowiesz się z 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); 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. 89

90 Proste obwody elektryczne i ich schematy obwód elektryczny układ elementów (przewodów, źródeł napięć, odbiorników, wyłączników) połączony w taki sposób, aby umożliwić przepływ prądu elektrycznego Aby układ elektryczny spełniał swoje zadania, działał tak, jak to zostało zaplanowane, 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 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. Specjaliści tacy jak 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. Poniżej w tabelce umieszczono symbole graficzne elementów niezbędnych do sporządzenia schematów prostych obwodów elektrycznych. 90

91 Proste obwody elektryczne i ich schematy Tabela 1. Elementy obwodu elektrycznego i ich symbole Symbol elementu Opis elementu Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3_dz9_m3_schemat_02_włącznik_otwarty Tytuł: Symbol włącznikapodpis: Włącznik otwartywomi w treści podręcznika: takwomi w przypince: takwomi w galerii podręcznika: taklupka: nie Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3_dz9_m3_schemat_03_włącznik_zamknięty Tytuł: Symbol włącznikapodpis: Włącznik zamkniętywomi w treści podręcznika: takwomi w przypince: takwomi w galerii podręcznika: taklupka: nie Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3_dz9_m3_schemat_04_ogniwo Tytuł: Symbol źródła napięciapodpis: WOMI w treści podręcznika: takwomi w przypince: takwomi w galerii podręcznika: taklupka: nie Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3_dz9_m3_schemat_05_przewód Tytuł: Symbol przewodu elektrycznegopodpis: WOMI w treści podręcznika: takwomi w przypince: takwomi w galerii podręcznika: taklupka: nie Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3_dz9_m3_schemat_06_żarówka Tytuł: Symbol żarówkipodpis: WOMI w treści podręcznika: takwomi w przypince: takwomi w galerii podręcznika: taklupka: nie Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3_dz9_m3_schemat_07_opornik Tytuł: Symbol opornika Podpis: WOMI w treści podręcznika: takwomi w przypince: takwomi w galerii podręcznika: taklupka: nie Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3_dz9_m3_schemat_08_amperomierz Tytuł: Symbol amperomierzapodpis: WOMI w treści podręcznika: takwomi w przypince: takwomi w galerii podręcznika: taklupka: nie Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3_dz9_m3_schemat_09_woltomierzTytuł: Symbol woltomierzapodpis: WOMI w treści podręcznika: takwomi w przypince: takwomi w galerii podręcznika: taklupka: nie Wyłącznik otwarty Wyłącznik zamknięty Źródło napięcia Przewody Żarówka Opornik Amperomierz (włączany szeregowo do obwodu) Woltomierz (włączany równolegle do obwodu) 91

92 Proste obwody elektryczne i ich schematy Zapamiętaj Warto przypomnieć: 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 mogłoby wynikać z faktu, że natężenia byłyby 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 2. Obwód elektryczny 5 Samochodzik na baterie Wśród symboli graficznych elementów obwodów elektrycznych, nie znajdziemy symbolu żadnego urządzenia, w tym zegara. Czasami jednak istnieje konieczność zasygnalizowania ich obecności na schemacie jak to miało miejsce w powyższym ćwiczeniu. Wówczas możemy posłużyć się wykonanym samodzielnie rysunkiem. Pamiętajmy jednak, że powinien być on czytelny i zrozumiały. Doświadczenie 1 PROBLEM BADAWCZY: Czy istnieje związek między wartością napięcia elektrycznego a wartością natężenia prądu w zamkniętym obwodzie elektrycznym? 92

93 Proste obwody elektryczne i ich schematy 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 3. Schemat prostego obwodu elektrycznego 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. 93

94 Proste obwody elektryczne i ich schematy Tabela 2. Zależność napięcia od natężenia prądu 1. pomiar 2. pomiar 3. pomiar 4. pomiar U (V) I (A) UI 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 zapiane w ostatnim wierszu tabelki. Jaki nasuwa się wniosek? Sporządź w zeszycie wykres, na osi poziomej odłóż wartość napięcia elektrycznego U, na osi pionowej wartość natężenia prądu I. Jakich jednostek użyjesz do oznaczenia osi w przypadku napięcia a jakich w przypadku natężenia prądu elektrycznego? PODSUMOWANIE: UWAGA! Brak podsumowania. Załącznik do doświadczenia: dosw_m9_1.rtf Polecenie W zeszycie napisz podsumowanie doświadczenia. Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl 94

95 Proste obwody elektryczne i ich schematy 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) połączony 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(link do tabeli w tym module, 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 95

96 Proste obwody elektryczne i ich schematy ogniwo chemiczne jest to układ złożony z dwóch elektrod umieszczonych w elektrolicie, który zamienia energię chemiczną na elektryczną opornik przyrząd służący do pomiaru napięcia elektrycznego, włączany do obwodu równolegle Zadania podsumowujące moduł Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl 96

97 Połączenie szeregowe odbiorników 2.5. Połączenie szeregowe odbiorników Czasami lampki choinkowe przestają świecić. Wymiana przepalonej żarówki wystarcza, aby cały łańcuch działał. 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 napięcia elektrycznego; 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 inny typ połączenia tj. równoległe. Przekonajcie się sami, jaka jest między nimi różnica. Zapoznajcie się z poniższym ćwiczeniem. 97

98 Połączenie szeregowe odbiorników Zadanie Fiz_gim_kl3_dz9_m5_film_01_połączenie_szeregowe_równoległe Tytuł: Połączenia szeregowe i równoległe odbiorników prądu elektrycznego Podpis: Pomiar natężenia i napięcia w połączeniu równoległym odbiorników WOMI w treści podręcznika: tak WOMI w przypince: tak WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie 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 zauważyliście, że natężenie prądu między dowolnie wybranymi punktami w obwodzie elektrycznym nie zmieniało się. Widzieliście, że 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. Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3_dz9_m5_schemat_01_połączenie_szeregowe_ibeTytuł: Połączenie szeregowe Podpis: Schemat połączenia szeregowego dwóch oporników WOMI w treści podręcznika: tak WOMI w przypince: tak WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie Stwierdziliśmy, że napięcie w połączeniu szeregowym rozdziela się na odbiorniki: U=U1+U2 (1) W obwodzie płynie prąd o natężeniu I. Uwzględnimy zależność między napięciem i natężeniem: U=I R (2) Podstawiamy do równania (1) zależność (2) i otrzymujemy: I R=I R1+I R2 (3) Równanie (3) dzielimy przez I i uzyskujemy wzór na opór całkowity: R=R1+R2 (4) 98

99 Połączenie szeregowe odbiorników Wzór (4) pozwala obliczyć opór całkowity w obwodzie. W połączeniu szeregowym opór całkowity obliczamy dodają do siebie opory wszystkich odbiorników. Opór całkowity nazywany jest też oporem zastępczym. Dlaczego? Dlatego, że gdy zamiast oporników R1 i R2 włączymy jeden, ale mający opór równy sumie tych oporów, to natężenie prądu w obwodzie nie ulegnie zmianie. Zadanie Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3_dz9_m5_schemat _02_połączenie_szeregowe Tytuł: Opór zastępczy w połączeniu szeregowym Podpis: Połączenie szeregowe oporników o oporach R1=20 Ω i R2=30 Ω WOMI w treści podręcznika: tak WOMI w przypince: tak WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie Aplikacja na epodreczniki.pl Zadanie Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3_dz9_m5_schemat _03_połączenie_szeregowe Tytuł: Napięcie w szeregowym łączeniu oporów Podpis: Jaka jest wartość napięcia na 30 omowym oporniku? WOMI w treści podręcznika: tak WOMI w przypince: tak WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie Aplikacja na epodreczniki.pl 2. Połączenie szeregowe rozwiązywanie zadań Przykład Dwie żarówki o oporach R1=30 Ω i R2=70 Ω połączono szeregowo do źródła napięcia tak, że płynął przez nie prąd o natężeniu I=150 ma. Oblicz wartości napięć przyłożonych do każdej z żarówek i napięcie wytwarzane przez źródło. Rozwiązanie: 99

100 Połączenie szeregowe odbiorników Natężenie prądy płynącego przez każda z żarówek jest jednakowe i wynosi I=150 ma. Zgodnie z prawem Ohma (po przekształceniu): U=I R czyli U1=I R1 i U2=I R2 Natomiast Ucałk=U1+U2 Dane: R1=30 Ω R2=70 Ω I=150 ma=0,15 A Szukane: U1=? U2=? U=? Obliczenia: U1=0,15 A 30 Ω=4,5 V U2=0,15 A 70 Ω=10,5 V Ucałk=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 R1=40 Ω i R2=60 Ω połączono szeregowo i podłączono do układu napięcie U=5 V. Oblicz natężenie prądu w obwodzie. Dane: R1=40 Ω R2=60 Ω U=5 V Szukane: I=? Wzory: U=I R /:R I=UR R=R1+R2 Obliczenia: 100

101 Połączenie szeregowe odbiorników R=40 Ω+60 Ω=100 Ω I=5 V100 Ω=0,05 A Odpowiedź: W obwodzie płynie prąd o natężeniu 0,05 A. Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Przykład W obwodzie elektrycznym znajdują się trzy oporniki o oporze R1=2 Ω każdy, połączone szeregowo oraz bateria o napięciu U=9 V. Oblicz natężenie prądu w obwodzie oraz napięcie między końcami każdego opornika. Zależności: I=UR R=3 R1 U=3 U1 Dane: R1=2 Ω U=9 V Szukane: U1=? I=? Obliczenia: R=3 2 Ω = 6 Ω I=9 V6 Ω=1,5 A U1=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 101

102 Połączenie szeregowe odbiorników 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 obliczamy dodając do siebie opory poszczególnych odbiorników R=R1+R2+R3+ 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 jest maksymalne natężenie płynącego prądu. Następnie zanotuj te wielkości i oblicz opór całkowity. Z ilu żarówek składa się łańcuch? - sprawdź na opakowaniu lub policz. Korzystając z wyniku uzyskanego w poprzednim punkcie, oblicz opór jednej żarówki przy założeniu, że połączone są szeregowo. Zadania podsumowujące moduł Zadanie Na rysunku przedstawiono schemat połączenia trzech oporników. Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3_dz9_m5_schemat _04_połączenie_szeregowe Tytuł: Szeregowe łączenie oporników Podpis: Jaki będzie opór zastępczy takiego układu? WOMI w treści podręcznika: tak WOMI w przypince: tak WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie Aplikacja na epodreczniki.pl Zadanie Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3_dz9_m5_schemat _05_połączenie_szere- 102

103 Połączenie szeregowe odbiorników gowe Tytuł: Szeregowe łączenie oporników Podpis: Jakie będzie napięcie na każdym z oporników? WOMI w treści podręcznika: tak WOMI w przypince: tak WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie Aplikacja na epodreczniki.pl Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Zadanie Na rysunku przedstawiono schemat połączenia dwóch oporników R1<R2. Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3_dz9_m5_schemat _06_połączenie_szeregowe Tytuł: Łączenie oporników Podpis: Jak połączone są te dwa oporniki? WOMI w treści podręcznika: tak WOMI w przypince: tak WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie Aplikacja na epodreczniki.pl 103

104 Połączenie równoległe odbiorników 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, to 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 będzie doprowadzał on prąd do urządzeń połączonych równolegle. Czy natężenie prądu również będzie miało identyczną wartość? Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3_dz9_m6_film_01_prawo_Kirchhoffa Tytuł: Pierwsze prawo Kirchhoffa Podpis: Pomiar natężenia prądu i pierwsze prawo Kirchhoffa 104

105 Połączenie równoległe odbiorników WOMI w treści podręcznika: tak WOMI w przypince: tak WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie 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. Oznaczmy je I1 oraz I2. Suma natężeń prądów wypływających z węzła jest równa natężeniu prądu dopływającego do niego, czyli: I=I1+I2 Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3_dz9_m6_schemat _01_prawo_Kirchhoffa Tytuł: Pierwsze prawo Kirchhoffa Podpis: Przez przewodnik płynie prąd o natężeniu I. Za węzłem przewodnik rozgałęzia się na dwie części, natężenie prądu rozdziela się na I1 i I2. WOMI w treści podręcznika: tak WOMI w przypince: tak WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie 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, że są razem połączone za pomocą przewodów z dwóch stron, a napięcie jest przyłożone do pary połączonych końcówek. Przyjrzyjmy się jeszcze raz połączeniu równoległemu oporników. Oglądając poniższy film zwróćcie uwagę na zmierzone wartości napięcia i natężenia. Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3_dz9_m6_film_02_połączenie_równoległe Tytuł: Połączenie równoległe odbiorników Podpis: Pomiar natężenia prądu i napięcia między końcami oporników w połączeniu równoległym odbiorników WOMI w treści podręcznika: tak WOMI w przypince: tak WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie Z pewnością zauważyliście, że zmierzone napięcie między końcami oporników i napięcie źródła są sobie równe. Równe są także wartości natężeń prądów dopływających do węzła i natężeń prądów z niego wypływających są równe, czyli spełnione jest pierwsze prawo Kirchhoffa.Oporniki połączone równolegle można zastąpić jednym równoważnym opornikiem R, do końców którego przyłożo- 105

106 Połączenie równoległe odbiorników na 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. Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3_dz9_m6_schemat _02_połączenie_równoległe Tytuł: Połączenie równoległe oporników Podpis: Wyznaczanie wartości oporu zastępczego odbiorników prądu elektrycznego WOMI w treści podręcznika: tak WOMI w przypince: tak WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie Zapisujemy pierwsze prawo Kirchhoffa dla obwodu: I=I1+I2 (1) Uwzględniamy zależność między napięciem (U) i natężeniem (I) otrzymujemy: U=I R (2) Przekształcamy wzór (2) dzieląc go przez opór (R), aby wyznaczyć natężenie: I=UR (3) Podstawiamy do równania (1) do zależność (3): UR =UR1+UR2 (4) Równanie (4) dzielimy przez napięcie (U): 1R=1R1+1R2 (5) Wzór (5) mówi, 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 R1=2 Ω i R2=3 Ω połączono równolegle. Oblicz opór zastępczy tych oporników. Zależność: 1R=1R1+1R2 Dane: R1=2 Ω R2=3 Ω Szukane: R=? Obliczenia: 1R=12 Ω+13 Ω Sprowadzamy ułamki do wspólnego mianownika: 1R=36 Ω+26 Ω 106

107 Połączenie równoległe odbiorników 1R=56 Ω Aby obliczyć opór zastępczy należy postępować tak, jak w przypadku proporcji, czyli pomnożyć "na krzyż". 5 R=1 6 Ω /:5 R=1,2 Ω Odpowiedź: Opór zastępczy układu oporników wynosi R=1,2 Ω. Zadanie Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3_dz9_m6_schemat _03_prawo_Kirchoffa Tytuł: Prawo Kirchhoffa Podpis: WOMI w treści podręcznika: tak WOMI w przypince: tak WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie Aplikacja na epodreczniki.pl Zadanie Opór zastępczy układu oporników przedstawionego na schemacie wynosielement multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3_dz9_m6_schemat _04_połączenie_równoległe Tytuł: Opór zastępczy Podpis: WOMI w treści podręcznika: tak WOMI w przypince: tak WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie Aplikacja na epodreczniki.pl [Zadanie 2] opornik zastępczy oporniki połączone równolegle można zastąpić jednym równoważnym opornikiem R, 107

108 Połączenie równoległe odbiorników 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 korzystając ze wzoru: 1R=1R1+1R2+ gdzie: Rn jest oporem n tego opornika, R oporem zastępczym 2. Połączenie równoległe rozwiązywanie zadań Przykład Dwa oporniki o oporach R1=20 Ω i R2=30 Ω połączono równolegle. Oblicz natężenie prądu płynącego przez każdy opornik, jeśli podłączono je do źródła stałego napięcia U=6 V. Zależności: I=UR Dane: R1=20 Ω R2=30 Ω U=6 V Szukane: I1=? I2=? Obliczenia: I1=6 V20 Ω=0,3 A I2=6 V30 Ω=0,2 A Odpowiedź: Przez opornik R1 płynął prąd o natężeniu 0,3 A, a przez opornik R2 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 A1 wskazuje 0,5 A. Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3_dz9_m6_schemat _05_połączenie_rów- 108

109 Połączenie równoległe odbiorników noległe Tytuł: Jakie będą wskazania mierników? Podpis: WOMI w treści podręcznika: tak WOMI w przypince: tak WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie Zależności: I=UR Dane: R1=6 Ω R2=10 Ω I1=0,5 A Szukane: I=? I2=? U=? Obliczenia: U=0,5 A 6 Ω=3 V I2=3 V10 Ω=0,3 A I=I1+I2 I=0,5 A+0,3 A=0,8 A Odpowiedź: Woltomierz wskazuje 3 V, amperomierz A2 pokazuje wartość 0,3 A, natomiast amperomierz A podaje wartość 0,8 A. Zadanie Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3_dz9_m6_schemat _06_połączenie_równoległeTytuł: Jakie będą wskazania mierników? Podpis: WOMI w treści podręcznika: tak WOMI w przypince: tak WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie Aplikacja na epodreczniki.pl Przykład Korzystając ze schematu obwodu elektrycznego oblicz: 109

110 Połączenie równoległe odbiorników a) b) c) napięcie wytwarzane przez baterię? natężenie prądu płynącego przez opornik R? opór opornika R? Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3_dz9_m6_schemat _07_połączenie_równoległe Tytuł: Aby udzielić poprawnej odpowiedzi przeanalizuj poniższy rysunek Podpis: WOMI w treści podręcznika: tak WOMI w przypince: tak WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie Zależności: U=I1 R1 I=I1+I2 R=UI2 Dane: I=0,4 A I1=0,3 A R1=100 Ω Szukane: U=? I2=? R=? Obliczenia: U=0,3A 100Ω=30 V 0,3 A+I2=0,4 A I2=0,4 A-0,3 A=0,1 A R=30 V0,1 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 Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3_dz9_m6_schemat _08_połączenie_równoległe Tytuł: Korzystając z poniższego schematu odpowiedz na pytania Podpis: WOMI w treści podręcznika: tak WOMI w przypince: tak WOMI w galerii podręcznika: tak 110

111 Połączenie równoległe odbiorników Lupka: nie 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=I1+I2 Napięcie przyłożone do oporników połączonych równolegle i napięcie na każdym oporniku mają taką samą wartość. Odwrotność oporu całkowitego (zastępczego R) w połączeniu równoległym odbiorników obliczamy dodając do siebie odwrotności opory poszczególnych odbiorników (Rn). 1R=1R1+1R2+ Praca domowa W różnych instalacjach elektrycznych znajdują się bezpieczniki. Wyszukaj informacji w dostępnych Ci źródłach (książki, Internet), jaką rolę pełni bezpiecznik w instalacji? Opisz, jak działa. Biogram Biogram Gustaw Robert Kirchhoff Data urodzenia: Miejsce urodzenia: Królewiec Data śmierci: Miejsce śmierci: Berlin 111

112 Połączenie równoległe odbiorników Gustaw Robert Kirchhoff ( ) był niemieckim fizykiem o szerokich zainteresowaniach badawczych. Jest współtwórcą analizy spektralnej, czyli określania składu chemicznego poprzez analizę światła emitowanego przez substancje o wysokiej temperaturze. W 1845 r. opublikował prawa dotyczące przepływu prądu elektrycznego, poszerzając tym samym odkrycia Georga Ohm'a. Fiz_gim_kl3_dz9_m6_biogram_20_Kirchhoff Tytuł: Gustaw Robert Kirchhoff Podpis: Odkrywca praw rządzących przepływem prądu elektrycznego Zadania podsumowujące moduł Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Zadanie Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3_dz9_m6_schemat _09_połączenie_równoległe Tytuł: Korzystając z poniższego schematu odpowiedz na pytania Podpis: WOMI w treści podręcznika: tak WOMI w przypince: tak WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie Aplikacja na epodreczniki.pl Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl 112

113 Praca prądu elektrycznego 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 natężenie płynącego przez nie prądu i napięcie 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 wiemy, że poruszające się pod wpływem napięcia elektrony, uderzając w atomy i inne elektrony w przewodniku, będą traciły energię. Prąd przestanie płynąć. Do utrzymania przepływu 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 w obwodzie płynąć. Na lekcji poświęconej napięciu elektrycznemu poznaliście 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 113

114 Praca prądu elektrycznego U= Wq Wynika z tego dalej, że znając wartość napięcia pomiędzy końcami przewodnika potrafimy obliczyć pracę wykonywaną przez prąd elektryczny. W=U q Jak zapewne pamiętacie, na pierwszej lekcji poświęconej przepływowi prądu elektrycznego zdefiniowaliśmy wielkość zwaną natężeniem prądu: I=qt 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 tego, co mogliście przeczytać wyżej można wysnuć wniosek, że praca, jaka 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 jedna kilowatogodzina jest energią zużytą przez urządzenie o mocy W (czyli 1 kilowata) w czasie 1 godziny Sprawdźmy, ile dżuli ma jedna kilowatogodzina. 1 kwh=1 000 W 1 h=1 000 W s= J=3,6 106 J=3,6 MJ Widać więc, że dżul w porównaniu z kilowatogodziną jest niewielką jednostką. Zapamiętaj 1 kwh=3,6 MJ Ciekawostka Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3_dz9_m8_zdjęcie_20_lodówka_biogram_Joule Tytuł: James Prescott Joule Podpis: Fizyk angielski, którego prace legły u podstaw nauki o cieple (termodynamiki) 114

115 Praca prądu elektrycznego WOMI w treści podręcznika: tak WOMI w przypince: tak WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie 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 Kevinem nad tzw. absolutną skalą temperatur. Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl 2. Praca prądu elektrycznego rozwiązywanie zadań Przykład Mama Kasi używa odkurzacza o mocy W średnio 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=28800 s Szukane: W=? Obliczenia: W=2000 W s= J=57,6 MJ W=2 kw 8 h=16 kwh Odpowiedź: Odkurzacz wykonuje pracę 57,6 MJ, czyli 16 kwh. 115

116 Praca prądu elektrycznego 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. 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=1 500 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. 116

117 Praca prądu elektrycznego Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Przykład W domowej instalacji elektrycznej urządzenia są połączone równolegle. Korzystając z 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 0,3 12 Odkurzacz 2,0 0,2 Zależności: W= W1+W2+W3+W4 W=P t Dane: P1=1,0 kw t1=0,5 h P2=2,0 kw t2=6 h P3=0,3 kw t3=24 h P4=2,0 kw t4=0,2 h Szukane: W=? Obliczenia: Najpierw obliczamy energię zużytą przez każde urządzenie. W1=1,0 kw 0,5 h=0,5 kwh 117

118 Praca prądu elektrycznego W2=2,0 kw 6 h=12 kwh W3=0,3 kw 12 h=3,6 kwh W4=2,0 kw 0,2 h=0,4 kwh Sumujemy uzyskane wyniki. Wcałk=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 jest używaną 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 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 z urządzeń codziennego użytku jest najdłużej włączone (z wyjątkiem lodówki). Oszacuj, ile godzin (minut) pracuje. Odczytaj jego moc i oblicz miesięczny 118

119 Praca prądu elektrycznego koszt zużytej przez nie energii elektrycznej. Przyjmij cenę 1kWh odczytaną z rachunku. Zadania podsumowujące moduł Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl 119

120 Moc prądu elektrycznego 2.8. Moc prądu elektrycznego Wiemy już, że taka sama praca może być wykonywana w różnym czasie. Wielkością fizyczną, opisującą jak szybko wykonujemy pracę, jest moc. Uważny obserwator oglądając urządzenia elektryczne może dostrzec na ich tabliczkach znamionowych zestawy danych, opisujące parametry eksploatacyjne takich urządzeń. Jednym z nich jest moc. Wiemy 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=Wt 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. Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3_dz9_m7_schemat_01_obwód Tytuł: Moc prądu w obwodzie Podpis: Obwód elektryczny, w którym zarówno napięcie, jak i natężenie prądu są stałe 120

121 Moc prądu elektrycznego WOMI w treści podręcznika: tak WOMI w przypince: tak WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie 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= Wq 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 moc prądu elektrycznego moc prądu elektrycznego (P) w obwodach prądu stałego jest równa ilości 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=1JC 1Cs=1Js Często używane są wielokrotności tej jednostki a mianowicie kilowat (kw) równy watów i megawat (MW) równy 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. Kupując odkurzacz o mocy 2500 W zaoszczędzisz na czasie, ponieważ szybciej pracuje. Ale czy 121

122 Moc prądu elektrycznego 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 (prowadząc 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=I2 R lub P=I U=UR U=U2R Powyższe wzory można stosować jedynie w wypadku, gdy następuje zamiana energii elektrycznej na energię termiczną (wewnętrzną). 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 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, to 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. Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3_dz9_m7_zdjęcie_01_żarnik Tytuł: Moc prądu w obwodzie Podpis: W żarówkach starego typu energia elektryczna zamieniana jest na światło i ciepło. Elementem świecącym jest żarnik wykonywany np. z wolframu WOMI w treści podręcznika: tak WOMI w przypince: tak WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie Przykład Prąd o natężeniu 3 A przepływa przez piekarnik elektryczny pracujący pod napięciem 230 V. Oblicz moc piekarnika. Zależności: 122

123 Moc prądu elektrycznego P=U I Dane: I=3 A U=230 V Szukane: P=? Obliczenia: P=230 V 3 A=690 W Odpowiedź: Moc kuchenki jest równa 690 W. [Zadanie 1] Przykład Żarówka o mocy 100 W jest włączona do sieci o napięciu 230 V. Oblicz natężenie prądu płynącego przez żarówkę. Jeśli żarówka zamienia 10% pobieranej energii na światło, to ile energii świetlnej emituje w czasie 1 sekundy? Zależności: P=I U /:U I=PU P=Wt / t W=P t Dane: P=100 W U=230 V t=1 s Szukane: I=? W=? Obliczenia: I=100 W230 V?0,43 A Wświatła=10% 100 W 1 s=10 J Odpowiedź: Natężenie prądu płynącego przez żarówkę wynosi 0,43 A. Energia emitowana przez żarówkę w formie światła w czasie 1 s wynosi 10 J. Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl 123

124 Moc prądu elektrycznego Przykład Spirala grzejna piekarnika o oporze 25 Ω jest zasilana z sieci domowej o napięciu 230V. Oblicz moc grzałki w piekarniku. Zależności: P=U2R P=U I I=UR 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 V223 Ω= W=2300 W Obliczenia 2. sposób: Natężenie prądu jest równe I =UR=230 V23 =10 A Moc P=U I=230 V 10 A=2300 W Odpowiedź: 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=Wt Moc prądu elektrycznego obliczamy mnożąc napięcie elektryczne (U) przez natężenie prądu elektrycznego (I). P=U I 124

125 Moc prądu elektrycznego 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: Zbuduj pod opieką osoby dorosłej obwód według schematu. Element multimedialny do doświadczenia: Fiz_gim_kl3_dz9_m7_schemat_02_obwód Tytuł: Wyznaczanie mocy żarówki elektrycznej Podpis: Sposób połączenia elementów doświadczalnego obwodu elektrycznego WOMI w treści podręcznika: tak WOMI w przypince: tak WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie 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. 125

126 Moc prądu elektrycznego Tabela 1. Zależność mocy żarówki od napięcia i natężenia prądu w obwodzie Nr pomiaru U, V I, A P,W Wartość średnia Wyznaczona moc żarówki:... Odczytana moc żarówki:... Podsumowanie doświadczenia:... Załącznik do doświadczenia: dosw_moc_1.rtf Zadania podsumowujące moduł Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl 126

127 Wyznaczanie oporu elektrycznego i mocy wydzielanej w oporniku zasilanym z baterii. Powtórzenie wiadomości 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 powinien (zgodnie z oznaczeniami) i czy moc wydzielana na nim jest zgodna z opisem urządzenia. Jak to zrobić, nauczycie się na tej lekcji. 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 to zależność między natężeniem prądu (I) płynącym w przewodniku a napięciem (U) przyłożonym między końcami tego przewodnika. Napięcie mierzy się w woltach (V), a natężenie w amperach. Zależność ta przedstawia się następująco: 127

128 Wyznaczanie oporu elektrycznego i mocy wydzielanej w oporniku zasilanym z baterii. Powtórzenie wiadomości I=1R 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=UI 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 zmierzyć natężenie prądu, musi on przepływać przez miernik, dlatego podłącza się go szeregowo. Innymi słowy podłączenie amperomierza wymaga przecięcia przewodnika, aby umożliwić przepływ prądu przez niego. Prawidłowy pomiar natężenia prądu jest dokonywany dzięki temu, że opór amperomierza jest mały w 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 duży prąd, co zmieniałoby sytuację w obwodzie. Zastanówmy się, w jaki sposób można wyznaczyć opór elektryczny opornika. Pomocne w prawidłowych rozważaniach będą poniższe ćwiczenia. [Zadanie 1] [Zadanie 2] [Zadanie 3] Kolejnym etapem jest wykonanie pomiarów i wyznaczenie oporu elektrycznego odbiornika energii elektrycznej. Zapoznajmy się z przykładem przedstawionym na filmie. Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3_dz9_m9_film_01_opór Tytuł: Wyznaczanie oporu elektrycznego Podpis: WOMI w treści podręcznika: tak WOMI w przypince: tak WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie Dysponując dokładnie tym samym zestawem doświadczalnym można wyznaczyć moc żarówki. Znając napięcie (U) i natężenie (I) możemy obliczyć moc (P): Wzór do zagadnienia: moc P=U I 128

129 Wyznaczanie oporu elektrycznego i mocy wydzielanej w oporniku zasilanym z baterii. Powtórzenie wiadomości Jednostką mocy jest wat (W). Obejrzyjmy, w jaki sposób wyznacza się moc żarówki. Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3_dz9_m9_film_02_moc Tytuł: Wyznaczanie mocy odbiornika Podpis: WOMI w treści podręcznika: tak WOMI w przypince: tak WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie Dzięki pomiarowi napięcia i natężenia można wyznaczyć dwie wielkości fizyczne - opór elektryczny i moc badanego odbiornika energii. Pozyskane dane mogą posłużyć także w dalszej analizie, tworzeniu wykresów i próbie odpowiedzi na różne pytania: Czy występuje jakaś zależność między oporem elektrycznym żarówki a przyłożonym do niej napięciem? Czy występuje zależność między mocą urządzenia a napięciem do niego przyłożonym? Pytania można mnożyć, a na podstawie wyników badań formułować odpowiedzi. Wykonywane pomiary służą fizykom w ich dalszej pracy, której efektem może być odkrycie np. nowego prawa. [Zadanie 4] [Zadanie 5] [Zadanie 6] 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, woltomierza. Następnie dokonać pomiaru napięcia i natężenia prądu. Na podstawie uzyskanych wyników doświadczalnych wyznaczyć opór i moc. Opór elektryczny (R) oblicza się dzieląc napięcie (U) przez natężenie (I), czyli ze wzoru: R=UI 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. 129

130 Wyznaczanie oporu elektrycznego i mocy wydzielanej w oporniku zasilanym z baterii. Powtórzenie wiadomości 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. Tabela 1. Doświadczenie - wyniki pomiarów Nr pomiaru U (V) I (A) R (Ω) P=U I (W) 1 130

131 Wyznaczanie oporu elektrycznego i mocy wydzielanej w oporniku zasilanym z baterii. Powtórzenie wiadomości Nr pomiaru U (V) I (A) R (Ω) P=U I (W) 2 3 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, również wyznaczony opór czy moc są obarczone niepewnością. Największą wartość oporu uzyskamy, gdy do zależności R=UI wstawimy największą wartość zmierzonego napięcia i minimalną natężenia prądu. Najmniejszą wartość oporu 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. Korzystając z tej zależności i opisanego wyżej sposobu wyznaczenia minimalnej i maksymalnej wartości oporu, oblicz minimalną i maksymalną wartość wyznaczonej mocy. Słowniczek niepewność pomiarowa to miara rozrzutu wyników powtarzanych pomiarów danej wielkości. Nazywana też 131

132 Wyznaczanie oporu elektrycznego i mocy wydzielanej w oporniku zasilanym z baterii. Powtórzenie wiadomości błędem pomiarowym. Do jej przyczyn zalicza się między innymi: błędy obserwatora podczas odczytywania wskazań przyrządów analogowych, dokładności przyrządów pomiarowych (każdy przyrząd ma określoną najmniejszą podziałkę, zbyt małą liczbę pomiarów opór elektryczny przewodnika to stosunek napięcia przyłożonego między jego końcami do natężenia płynącego przez niego wat (W) to jednostka mocy w układzie SI 132

133 Podsumowanie wiadomości o elektryczności 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 was budowania prostych obwodów elektrycznych, tworzenia i interpretowania ich schematów oraz posługiwania się miernikiem uniwersalnym, który może pełnić funkcję amperomierza a także woltomierza. Przybliżyliśmy wam pojęcie energii elektrycznej, czyli pracy prądu elektrycznego oraz mocy tegoż prądu. Nauczyliśmy was obliczania tych wielkości zarówno w jednostkach układy SI jak i tych spoza tego układu, ale powszechnie w Polsce stosowanych. 1. Natężenie prądu elektrycznego Element multimedialny do ramki: Fiz_gim_kl3_d9_m10_zdjęcie_1_prąd Tytuł: Podpis: WOMI w tekście: tak WOMI w przypince: nie WOMI w galerii podręcznika: nie Lupka: nie Prąd elektryczny uporządkowany ruch cząstek obdarzonych ładunkiem elektrycznym. Cząstki te nazywamy nośnikami prądu. W metalach nośnikami prądu są elektrony. Natężenie prądu ilość ładunku przeniesiona przez poprzeczny przekrój przewodnika w ciągu jednej sekundy. Możemy to zapisać wzorem: I=qtgdzie: 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 C1 s Natężenie prądu mierzy się amperomierzem lub miernikiem uniwersalnym ustawionym na tryb pracy amperomierza. 133

134 Podsumowanie wiadomości o elektryczności 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 Element multimedialny do ramki: Fiz_gim_kl3_d9_m10_zdjęcie_2_napięcie Tytuł: Podpis: WOMI w tekście: tak WOMI w przypince: nie WOMI w galerii podręcznika: nie Lupka: nie 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. 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 J1 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 Element multimedialny do ramki: Fiz_gim_kl3_d9_m10_zdjęcie_3_prawo_ohma Tytuł: Podpis: WOMI w tekście: tak WOMI w przypince: nie WOMI w galerii podręcznika: nie Lupka: nie Prawo Ohma:Natężenie prądu jest wprost proporcjonalne do napięcia przyłożonego do końców przewodnika, co możemy zapisać wzorem: I= URlubI=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. Jednostką oporu elektrycznego w układzie SI jest om, symbol - Ω. 134

135 Podsumowanie wiadomości o elektryczności Przewodnik ma opór 1 oma (1 Ω) jeśli przyłożenie do jego końców napięcia 1 wolta (1 V) wywoła w nim prąd o natężeniu 1 ampera (1 A): 1 Ω=1 V1 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: większy kat nachylenia mniejszy opór. Element multimedialny do modułu: Fiz_gim_kl3_d9_m10_rysunek_3_charakterystyka 4. Obwody prądu elektrycznego Element multimedialny do ramki: Fiz_gim_kl3_d9_m10_zdjęcie_4_obwód Tytuł: Podpis: WOMI w tekście: tak WOMI w przypince: nie WOMI w galerii podręcznika: nie Lupka: nie Obwodem elektrycznym nazywamy zestaw przewodników, źródeł napięcia, włączników, wyłączników, oporników i innych odbiorników energii elektrycznej (na przykład 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 Element multimedialny do ramki: Fiz_gim_kl3_d9_m10_zdjęcie_5_schemat Tytuł: Podpis: WOMI w tekście: tak WOMI w przypince: nie WOMI w galerii podręcznika: nie Lupka: nie 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: 135

136 Podsumowanie wiadomości o elektryczności Tabela 1. Wykaz symboli graficznych niektórych elementów obwodów elektrycznych Symbol elementu Opis elementu Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3_dz9_m3_schemat_02_włącznik_otwarty Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3_dz9_m3_schemat_03_włącznik_zamknięty Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3_dz9_m3_schemat_04_ogniwo Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3_dz9_m3_schemat_05_przewód Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3_dz9_m3_schemat_06_żarówka Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3_dz9_m3_schemat_07_opornik Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3_dz9_m3_schemat_08_amperomierz Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3_dz9_m3_schemat_09_woltomierz Włącznik otwarty Włącznik zamknięty Ogniwo Przewody Żarówka Opornik Amperomierz (włączany szeregowo do obwodu) Woltomierz (włączany równolegle do obwodu) 6. Szeregowe łączenie oporników Element multimedialny do ramki: Fiz_gim_kl3_d9_m10_zdjęcie_6_szeregowe Tytuł: Podpis: WOMI w tekście: tak WOMI w przypince: nie WOMI w galerii podręcznika: nie Lupka: nie Przez wszystkie oporniki połączone szeregowo płynie prąd o takim samym natężeniu I1=I2=I3=...=I Napięcie przyłożone do układu oporników połączonych szeregowo rozdziela się na poszczególne oporniki a suma napięć na poszczególnych opornikach równa jest napięciu całkowitemu U1+U2+U3+...+Un=U Opór całkowity (zastępczy) oporników połączonych szeregowo jest sumą oporów poszcze- 136

137 Podsumowanie wiadomości o elektryczności 4. gólnych oporników. Rszer.=R1+R2+R3+...+Rn Uszkodzenie jednego z odbiorników połączonych szeregowo uniemożliwia przepływ prądu we wszystkich pozostałych. 7. Równoległe łączenie oporników Element multimedialny do ramki: Fiz_gim_kl3_d9_m10_zdjęcie_7_równolegle Tytuł: Podpis: WOMI w tekście: tak WOMI w przypince: nie WOMI w galerii podręcznika: nie Lupka: nie Natężenie prądu płynącego przez układ oporników połączonych równolegle jest sumą natężeń prądów płynących przez poszczególna oporniki: I=I1+I2+I3+...+In Napięcie przyłożone do układu oporników połączonych równolegle i napięcie na każdym oporniku mają taką samą wartość: U1=U2=U3=...=U Odwrotność oporu całkowitego (zastępczego) w połączeniu równoległym obliczamy dodając do siebie odwrotności oporów poszczególnych odbiorników: 1Rrówn.=1R1+1R2+1R3+ 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 Element multimedialny do ramki: Fiz_gim_kl3_d9_m10_zdjęcie_8_moc Tytuł: Podpis: WOMI w tekście: tak WOMI w przypince: nie WOMI w galerii podręcznika: nie Lupka: nie Moc prądu elektrycznego (P) - ilość energii elektrycznej (W) przekazanej elementowi obwodu elektrycznego w jednostce czasu (t): P=Wt 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 (UI=R), P=U2R lub P=I2 R Napis W, 230 V na urządzeniu elektrycznym oznacza, że jeśli urządzenie to podłączymy do napięcia 230 woltów, to płynący przez nie prąd będzie pracował z mocą 2000 watów. 137

138 Podsumowanie wiadomości o elektryczności 9. Praca prądu elektrycznego Element multimedialny do ramki: Fiz_gim_kl3_d9_m10_zdjęcie_9_licznik_kWh Tytuł: Podpis: WOMI w tekście: tak WOMI w przypince: nie WOMI w galerii podręcznika: nie Lupka: nie 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.) Ilość pobranej energii jest równa pracy wykonanej przez prąd, co możemy zapisać symbolicznie: Wprądu=Eelektryczna Wartość pracy prądu płynącego w urządzeniu o mocy P obliczymy mnożąc tę moc przez czas t pracy urządzenia: Wprądu= 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 nie należy do układu SI. Przeliczenie kilowatogodziny na jednostki układu SI czyli dżule: 1 kwh = 1 kw 1 h = 1000 W s = W s= J = 3,6 MJ Ponieważ moc prądu P jest iloczynem napięcia i natężenia prądu (P=U I), pracę prądu możemy obliczyć ze wzoru: Wprądu= U I t 10. Wyznaczanie oporu opornika Element multimedialny do ramki: Fiz_gim_kl3_d9_m10_zdjęcie_10_opornik Tytuł: Podpis: WOMI w tekście: tak WOMI w przypince: nie WOMI w galerii podręcznika: nie Lupka: nie 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 i woltomierza, wyłącznika. Włączyć obwód i zmierzyć napięcie na końcach opornika i natężenie prądu płynącego przez opornik. Obliczyć opór elektryczny (R) dzieląc napięcie (U) przez natężenie (I), czyli ze wzoru: 138

139 Podsumowanie wiadomości o elektryczności R=UI QUOTE R=UI 11. Wyznaczanie mocy żarówki Element multimedialny do ramki: Fiz_gim_kl3_d9_m10_zdjęcie_11_halogen Tytuł: Podpis: WOMI w tekście: tak WOMI w przypince: nie WOMI w galerii podręcznika: nie Lupka: nie 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 i woltomierza, wyłącznika. Włączyć obwód i zmierzyć napięcie przyłożone do żarówki i natężenie prądu płynącego przez żarówkę. Obliczyć moc prądu (P) mnożąc napięcie (U) przez natężenie (I), czyli ze wzoru: P=U I 12. Test [Zadanie 1] [Zadanie 2] [Zadanie 3] [Zadanie 4] [Zadanie 5] [Zadanie 6] [Zadanie 7] [Zadanie 8] [Zadanie 9] [Zadanie 10] [Zadanie 11] [Zadanie 12] [Zadanie 13] 139

140 Podsumowanie wiadomości o elektryczności 13. Zadania Polecenie Żelazko zasilane jest 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), a ładunek przeniesiony między chmurą a ziemią miał 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) b) Podaj nazwy wielkości fizycznych, których wartości podane są w tym opisie. 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 140

141 Podsumowanie wiadomości o elektryczności 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 10A. 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. 141

142 Sprawdzian wiadomości o elektryczności 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 230V, 2kW 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. 142

143 Magnetyzm i elektromagnetyzm 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, to magnesy przyciągały zawsze, ale tylko przedmioty wykonane z żelaza. W starożytności również wiedziano, że ciało zwane magnesem potrafi spowodować, że inne ciało zrobione z żelaza i umieszczone blisko uzyska własności magnetyczne. Zauważono także, że dwie strony magnesu mają różne właściwości zwrócone do siebie magnesy mogły się albo przyciągać albo odpychać. Tego uczyliście się w I klasie gimnazjum, 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; wykazać doświadczalnie, że magnes ma dwa bieguny; wykonać doświadczenia prezentujące własności magnetyczne różnych substancji; podać przykłady wykorzystania oddziaływania magnetycznego; 143

144 Oddziaływania magnetyczne opisywać pole magnetyczne Ziemi. 1. Przestrzeń wokół magnesu Każdego dnia spotkamy się z różnymi oddziaływaniami, które zachodzą na odległość nie wymagają one bezpośredniego kontaktu ciał. Do oddziaływań na odległość 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 własności magnetyczne można zniszczyć przez potarcie diamentem. Współcześnie wiadomo, że oddziaływania magnetyczne i elektryczne są ze sobą ściśle powiązane, ale o tym dowiecie się na kolejnych lekcjach. Ilustracja 1. Zdjęcie magnetytu Magnetyt to minerał, który tak, jak magnes przyciąga przedmioty wykonane ze stali Magnesem nazywamy wszystkie ciała, które posiadają właściwości przyciągające lub odpychające żelazo lub inne magnesy. Kiedyś określenie to było stosowana tylko dla rud magnetytu lub pirytu. Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3_dz10_m1_zdjęcie2_magnes_czarny Tytuł: Zdjęcie magnesu szarego (czarnego) Podpis: Nie wszystkie magnesy są dziełem człowieka, niektóre skały (np. magnetyt) posiadają własności 144

145 Oddziaływania magnetyczne magnetyczne. WOMI w treści podręcznika: tak WOMI w przypince: tak WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie Magnes przyciąga spinacze, szpilki i inne przedmioty, które wykonane są ze stali. Stalowe przedmioty są przyciągane przez magnes, a stal jest stopem żelaza i węgla. Zastanówmy 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 końcem, a następnie drugim końcem. Czy spinacze zostały przyciągnięte? Spróbuj zbliżyć środek magnesu do spinacza. Czy tym razem zaobserwowałeś przyciąganie? Załącznik do doświadczenia: dosw_m18_1.rtf 145

146 Oddziaływania magnetyczne Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Najwięcej spinaczy gromadzi się na końcach magnesu, które nazywamy biegunami. Przy biegunach występuje 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. pole magnetyczne polem magnetycznym nazywamy przestrzeń, w której działają siły magnetyczne Pole magnetyczne jest niewidoczne dla naszych oczu, ale używając opiłków żelaza możemy 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 146

147 Oddziaływania magnetyczne 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 własności magnetyczne i stają się "małymi" magnesami, które wzajemnie się przyciągają Przyjęto, że 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. Występujące razem bieguny północny (N) i południowy (S) nazywamy dipolem magnetycznym. Wiemy już, że magnes posiada dwa bieguny. Co się stanie, gdy przepiłujemy go w połowie? Okazuje się, że każdy z dwu kawałków, które w ten sposób powstaną tworzy dwubiegunowy magnes. Nie można otrzymać ciała z jednym tylko biegunem. Dlaczego tak jest, dowiecie się wybierając program rozszerzony fizyki w liceum. Ciekawostka Fizycy teoretyczni 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. Bieguny wszystkich badanych magnesów 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. Zastanówmy się, czy dwa magnesy się przyciągają czy odpychają. W tych rozważaniach pomogą nam doświadczenia. 147

148 Oddziaływania magnetyczne Doświadczenie 2 CEL: Badanie oddziaływania między dwoma magnesami. CO BĘDZIE POTRZEBNE: dwa magnesy (najlepiej sztabkowe). gładka powierzchnia stołu. 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. Załącznik do doświadczenia: dosw_m18_2.rtf Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl W obu doświadczeniach uzyskaliśmy identyczne wyniki. Gdy magnesy były zbliżane biegunami jednoimiennymi (tymi samymi), to odpychały sie wzajemnie. Natomiast gdy były zbliżane biegunami różnoimiennymi (przeciwnymi), to przyciągały się. Zapamiętaj Bieguny jednoimienne magnesów odpychają się, a bieguny różnoimienne przyci- 148

149 Oddziaływania magnetyczne ągają. 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? Sprawdźmy to za pomocą doświadczenia. Doświadczenie 3 CEL: Badanie właściwości magnetycznych różnych substancji CO BĘDZIE POTRZEBNE: magnes, plastikowa linijka, stół, monety: 1-groszowa, 1-zł, 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. Dla pozostałych miedzi, złota, srebra, aluminium i przedmiotów z nich wykonanych nie widzieliśmy skutków oddziaływania. Przedmioty można podzielić na dwie grupy tj. oddziałujące z magnesem i te, które na niego nie reagują. Załącznik do doświadczenia: dosw_m18_3.rtf 149

150 Oddziaływania magnetyczne 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, potas. Dzielą się one na diamagnetyki (są słabo odpychane) i paramagnetyki (są słabo przyciągane). Z czego wynika różnica, dowiesz się podczas nauki w liceum. Definicja 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 własności magnetycznych na dużych obszarach (w stosunku do rozmiaru atomów), które nazywane są domenami magnetycznymi. Obszary takie można zobaczyć w specjalnych warunkach pod mikroskopem. 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. 150

151 Oddziaływania magnetyczne 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 północnej części Kanady. Biegun magnetyczny północny usytuowany jest na południe od Australii. Kompas nie wskazuje więc dokładnie północy geograficznej. Ciekawostka 151

152 Oddziaływania magnetyczne 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 naładowanych cząstek 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 w skutek podwyższonej aktywności Słońca, na którym co pewien czas dochodzi do burz elektromagnetycznych tak, że wysyła ono większą porcję promieniowania, a tym samym cząstek naładowanych. Zaburzenia pola magnetycznego czasami prowadzą 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) te 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. 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. Substancje, które silnie przyciąga magnes, są ferromagnetykami. 152

153 Oddziaływania magnetyczne 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 się przyciągnęły. 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. Na sztywnej kartce rozsyp spinacze lub opiłki żelaza. b. Pod sztywną kartkę podłóż magnes. Zaobserwuj, jak układają się linie pola magnetycznego wokół magnesu podkowiastego. PODSUMOWANIE: Wykonaj rysunek przedstawiający rozkład linii pola magnetycznego, podpisz bieguny magnesu. 153

154 Oddziaływania magnetyczne Załącznik do doświadczenia: dosw_m18_4.rtf Słowniczek bieguny jednoimienne to 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 Biogramy Biogram Arystoteles Data urodzenia: 384 r. p.n.e. 154

155 Oddziaływania magnetyczne 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. Fiz_gim_kl3_d3_m17_zdjęcie_21_Arystoteles_biogram Tytuł: Arystoteles Podpis: Jego filozofia ukształtowała światopogląd średniowiecznej Europy Biogram 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. Fiz_gim_kl3_d3_m17_zdjęcie_20_Tales_biogram Tytuł: Tales z Miletu Podpis: Jedną z tez filozofii przypisywanych Talesowi, jest to że magnes posiada duszę 155

156 Oddziaływania magnetyczne Zadania podsumowujące moduł Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl 156

157 Pole magnetyczne wokół przewodnika z prądem. Elektromagnesy i ich zastosowanie 3.2. Pole magnetyczne wokół przewodnika z prądem. Elektromagnesy i ich zastosowanie Rozsypane, drobne opiłki metalowe wokół magnesu, jak i przewodnika, przez który przepływa prąd elektryczny układają się w określone kształty geometryczne. W przypadku magnesu za to zjawisko odpowiedzialne jest pole magnetyczne. Czy jest tak samo w przypadku przewodnika elektrycznego, przez który przepływa prąd elektryczny? 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 bieguny 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 wskazuje 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, 157

158 Pole magnetyczne wokół przewodnika z prądem. Elektromagnesy i ich zastosowanie 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 używając igły magnetycznej. W pobliżu magnesu ustawia się ona wzdłuż linii 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. Fiz_gim_kl3_dz10_m3_film1_Oersted Tytuł: Doświadczenie Oersteda Podpis: Zachowanie się igły magnetycznej w pobliżu przewodnika, przez który płynie prąd WOMI w treści podręcznika: tak WOMI w przypince: tak WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie 158

159 Pole magnetyczne wokół przewodnika z prądem. Elektromagnesy i ich zastosowanie 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 przeprowadził włoski prawnik Giandomenico Romagnosi w 1802 r. Opublikował 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 o oddziaływanie elektrostatyczne. Przyjrzyjmy się, jaki kształt ma pole magnetyczne wokół prostoliniowego przewodnika z prądem. Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3_dz10_m3_film2_Oersted2 Tytuł: Doświadczenie Oersteda Podpis: Kształt pola magnetycznego wokół przewodnika z prądem WOMI w treści podręcznika: tak WOMI w przypince: tak WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie 159

160 Pole magnetyczne wokół przewodnika z prądem. Elektromagnesy i ich zastosowanie Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Polecenie Czy zmiana kształtu przewodnika wpłynie na zmianę kształtu pola magnetycznego? WOMi do polecenie:element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3_dz10_m3_zdjęcie2_pętla Tytuł: Doświadczenie Oersteda Podpis: Opiłki żelaza zagęszczają się wewnątrz przewodnika kołowego WOMI w treści podręcznika: tak WOMI w przypince: tak WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie Wskazówka: Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3_dz10_m3_zdjęcie3_spiralaTytuł: Doświadczenie Oersteda Podpis: Opiłki żelaza odzwierciedlają linie pola magnetycznego wokół spirali zwojnicy WOMI w treści podręcznika: tak WOMI w przypince: tak WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie Linie pola magnetycznego wokół przewodnika zwiniętego w pętlę, zagęszczają się w jej wnętrzu. Jeśli drut zwiniemy wielokrotnie otrzymując zwojnicę, to opiłki żelaza układają się 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. Elek- 160

161 Pole magnetyczne wokół przewodnika z prądem. Elektromagnesy i ich zastosowanie tromagnes składa się ze zwojnicy, rdzenia i źródła prądu. Ilustracja 1. Budowa elektromagnesu Budowa elektromagnesu Ważną rolę odgrywa rdzeń elektromagnesu wykonany z ferromagnetyka. W jego wnętrzu porządkują się domeny magnetyczne, co wzmacnia pole magnetyczne zwojnicy. Zbudujmy elektromagnes i sprawdźmy jego działanie. Doświadczenie 1 CEL: Budowa elektromagnesu i badanie jego oddziaływania na różne substancje. CO BĘDZIE POTRZEBNE: przewód np. z miedzi o długości cm, bateria 4,5V, gwóźdź, igła magnetyczna (lub kompas), drobne przedmioty np.: spinacze, szpilki, pierścionek, kolczyki, gumka do mazania, folia aluminiowa itp., dodatkowo 2 złączki tzw. krokodylki. 161

162 Pole magnetyczne wokół przewodnika z prądem. Elektromagnesy i ich zastosowanie 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: Badając pole magnetyczne 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. Załącznik do doświadczenia: dosw_1_m19.rtf 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 oddziałuje z metalowym (stalowym) elementem wbudowanym 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 pola magnetycznego można określić przy użyciu igły magnetycznej. Kierunek pola magnetycznego zależy od tego, w którą stronę płynie w przewodniku prąd elektryczny. Układ linii 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. 162

163 Pole magnetyczne wokół przewodnika z prądem. Elektromagnesy i ich zastosowanie Elektromagnes składa się ze zwojnicy i ferromagnetycznego rdzenia. Elektromagnesy stosuje się między innymi w zamkach elektromagnetycznych i akceleratorach. Praca domowa Doświadczenie 2 PROBLEM BADAWCZY: Czy elektromagnes i magnes oddziałują ze sobą? HIPOTEZA: Tak, elektromagnes i magnes oddziałują ze sobą. CO BĘDZIE POTRZEBNE: przewód np. z miedzi o długości cm, bateria 4,5V, 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. Załącznik do doświadczenia: dosw_2_m19.rtf 163

164 Pole magnetyczne wokół przewodnika z prądem. Elektromagnesy i ich zastosowanie 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 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 później opublikował pracę, w której pokazał, że pole magnetyczne wokół przewodnika z prądem ma kształt okręgu. Fiz_gim_kl3_dz_10_m3_zdjęcie1_Oersted Tytuł: Christian Oersted Podpis: Christian Oersted odkrył, że przepływowi prądu elektrycznemu zawsze towarzyszy pole magnetyczne 164

165 Pole magnetyczne wokół przewodnika z prądem. Elektromagnesy i ich zastosowanie Zadania podsumowujące moduł Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl 165

166 Działanie silnika elektrycznego prądu stałego 3.3. Działanie silnika elektrycznego prądu stałego Prawie w każdym momencie naszego życia wykorzystujemy silniki elektryczne. Znajdują się one w wielu urządzeniach: elektryczna szczoteczka do zębów, suszarka do włosów, mikser do przygotowania napoju. Jedziemy windą, tramwajem, aby uruchomić samochód używamy rozrusznika, który jest silnikiem elektrycznym. Kiedy jest gorąco używamy wentylatora. Przykładów stosowania silników elektrycznych jest mnóstwo. A jak działa taki silnik, bez którego nie wyobrażamy sobie codziennego życia? Tego dowiecie się z dzisiejszej 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; 166

167 Działanie silnika elektrycznego prądu stałego 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: Ustawiamy elementy jak na rysunku:element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3dz10_m4_silnik elektryczny_ doświadczenie _1 Tytuł: Badanie siły elektrodynamicznej Podpis: Sposób połączenia elementów zestawu doświadczalnego WOMI w treści podręcznika: tak WOMI w przypince: tak WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie Zamykamy obwód, obserwujemy zachowanie się odcinka przewodu znajdującego się pomiędzy biegunami magnesu. Zmieniamy kierunek płynącego prądu, obserwujemy ponownie zachowanie się odcinka przewodu znajdującego się między biegunami magnesu. Odwracamy magnes tak, aby biegun południowy S znalazł się na dole, a północny N na górze. Powtarzamy obserwacje dla dwóch kierunków przepływu prądu. PODSUMOWANIE: Podczas przepływów prądu pojawiała się siła, która powodowała albo wypychanie przewodnika z przestrzeni pomiędzy biegunami albo wciąganie go w głąb podkowy magnesu. Oznacza to, że siły działały 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. Kierunek tej siły będzie prostopadły do przewodnika. 167

168 Działanie silnika elektrycznego prądu stałego siła elektrodynamiczna siła, jaka działa pole magnetyczne na umieszczony w nim przewodnik, w którym płynie prąd elektryczny Pytanie, czy można przewidzieć, w którą stronę będzie działać na przewodnik siła elektrodynamiczna? Jaki będzie zwrot tej siły?dokładna analiza przebiegu doświadczenia pozwala na zauważenie pewnej reguły, przedstawionej na rysunku poniżej: Element multimedialny do zagadnienia: : Fiz_gim_kl3dz10_m4_silnik elektryczny_rysunek1 Tytuł: Kierunek i zwrot siły elektrodynamicznej Podpis: Jak wyznaczać kierunek i zwrot siły elektrodynamicznej WOMI w treści podręcznika: tak WOMI w przypince: tak WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie Wynika z tej reguły, że siła elektrodynamiczna jest prostopadła zarówno do przewodnika jak i do linii pola przebiegających jak wiadomo od bieguna północnego do południowego. Można dość łatwo zapamiętać ta regułę i używać jej do określania kierunku i zwrotu siły elektrodynamicznej używając 3 palców lewej dłoni. Trzeba ustawić kciuk, palec wskazujący i palec wielki prostopadle do siebie. Palec wskazujący ustawiamy wzdłuż linii pola biegnących od bieguna północnego do południowego, wielki palec ustawiamy wzdłuż przewodnika tak, aby wskazywał, w którą stronę płynie prąd (kierunek umowny). Gdy tak zrobimy, to kciuk będzie wskazywał kierunek i zwrot siły elektrodynamicznej.zastosuj teraz tą 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. Element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3dz10_m4_silnik elektryczny_rysunek2 Tytuł: Podpis: WOMI w treści podręcznika: tak WOMI w przypince: tak WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie W tej sytuacji sile elektrodynamiczna będzie działała a) b) c) d) w górę. w dół. w lewo w prawo 168

169 Działanie silnika elektrycznego prądu stałego Polecenie Rysunek przedstawia sytuację, w której przewodnik w kształcie ramki został umieszony między biegunami dwóch magnesów. W przewodniku płynie prąd w stronę wskazaną strzałką. Element multimedialny do zagadnienia: : Fiz_gim_kl3dz10_m4_silnik elektryczny_rysunek3 Tytuł: Podpis: WOMI w treści podręcznika: tak WOMI w przypince: tak WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie 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 2. Element multimedialny do zagadnienia: : Fiz_gim_kl3dz10_m4_silnik elektryczny_rysunek1_2tytuł: Zasada budowy i działania silnika elektrycznego Podpis: W którą stronę obraca się wirnik silnika? WOMI w treści podręcznika: tak WOMI w przypince: tak WOMI w galerii podręcznika: tak Lupka: nie 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 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 169

170 Działanie silnika elektrycznego prądu stałego na siły działające na boki ramki? Popatrzmy jeszcze raz na rysunek 2. Teraz siła elektrodynamiczna będzie działać na bok DC w dół (a przedtem działała w górę); podobnie przedtem na bok AB działała 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. Oprócz wirnika w silniku muszą być magnesy. Stanowią one tzw. stojan. Często zresztą 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 a 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 z stojana i wirnika. Stojan składa się z minimum dwóch magnesów trwałych lub elektromagnesów. Ruch wirnika spowodowany jest oddziaływaniem magnesów (lub elektromagnesów) z przewodnikiem stanowiącym wirnik. 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. 170

171 Wzbudzanie przepływu prądu elektrycznego 3.4. Wzbudzanie przepływu prądu elektrycznego 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 najważniejszym w tej chwili mechanizmem wytworzenia napięcia elektrycznego we wszystkich elektrowniach. Proponujemy Wam zapoznanie się z treścią tej lekcji, bo ułatwi 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 bieguny 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: 171

172 Wzbudzanie przepływu prądu elektrycznego bateria 1,5V, 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 czyli zjawiska indukcji elekromagnetycznej poświęcił wiele lat na potwierdzenie powstawania prądu w przewodniku z użyciem magnesu. Odkrycie nastąpiło 29 sierpnia 1831 roku. Biogram Michael Faraday 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 elek- 172

173 Wzbudzanie przepływu prądu elektrycznego tromagnetyzmu 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. Zdjęcie prezentowanej postaci (może być w szerszym planie): Fiz_gim_kl3_dz_10_m4_zdjęcie2_Faradaytytuł: brak podpis: Michael Faraday ( ) Aby potwierdzić doświadczenie Faraday a wykonajcie następujące doświadczenie: Doświadczenie 1 PROBLEM BADAWCZY: Czy względny ruch zwojnicy i magnesu może być źródłem prądu? HIPOTEZA: Względny ruch przewodu i magnesu jest źródłem prądu. CO BĘDZIE POTRZEBNE: zwojnica; magnes neodymowy; miernik uniwersalny lub amperomierz o małym zakresie (warto wykorzystać znajdujące się w szkołach mierniki uniwersalne demonstracyjne, takie jak pokazane na poniższych ilustracjach); INSTRUKCJA: wybierz na mierniku małych prądów; ustaw amperomierz na minimalnym zakresie pomiarowym; połącz zwojnicę z miernikiem; 173

174 Wzbudzanie przepływu prądu elektrycznego Ilustracja 1. 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. PODSUMOWANIE: Gdy poruszałeś magnesem, to amperomierz wskazywał pewne wartości, które ulegały zmianie. Oznacza to, że poruszający się magnes względem przewodu, 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. 174

175 Wzbudzanie przepływu prądu elektrycznego Biogram 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, przekaźnika elektromagnetycznego. Jego praca nad przekaźnikiem była podstawą dla Samuela Morse'a, który zbudował telegraf. Zdjęcie prezentowanej postaci (może być w szerszym planie): Fiz_gim_kl3_dz_10_m4_zdjęcie3_Henrytytuł: brak podpis: Joseph Henry ( ) indukcja elektromagnetyczna zjawisko wytwarzania napięcia elektrycznego przez zmianę pola magnetycznego 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. 175

176 Wzbudzanie przepływu prądu elektrycznego Ilustracja 2. 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 tzw. linie wysokiego napięcia. Obniżenie napięcia do wartości codziennego użytku następuje dzięki zjawisku indukcji elektromagnetycznej. Urządzenie, które umożliwia obniżanie lub podwyższanie napięcia nazywamy transformatorem. Zapoznamy się ze sposobem jego działania wykonując doświadczenie. wolt to 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; 176

177 Wzbudzanie przepływu prądu elektrycznego 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);element multimedialny do zagadnienia: Fiz_gim_kl3_dz10_m5_zdjęcie1 _transformator Tytuł: Budowa i działanie transformatora 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 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. Element multimedialny: Fiz_gim_kl3_dz10_m5_animacja _transformatortytuł: Budowa i działanie transformatora. 177

178 Wzbudzanie przepływu prądu elektrycznego Podpis: Budowa i działanie transformatora. Poprzez dobranie liczby zwojów na uzwojeniu pierwotnym i wtórnym możemy regulować napięciem. Jeśli uzwojenie pierwotne liczy więcej zwojów niż uzwojenie pierwotne, to transformator będzie obniżał napięcie. W odwrotnej sytuacji to jest, 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 uzwojenie pierwotne = napięcie wyjściowe 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 Obliczenia: 5 V 20 = U w U 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 178

179 Wzbudzanie przepływu prądu elektrycznego Pomyślmy, 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. Następnie jest ono podwyższane, nawet do wartości V. W lokalnych punktach - stacjach transformatorowych obniża się jego wartość stopniowo do wartości potrzebnej odbiorcy. Ilustracja 3. Przesył energii Podczas przesyłania energii kilkakrotnie stosuje się transformatory, aby podwyższać i obniżać napięcie 179

180 Wzbudzanie przepływu prądu elektrycznego zasada zachowania energii energii nie można wytworzyć ani zniszczyć, można zmieniać jej formę. Całkowita energia nie ulega zmianie transformator to urządzenie, które przenosi energię elektryczną dzięki zjawisku indukcji elektromagnetycznej moc to szybkość przekazywanej energii; symbol P; jednostka w układzie SI - wat (W) 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 uzwojenia pierwotnego i wtórnego, które umieszczone są na ferromagnetycznym rdzeniu. Podłączenie prądu zmiennego do uzwojenia wtórnego 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 180

181 Wzbudzanie przepływu prądu elektrycznego jaki sposób możemy uzyskać napięcia 23 V, 46 V, 69 V, 115 V i 161 V. Zadania podsumowujące moduł Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl 181

182 Rodzaje fal elektromagnetycznych oraz ich zastosowanie 3.5. Rodzaje fal elektromagnetycznych oraz ich zastosowanie Czy możecie sobie wyobrazić codzienne życie bez radia, telewizji, Internetu bezprzewodowego? Czy telefon komórkowy, kuchenka mikrofalowa i aparat rentgenowski mają coś wspólnego ze sobą? 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 rodzaje promieniowania elektromagnetycznego; opisywać zastosowanie fal radiowych, mikrofal, promieniowania podczerwonego. promieniowania nadfioletowego i rentgenowskiego. 1. Fale elektromagnetyczne *Wiecie już z poprzedniej lekcji, że zmiana położenia magnesu w pobliżu przewodnika powodować może przepływ prądu elektrycznego. Ponieważ przepływ prądu wymaga oddziaływań elektrycznych, wynika z tego, że zmienne oddziaływania magnetyczne powodują powstanie oddziaływań elektrycznych. Wiecie 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. 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 po- 182

183 Rodzaje fal elektromagnetycznych oraz ich zastosowanie ruszający się tam i z powrotem elektron. Tak, macie rację pojawi się w tym miejscu zmienne oddziaływanie magnetyczne. W ten sposób przenoszą się te oddziaływania w przestrzeni. 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. Ze względu na to, jakie wielkości się przy tym zmieniają mówimy o fali elektromagnetycznej. Teorie rozchodzenia się takich 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, będziecie się uczyć w liceum (jeżeli wybierzecie poziom rozszerzony) i podczas wyższych studiów na odpowiednim kierunku. Definicja 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 s. Długość fali będzie wtedy równa: λ = c f 2. Rodzaje fal elektromagnetycznych i ich zastosowanie 183

184 Rodzaje fal elektromagnetycznych oraz ich zastosowanie Tabela 1. Długość 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: λ =? Wzór: λ = c f Obliczenia: λ = m s 2, Hz? 1, m = 1, m = 0,12 m = 12 cm Odpowiedź: 184

185 Rodzaje fal elektromagnetycznych oraz ich zastosowanie Mikrofale wykorzystywane w kuchence mikrofalowej mają długość około 12 cm. Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl [Zadanie 2] Fale radiowe 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 185

186 Rodzaje fal elektromagnetycznych oraz ich zastosowanie 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 w powietrzu bez problemów nawet, gdy występują niesprzyjające warunki atmosferyczne (mgła, opady). Dzięki temu znalazły zastosowanie w urządzenia 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 wykorzystywane 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 w oparciu o pomiar częstotliwości wysyłanego promieniowania 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. Element multimedialny: Fiz_gim_kl3_dz_10_film_termowizjaTytuł: Brak Opis: Kamera termowizyjna pozwala na obserwację tego, co niewidoczne dla ludzkich oczu. Powierzchnie ciał stałych i cieczy nagrzewają się dzięki podczerwieni, ponieważ częstotliwość fali i częstotliwość drgań cząsteczek ciał stałych i cieczy są sobie równe. Promieniowanie podczerwone nie ogrzewa gazów, więc astronomowie wykorzystują tę własność 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. 186

187 Rodzaje fal elektromagnetycznych oraz ich zastosowanie 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, kamerach termowizyjnych. Światło widzialne należy do zakresu od 400 nm do 700 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, z kolei mózg rejestruje je jako kolory. Ilustracja 4. Spektrum światła widzialnego Długości fal podano w nanometrach Tabela 2. Długości fal odpowiadających poszczególnym kolorom Kolor Długość fali (nm) Fioletowy Niebieski Zielony Żółty Pomarańczowy

188 Rodzaje fal elektromagnetycznych oraz ich zastosowanie Kolor Długość fali (nm) 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 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. 188

189 Rodzaje fal elektromagnetycznych oraz ich zastosowanie 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. Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Promieniowanie rentgenowskie (X) odkrył Wilhelm Röntgen w 1895 roku. Jego źródłem są specjalne lampy - pod wpływem wysokiego napięcia elektrony są rozpędzane, a następnie zderzają się z twardą metalową powierzchnią. Promieniowanie rentgenowskie mają szerokie zastosowanie w diagnostyce medycznej - prześwietlenia RTG, mammografia i inne, ponieważ przenika 189

190 Rodzaje fal elektromagnetycznych oraz ich zastosowanie 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 - przykrycia 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 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 pierwszą nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki "za nadzwyczajne zasługi oddane poprzez odkrycie promieni noszących jego imię W 1895 roku odkrył nowy typ promieniowania, który przenikał przez papier i tekturę. Ze względu na tajemniczość nazwał je promieniowaniem X. Pierwszą osobą, na której przetestował swoje odkrycie była żona Berta. Dzięki zrobio- 190

191 Rodzaje fal elektromagnetycznych oraz ich zastosowanie nemu zdjęciu mogła zobaczyć fragment swojego szkieletu, a dokładnie dłoń. Wkrótce po tym Roentgen 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. 3 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. 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, 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. 191

192 Rodzaje fal elektromagnetycznych oraz ich zastosowanie 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. 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 192

193 Rodzaje fal elektromagnetycznych oraz ich zastosowanie... Wydrukuj i wypełnij formularz: Cel:... Wyniki: Wnioski:... Słowniczek fala elektromagnetyczna rozchodzenie się w przestrzeni zmiennych oddziaływań elektrycznych i magnetycznych. W próżni fala ta rozchodzi się z prędkością o wartości km/s fale radiowe to fale elektromagnetyczne o najmniejszej częstotliwości. Są wykorzystywane w radiofonii i telewizji oraz do obserwacji astronomicznych mikrofale to 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, na które pada. Ma zastosowanie m.in. w noktowizorach, kamerach termowizyjnych promieniowanie rentgenowskie (X) to fala elektromagnetyczna o dużej częstotliwości. Jest przenikliwa, co pozwala na wykonywanie prześwietleń bagaży na lotniskach i badań diagnostycznych 193

194 Rodzaje fal elektromagnetycznych oraz ich zastosowanie ultrafiolet (UV, nadfiolet) to fala elektromagnetyczna o częstotliwości większej od światła widzialnego. Jego źródłem jest Słońce i lampy kwarcowe. Ma zastosowanie m.in. w sterylizacji i kryminalistyce Zadania podsumowujące moduł Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl 194

195 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 Wam zjawisko indukcji elektromagnetycznej oraz przykłady jego zastosowania w prądnicy i transformatorze. 1. Magnes trwały Podsumowanie wiadomości o magnetyzmie Ilustracja 1. Zdjęcie magnesu sztabkowego z oznaczonymi biegunami 195

196 Podsumowanie wiadomości o magnetyzmie Magnes - każde 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 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. 196

197 Podsumowanie wiadomości o magnetyzmie 3. Pole magnetyczne Ziemi. Kompas Element multimedialny do ramki: Fiz_gim_kl3_d10_m98_zdjęcie_3_pole_m_ZiemiTytuł: Podpis: WOMI w tekście: tak WOMI w przypince: nie WOMI w galerii podręcznika: nie Lupka: nie Ziemia jako planeta otoczona i wypełniona jest 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. 197

198 Podsumowanie wiadomości o magnetyzmie Ilustracja 3. Zdjęcie drobnych przedmiotów (spinaczy, szpilek) przyciągniętych przez magnes Ze względu na oddziaływanie z magnesami, substancje dzieli się na trzy kategorie: 1. 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 magnetycz- ne), uchwyty magnetyczne i wiele, wiele innych; 2. paramagnetyki słabo przyciągane przez magnes. przykłady: aluminium, sód, potas, lit. 3. 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 4. Doświadczenia Oersteda 1. Jeśli przez przewodnik płynie prąd, to wokół niego występuje pole magnetyczne. 198

199 Podsumowanie wiadomości o magnetyzmie 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 5. Zdjęcie linii pola magnetyczne wokół przewodnika liniowego 6. Pole magnetyczne wokół zwojnicy przypomina kształtem pole wokół magnesu sztabkowego. Ilustracja 6. Linie pola magnetycznego zwojnicy 199

200 Podsumowanie wiadomości o magnetyzmie 6. Elektromagnesy. Ilustracja 7. Elektromagnes Elektromagnes to magnes powstający w wyniku przepływu prądu elektrycznego. Elektromagnes najczęściej zbudowany jest ze zwojnicy, w której płynie prąd i ferromagnetycznego rdzenia, który wzmacnia pole magnetyczne. 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 200

201 Podsumowanie wiadomości o magnetyzmie Ilustracja 8. 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. 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 - stanowi go ułożyskowana zwojnica, umieszczona 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 201

202 Podsumowanie wiadomości o magnetyzmie Ilustracja 9. 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. 9. Prądnica i transformator 202

203 Podsumowanie wiadomości o magnetyzmie Ilustracja 10. 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. Prądnicę (generator prądu) stanowi zwojnica obracająca się w polu magnetycznym. Przykładem prądnicy jest dynamo rowerowe. Transformator - urządzenie, służące do obniżania lub podwyższać 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 dobranie liczby zwojów na uzwojeniu pierwotnym i wtórnym możemy regulować napięciem zgodnie z równaniem: napięcie wejściowe uzwojenie pierwotne = napięcie wyjściowe uzwojenie wtórne Lub U p Z p = U w Z w 10. Fale elektromagnetyczne 203

204 Podsumowanie wiadomości o magnetyzmie Ilustracja 11. Szereg 6 symboli charakteryzujących różne typy fal elektromagnetycznych 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 tej wzajemnej zależności elektryczności i magnetyzmu, w przestrzeni rozchodzi się zaburzenie nazywane falą elektromagnetyczną. Fale elektromagnetyczne rozchodzą się w próżni z prędkością c = km/s. 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. 204

205 Podsumowanie wiadomości o magnetyzmie ultrafiolet ma większą częstotliwość niż światło widzialne. Jego źródłem są lampy kwarcowe i Słońce; w dużych dawkach szkodliwe dla skóry, w małych dawkach stosowane w terapii schorzeń dermatologicznych. Ponadto stosuje się do sterylizacji sprzętu medycznego i pomieszczeń, przyspieszania reakcji chemicznych w przemyśle chemicznym, identyfikacji minerałów spektroskopia UV; promieniowanie rentgenowskie (promienie X) wytwarzane przez aparaty rentgenowskie, Słońce i inne obiekty astronomiczne, jest przenikliwe, zatrzymuje je warstwa ołowiu. Stosowane w diagnostyce i terapii medycznej oraz do badania struktury wewnętrznej materiałów i konstrukcji - na przykład elementów silników samolotowych, prześwietlania bagażu na lotniskach; promieniowanie gamma o najmniejszej długości i największej częstotliwości. Emitowane przez pierwiastki promieniotwórcze oraz podczas reakcji jądrowych. Bardzo przenikliwe, silnie jonizujące, zabójcze dla organizmów żywych. Stosowane w radioterapii nowotworów, w diagnostyce medycznej, do sterylizacji żywności i sprzętu medycznego; 11. Test. Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl 12. Zadania Polecenie Jak nazywają się te miejsca magnesu, które najsilniej przyciągają przedmioty żelazne lub stalowe (szpilki, spinacze)? Podaj ich nazwy oraz symbole. Polecenie Narysuj kształt linii pola magnetycznego wytwarzanego przez prąd płynący w zwojnicy. Polecenie Napisz jak działa i do czego służy kompas. 205

206 Podsumowanie wiadomości o magnetyzmie Polecenie Jednym z zastosowań magnesów trwałych są separatory magnetyczne. W ofercie producenta czytamy: Separatory magnetyczne na magnesach stałych (neodymowych lub ferrytowych) służą do oczyszczania różnych materiałów sypkich i lejnych z zanieczyszczeń ferromagnetycznych, takich jak opiłki, druty, śruby czy nakrętki. Z powodzeniem znajdują zastosowanie między innymi w recyklingu materiałów odpadowych. Czy taki separator wystarczy do oczyszczenia makulatury, w której mogą znajdować się stalowe spinacze, mosiężne zszywki do papieru oraz plastikowe nakrętki? Jeśli nie, to które z zanieczyszczeń nie zostaną usunięte? Odpowiedź uzasadnij. Polecenie Czy silny magnes neodymowy można wykorzystać do wybierania okruchów złota z piasku złotonośnego potoku? Odpowiedź uzasadnij. Polecenie W pobliżu zwojnicy znajduje się kompas. Po włączeniu prądu, wskazówka kompasu wskazuje jeden z końców zwojnicy. Magnes sztabkowy zbliżony do tegoż końca zwojnicy jest od niej odpychany. Jakim biegunem zbliżano magnes do zwojnicy? Polecenie Jeśli zbliżymy kompas do dolnej krawędzi lodówki, to wskazówka będzie przyciągana przez lodówkę. Ta sama wskazówka będzie odpychana od górnej krawędzi lodówki. (Sprawdź ten efekt samodzielnie!) a) b) Czy to oznacza, że obudowa lodówki jest magnesem? Jeśli tak, to jaki biegun magnetyczny ma górna a jaki dolna część tej obudowy? Polecenie Na rysunku poniżej przedstawiono dwie sytuacje, w których przewodnik umieszczony jest pomiędzy biegunami magnesu. Narysuj wektory siły elektrodynamicznej działającej na przewodniki. Element multimedialny: Fiz_gim_kl3_d10_m98_zdjęcie_11_magnesy 206

207 Podsumowanie wiadomości o magnetyzmie Polecenie W jaki sposób możemy zmieniać kierunek obrotów w silniku elektrycznym? 207

208 Sprawdzian wiadomości o magnetyzmie 3.7. Sprawdzian wiadomości o magnetyzmie Zadanie Aplikacja na epodreczniki.pl Polecenie Narysuj linie pola magnetycznego wokół Ziemi. Podpisz bieguny magnetyczne oraz geograficzne. Zaznacz zwrot linii pola magnetycznego. Polecenie Wymień po trzy różne zastosowania fal radiowych oraz promieniowania gamma. Polecenie Czy elektromagnes można wykorzystać w składzie złomu metali kolorowych (nieżelaznych). Jeśli tak, to do jakich celów? Odpowiedź uzasadnij. 208

209 Definicje Definicje Definicja Anihilacja pary elektron-pozyton zjawisko znikania pary cząstek elektron pozyton, którego skutkiem jest zwykle wytworzenie promieniowania?. Masa pary cząstek zamieniona zostaje w równoważną jej energię promienistą, a ładunek zachowany (e- + e+ 2?). 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. Definicja 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. Definicja Atom to najmniejsza cząstka pierwiastka. Każdy atom jest obojętny elektrycznie. Reguła: definicja oma w układzie SI jeden ohm (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 V1 A 209

210 Definicje Definicja dipol elektryczny to układ dwóch o jednakowej wartości ładunków różnoimiennych, które znajdują się w pewnej odległości od siebie Definicja Elekrolit wodny roztwór kwasu lub zasady dobrze przewodzący prąd elektryczny, np. wodny roztwór kwasu siarkowego. Definicja 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. Definicja Elektron walencyjny jeden z najbardziej zewnętrznych elektronów w atomie. Liczba elektronów walencyjnych oraz to jak mocno są one związane z rdzeniem atomu wpływają na szereg własności fizycznych pierwiastka, między innymi na przewodnictwo cieplne i elektryczne. Definicja Elektrony swobodne to elektrony niezwiązane lub słabo związane z atomami w metalach. Mogą poruszać się swobodnie w objętości substancji, odpowiadają za jej dobre właściwości cieplne i elektryczne. Definicja elektroskop przyrząd laboratoryjny służący do wykrywania ładunku elektrycznego. Wykorzystuje zjawisko wzajemnego odpychania się jednoimiennych ładunków elektrycznych 210

211 Definicje Definicja 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 na jednym ciele powstaje nadmiar ładunku dodatniego, a na drugim równy co do wartości nadmiar ładunku ujemnego. Zjawisko to nazywamy elektryzowaniem ciał przez tarcie. Definicja Elektryzowanie przez dotyk polega na dotknięciu ciałem naelektryzowanym ciała nienaelektryzowanego. W efekcie oba ciała są naładowane ładunkiem tego samego znaku. Definicja 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=3 108ms. Długość fali będzie wtedy równa: λ = c f Definicja ferromagnetyki substancje silnie przyciągane przez magnes np. żelazo, nikiel, kobalt i ich stopy Definicja 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. Definicja Indukcja elektrostatyczna jest to przemieszczanie się elektronów swobod- 211

212 Definicje nych wewnątrz przewodnika lub powstawanie dipola elektrycznego (polaryzacja elektryczna cząsteczki albo atomu) w izolatorze, pod wpływem znajdującego się w bezpośredniej bliskości ciała naładowanego elektrycznie. Definicja Izolator to substancja o znikomym przewodnictwie, charakteryzująca się w szerokim zakresie temperatur niską koncentracją nośników ładunku elektrycznego. Definicja Jon atom, któremu zostały dostarczone lub odebrane elektrony. Definicja Jon dodatni atom, w którym liczba protonów przewyższa liczbę elektronów. Definicja Jonizacja gazu zjawisko przekształcania atomów (cząsteczek) gazu w jony pod wpływem czynników zewnętrznych temperatury, promieniowania lub pola elektrycznego. Definicja Jon ujemny atom, w którym liczba elektronów jest większa od liczby protonów. Definicja Krypton (Kr) gaz szlachetny, stosowany jako wypełniacz w żarówkach i szybach zespolonych. Definicja Ksenon (Xe) gaz szlachetny wykorzystywany do produkcji jarzeniówek, lamp błyskowych i żarówek dużej mocy. Definicja Kulomb (C) jednostka ładunku elektrycznego w układzie SI. Definicja Liczba atomowa (lub liczba porządkowa) oznaczana literą Z, określająca liczbę protonów w jądrze atomu. Definicja Liczba masowa oznaczana literą A, określająca łączną liczbę protonów i neutronów (nukleonów) w jądrze atomowym. 212

213 Definicje Definicja 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 (Bibl_01_04). Definicja 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. Definicja Ładunek elementarny stała fizyczna o wartości 1, C, odpowiadająca ładunkowi elektrycznemu protonu. Definicja Ładunki punktowe Jako ładunki punktowe traktowane są takie ciała naładowane, których rozmiary są małe w porównaniu z dzielącą je odległością. Definicja Mikrokulomb (µc) jednostka pochodna jednostki ładunku elektrycznego kulomba (C) w układzie SI, równa co do wartości 10-6 C. Definicja Milikulomb (mc) jednostka pochodna jednostki ładunku elektrycznego kulomba (C) w układzie SI, równa co do wartości 10-3 C. Definicja napięcie elektryczne U między dwoma punktami przewodnika jest równe liczbowo stosunkowi pracy W wykonanej podczas przenoszenia ładunku q między tymi punktami przewodnika do tego ładunku U= Wq Definicja Neon (Ne) gaz szlachetny, bezbarwny i bezwonny. Stosowany do wypełniania lamp neonowych oraz substancja robocza w laserach helowo-neonowych. 213

214 Definicje Definicja Neutron (n) obojętny elektrycznie składnik jądra atomowego. Neutrony występujące samodzielnie są niestabilne, ulegają rozpadowi. Definicja Pierwiastek chemiczny składa się z atomów, które mają taką samą liczbę atomową. Prawo: pierwsze prawo Kirchhoffa suma natężeń prądów wpływających do dowolnego węzła jest równa sumie natężeń prądów wypływających z tego węzła Definicja Plazma zjonizowana materia, będąca gazem zawierającym jednakową liczbę jonów dodatnich i odpowiadających im elektronów swobodnych. Uznawana za czwarty stan skupienia materii. Definicja 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 Definicja Polaryzacja dielektronowa zjawisko powstawania dipoli w dielektryku lub zmiany orientacji (uporządkowania) już istniejących. Definicja 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 Definicja Powłoka walencyjna to najbardziej oddalona od jądra atomu powłoka, na której znajdują się elektrony. Definicja Pozyton (e+) antycząstka elektronu, jego masa i wartość ładunku są takie same jak elektronu. W odróżnieniu jednak od elektronu znak ładunku prze- 214

215 Definicje noszonego przez pozyton jest dodatni. Definicja Półprzewodnik to 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. Prawo: prawo Coulomba Siła wzajemnego oddziaływania dwóch ładunków punktowych Q1 i Q2 jest wprost proporcjonalna do iloczynu tych ładunków, a odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi. Zapisać je można symbolicznie w postaci wzoru: F=kQ1 Q2r2 F siła, k stała elektrostatyczna, k=9 109N m2c2, Q1, Q2 punktowe ładunki elektryczne, r odległość między punktowymi ładunkami elektrycznymi. Definicja Prawo Kirchhoffa suma natężeń prądów wpływających do węzła sieci elektrycznej jest równa sumie natężeń prądów z niego wypływających. Prawo: prawo Ohma Natężenie prądu płynącego przez przewodnik jest wprost proporcjonalne do napięcia przyłożonego między jego końcami.zapisujemy to zależnością: Definicja I=UR promieniowanie kosmiczne cząstki i promieniowanie elektromagnetyczne dochodzące do Ziemi z otaczającej ją przestrzeni kosmicznej. Jednym ze źródeł promieniowania kosmicznego jest Słońce Definicja Proton (p) składnik jądra atomowego pierwiastków chemicznych. Ładunek protonu odpowiada wielkości ładunku elementarnego. Główny składnik pro- 215

216 Definicje mieniowania kosmicznego. Definicja Przewodnik elektronowy to ciało, w którym przenoszenie ładunku elektrycznego realizowane jest przez elektrony. Zaliczamy do nich głównie metale, między innymi miedź, aluminium, żelazo i złoto. Definicja Przewodnik jonowy przewodnik, w którym dominującymi nośnikami ładunku elektrycznego są jony. Przewodniki jonowe mogą być cieczami, ciałami stałymi lub gazami. Definicja Układ izolowany elektrycznie ciała izolowane elektrycznie, jest to układ ciał, w którym nie dochodzi do wymiany ładunku elektrycznego ze swoim otoczeniem. Definicja 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. Dzisiejszy jej wygląd zawdzięczamy fizykowi duńskiemu, laureatowi Nagrody Nobla, Nielsowi Bohrowi. Definicja Węzeł sieci elektrycznej miejsce, w którym rozgałęziają się przewody elektryczne. Definicja 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. Reguła: Zasada zachowania ładunku W układach izolowanych sumaryczny ładunek algebraiczna suma ładunków dodatnich i ujemnych nie ulega zmianie. 216

217 Pojęcia Pojęcia akcelerator urządzenie, które przyspiesza elektrony, protony i jony do bardzo dużych prędkości tzn. bliskich prędkości światła ( km/s) amper to jednostka prądu elektrycznego, symbol A amperomierz to przyrząd służący do pomiaru natężenia prądu elektrycznego bateria układ połączonych ogniw, najczęściej szeregowo bateria elektryczna układ, najczęściej szeregowy, kilku lub kilkunastu ogniw bieguny jednoimienne to para tych samych biegunów tj. północ północ, południe południe bieguny różnoimienne para biegunów przeciwnych tj. północ południe dipol magnetyczny układ dwóch biegunów magnetycznych północnego i południowego; przykładem dipola magnetycznego jest magnes elektrolit to przewodnik w fazie ciekłej lub stałej, w którym prąd elektryczny jest przenoszony za pomocą jonów elektromagnes magnes, którego pole magnetyczne powstaje w wyniku przepływu prądu elektrycznego; jest to zwojnica, wewnątrz której znajduje się ferromagnetyczny rdzeń (np. ze stali, żelaza) fala elektromagnetyczna rozchodzenie się w przestrzeni zmiennych oddziaływań elektrycznych i magnetycznych. W próżni fala ta rozchodzi się z prędkością o wartości km/s 217

218 Pojęcia fale radiowe to fale elektromagnetyczne o najmniejszej częstotliwości. Są wykorzystywane w radiofonii i telewizji oraz do obserwacji astronomicznych indukcja elektromagnetyczna zjawisko wytwarzania napięcia elektrycznego przez zmianę pola magnetycznego kilowatogodzina jedna kilowatogodzina jest energią zużytą przez urządzenie o mocy W (czyli 1 kilowata) w czasie 1 godziny 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 miara oporu elektrycznego odcinka obwodu to stosunek napięcia elektrycznego miedzy końcami obwodu do natężenia prądu płynącego w tym odcinku mikrofale to fale elektromagnetyczne stosowane w radarach, łączności satelitarnej, nawigacji GPS moc to szybkość przekazywanej energii; symbol P; jednostka w układzie SI - wat (W) moc prądu elektrycznego moc prądu elektrycznego (P) w obwodach prądu stałego jest równa ilości 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=1JC 1Cs=1Js napięcie elektryczne prądem elektrycznym nazywamy uporządkowany ruch nośników ładunków elektrycznych 218

219 Pojęcia natężenie prądu elektrycznego jest równe stosunkowi ładunku, jaki przepłynie w pewnym czasie przez poprzeczny przekrój przewodnika do czasu tego przepływu. I=qt gdzie: I natężenie prądu elektrycznego q ładunek, jednostka kulomb C t czas, jednostka sekunda s niepewność pomiarowa to miara rozrzutu wyników powtarzanych pomiarów danej wielkości. Nazywana też błędem pomiarowym. Do jej przyczyn zalicza się między innymi: błędy obserwatora podczas odczytywania wskazań przyrządów analogowych, dokładności przyrządów pomiarowych (każdy przyrząd ma określoną najmniejszą podziałkę, zbyt małą liczbę pomiarów obwód elektryczny układ elementów (przewodów, źródeł napięć, odbiorników, wyłączników) połączony w taki sposób, aby umożliwić przepływ prądu elektrycznego ogniwo chemiczne jest to układ złożony z dwóch elektrod umieszczonych w elektrolicie, który zamienia energię chemiczną na elektryczną ogniwo elektryczne to źródło napięcia stałego, zamienia energię pochodzącą z reakcji chemicznych w energię elektryczną om jednostka oporu elektrycznego w układzie SI, symbol - Ω opornik przyrząd służący do pomiaru napięcia elektrycznego, włączany do obwodu równolegle 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 korzystając ze wzoru: 219

220 Pojęcia 1R=1R1+1R2+ gdzie: Rn jest oporem n tego opornika, R oporem zastępczym opór elektryczny przewodnika to stosunek napięcia przyłożonego między jego końcami do natężenia płynącego przez niego opór właściwy wielkość charakterystyczna dla danej substancji 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, kamerach termowizyjnych pole magnetyczne polem magnetycznym nazywamy przestrzeń, w której działają siły magnetyczne polikryształ zbiór wielu małych, przypadkowo ułożonych kryształów prawo Ohma mówi o zależności między natężeniem prądu elektrycznego i napięciem przyłożonym do końców odbiornika prąd indukcyjny prąd płynący w przewodniku na skutek działania zmiennego pola magnetycznego promieniowanie rentgenowskie (X) to fala elektromagnetyczna o dużej częstotliwości. Jest przenikliwa, co pozwala na wykonywanie prześwietleń bagaży na lotniskach i badań diagnostycznych przewodniki prądu elektrycznego substancje, które przewodzą prąd np. miedź, aluminium, złoto, elektrolity, zjonizowane gazy schemat obwodu elektrycznego odwzorowanie obwodu elektrycznego wykonane za pomocą symboli graficznych 220

221 Pojęcia siła elektrodynamiczna siła, jaka działa pole magnetyczne na umieszczony w nim przewodnik, w którym płynie prąd elektryczny stal stop węgla i żelaza transformator to urządzenie, które przenosi energię elektryczną dzięki zjawisku indukcji elektromagnetycznej ultrafiolet (UV, nadfiolet) to fala elektromagnetyczna o częstotliwości większej od światła widzialnego. Jego źródłem jest Słońce i lampy kwarcowe. Ma zastosowanie m.in. w sterylizacji i kryminalistyce wat (W) to jednostka mocy w układzie SI wolt to jednostka napięcia w układzie SI, symbol V wolt (V) to 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 to przyrząd służący do pomiaru napięcia elektrycznego zasada zachowania energii energii nie można wytworzyć ani zniszczyć, można zmieniać jej formę. Całkowita energia nie ulega zmianie zorza polarna zjawisko świecenia gazów znajdujących się w atmosferze w wyniku zderzeń z wysokoenergetycznymi protonami i elektronami 221

222 Biogramy Biogramy Biogram 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. Biogram Charles Augustin de Coulomb Ilustracja 1. Charles Augustin Data urodzenia: de Coulomb 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 uhonorowany został tytułem członka Francuskiej Akademii Nauk. Był doskonałym eksperymentatorem. Do jego 222

223 Biogramy największych osiągnięć naukowych należą pomiar siły oddziaływań pomiędzy ładunkami elektrycznymi przeprowadzony za pomocą wagi skręceń oraz prace dotyczące sił tarcia i oporu w płynach. Biogram Benjamin Franklin Ilustracja 2. Portret Beniamina Data urodzenia: Franklina 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. Biogram 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 źró- 223

224 Biogramy dła 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 później opublikował pracę, w której pokazał, że pole magnetyczne wokół przewodnika z prądem ma kształt okręgu. Biogram 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, przekaźnika elektromagnetycznego. Jego praca nad przekaźnikiem była podstawą dla Samuela Morse'a, który zbudował telegraf. Biogram Gustaw Robert Kirchhoff Data urodzenia: Miejsce urodzenia: Królewiec Data śmierci: Miejsce śmierci: Berlin 224

225 Biogramy Gustaw Robert Kirchhoff ( ) był niemieckim fizykiem o szerokich zainteresowaniach badawczych. Jest współtwórcą analizy spektralnej, czyli określania składu chemicznego poprzez analizę światła emitowanego przez substancje o wysokiej temperaturze. W 1845 r. opublikował prawa dotyczące przepływu prądu elektrycznego, poszerzając tym samym odkrycia Georga Ohm'a. Biogram Michael Faraday 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. 225

226 Biogramy Biogram Karol Olszewski Ilustracja 3. 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. Biogram Wilhelm Konrad Röntgen Ilustracja 4. Wilhelm Roentgen Data urodzenia: 1845 r. Miejsce urodzenia: Lennep Data śmierci: 1923 r. Miejsce śmierci: Monachium W 1901 roku otrzymał pierwszą nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki "za nadzwyczajne zasługi oddane poprzez odkrycie promieni noszących jego imię W 1895 roku odkrył nowy typ promieniowania, który przenikał przez papier i 226