Świat pod lupą - Epodreczniki.pl

Transkrypt

FIZYKA
Świat pod lupą
klasa 3, gimnazjum
Świat pod lupą
Przedmiot:
fizyka
Autorzy:
Magdalena Grygiel, Helena Nazarenko-Fogt i Ryszard Nych
Redakcja merytoryczna i metodyczna:
Ireneusz Benzar, Halina Kleszczyńska i Ryszard Nych
Redakcja językowa:
Magdalena Kozińska
Redakcja techniczna:
Anna Dłutek, Krzysztof Jaworski, Maja Ligenza, Aleksandra Ryczkowska i Ewelina Zagozda
Opracowanie elementów graficznych i programistycznych:
Dariusz Adryan, Andrzej Bogusz, Krzysztof Jaworski, Anita Mowczan, Aleksandra Ryczkowska, Marcin Sadomski i Michał Szymczak
Redakcja WCAG:
Izabela Mrochen
Format treści:
E-podręcznik dla ucznia
Data wydania:
2 grudnia 2015
Typ szkoły:
gimnazjum
Oznaczenia treści:
treści rozszerzające
oprawa metodyczna
ISBN 978-83-64915-72-7
Świat pod lupą
Spis treści
Rozdział 1. Elektrostatyka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1. Ładunki elektryczne i ich oddziaływanie. Ładunek elementarny . . . . . . . . .
1.2. Elektryzowanie ciał przez tarcie, dotyk i indukcję . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3. Przewodniki i izolatory prądu elektrycznego. Przepływ prądu w przewodnikach
1.4. Zasada zachowania ładunku elektrycznego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.5. Podsumowanie wiadomości z elektrostatyki . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.6. Sprawdzian wiadomości – elektrostatyka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
. 4
21
37
53
67
76
Rozdział 2. Elektryczność . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
2.1. Prąd elektryczny i jego natężenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2. Napięcie elektryczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3. Proste obwody elektryczne i ich schematy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4. Prawo Ohma i jego zastosowanie. Opór elektryczny . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5. Połączenie szeregowe odbiorników . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6. Połączenie równoległe odbiorników . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.7. Praca prądu elektrycznego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.8. Moc prądu elektrycznego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.9. Wyznaczanie oporu elektrycznego i mocy wydzielanej w oporniku zasilanym z baterii.
Powtórzenie wiadomości . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.10. Podsumowanie wiadomości o elektryczności . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.11. Sprawdzian wiadomości o elektryczności . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. 77
. 91
. 104
. 113
. 125
. 133
. 145
. 153
. 163
. 171
. 187
Rozdział 3. Magnetyzm i elektromagnetyzm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
3.1. Oddziaływania magnetyczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2. Pole magnetyczne wokół przewodnika z prądem. Elektromagnesy i ich zastosowanie
3.3. Działanie silnika elektrycznego prądu stałego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4. Wzbudzanie przepływu prądu elektrycznego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5. Rodzaje fal elektromagnetycznych oraz ich zastosowanie . . . . . . . . . . . . . . .
3.6. Podsumowanie wiadomości o magnetyzmie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.7. Sprawdzian wiadomości o magnetyzmie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Definicje . . . . . . . . . .
Pojęcia . . . . . . . . . . .
Biogramy . . . . . . . . . .
Bibliografia . . . . . . . . .
Rozdział 4. O e-podręczniku
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
3
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
. 188
. 203
. 213
. 219
. 232
. 247
. 261
.
.
.
.
.
. 262
. 264
. 280
. 290
. 291
Elektrostatyka
Rozdział 1. Elektrostatyka
1.1. Ładunki elektryczne i ich oddziaływanie.
Ładunek elementarny
Czy zauważyłeś, że czasem podczas ściągania swetra włosy „stają
dęba”, a podaniu ręki towarzyszy iskra? Dlaczego koty zazwyczaj nie
lubią głaskania pod włos? Jeśli chcesz dowiedzieć się, co się za tym
kryje, czytaj dalej.
Już potrafisz:
•
stwierdzić, że w przyrodzie występują oddziaływania bezpośrednie oraz na odleglość: grawitacyjne, elektryczne, magnetyczne i jądrowe;
•
pokazać, że oddziaływania są wzajemne;
4
Ładunki elektryczne i ich oddziaływanie. Ładunek elementarny
•
wskazać, że każde działanie siły pociąga za sobą określony skutek, choć czasami
skutki oddziaływań nie są jednakowo widoczne dla obu wzajemnie działających
jedno na drugie ciał.
Nauczysz się:
•
wskazywać przykłady elektryzowania się ciał w życiu codziennym;
•
podawać definicję elementarnego ładunku elektrycznego;
•
opisywać jakościowo i ilościowo oddziaływania między ładunkami;
•
omawiać budowę wybranego pierwiastka chemicznego lub jonu;
•
opisywać i wyjaśniać wyniki doświadczeń dotyczących elektryzowania ciał.
1. Oddziaływanie ciał naelektryzowanych
Początek badań nad właściwościami i zachowaniem ciał obdarzonych określonym ładunkiem
elektrycznym, a znajdujących się w stanie spoczynku sięga czasów starożytnych. Na przełomie VII
i VI wieku p.n.e. grecki filozof i matematyk Tales z Miletu zaobserwował tzw. efekt bursztynu. Zauważył on, że potarty suknem bursztyn (gr. ēlektron) przyciąga niektóre lekkie ciała, np. drewniane
wiórki. Z biegiem czasu okazało się, że takie zachowanie nie jest odosobnione. Obecnie wiadomo,
że istnieje jeszcze wiele innych ciał wykazujących podobne właściwości. Często są to przedmioty
spotykane na co dzień, np. koc, sweter, grzebień, balon itp.
Przed przystąpieniem do wykonania doświadczenia zapoznaj się z załączonym materiałem filmowym.
5
Nagranie wideo 1. Oddziaływanie elektrostatyczne balonów i swetra
Film na epodreczniki.pl
Doświadczenie 1 [DO WYKONANIA POD NADZOREM OSOBY DOROSŁEJ]
Oddziaływania elektrostatyczne „Sweter i
balony”.
CEL:
Jakościowe określenie czynników wpływających na wielkość oddziaływań elektrostatycznych.
CO BĘDZIE POTRZEBNE:
•
•
•
•
sweter (może być koc);
dwa balony;
nitka (2 kawałki po ok. 20–30 cm);
nożyczki.
6
INSTRUKCJA:
1. 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.
2. 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.
3. Powtórz punkty 1 i 2, tym razem jednak potrzyj balony o sweter
znacznie intensywniej niż poprzednio:
a. Zapisz swoje spostrzeżenia.
PODSUMOWANIE:
Dwa naelektryzowane balony wzajemnie się odpychają. W przypadku balonu i swetra można zaobserwować przyciąganie. Wzajemne oddziaływanie pomiędzy balonem a swetrem zależy zarówno od stopnia ich naelektryzowania, jak i odległości między nimi.
Zjawiska odpychania się dwóch naelektryzowanych baloników i przyciągania między swetrem a
balonem nasuwają przypuszczenie, iż ciała te uzyskały jakąś nową właściwość, która jest odpowiedzialna za ich wzajemne oddziaływanie. Aby ją opisać, fizycy wprowadzili wielkość fizyczną, nazywaną ładunkiem elektrycznym. Przyjęto, że występują dwa rodzaje ładunków – dodatnie (oznaczane znakiem +) i ujemne (oznaczane znakiem -). Ładunki tego samego znaku, jednoimienne –
odpychają się, ładunki różnych znaków, różnoimienne – przyciągają się. Za pomocą pojęcia ładunku elektrycznego można wytłumaczyć zachowanie balonów. Ładunki zgromadzone na balonie
i swetrze są różnoimienne, więc oba te ciała przyciągają się. Na powierzchni balonów gromadzą
się ładunki jednoimienne, co prowadzi do ich odpychania.
Zgromadzony na powierzchni ciał ładunek decyduje o kierunku oddziaływania. Jak już wspomniano, fizycy jego obecność opisują, używając symboli plus oraz minus – odpowiednio w przypadku
ładunku dodatniego i ujemnego. Jednak w życiu codziennym ładunków elektrycznych nie widać
gołym okiem, za to można z łatwością zaobserwować skutki ich wzajemnych oddziaływań. Ilość i
znak zgromadzonego ładunku elektrycznego pozwalają na dokładne ich określenie. Jednostką ładunku elektrycznego jest kulomb, który oznaczamy symbolem C.
7
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
−3
1 milikulomb = 1 mC = 0, 001 C = 10 C
−6
1 mikrokulomb = 1 μC = 0,000001 C = 10 C
Zapamiętaj
Im większy ładunek znajduje się na powierzchni ciał i im bliżej względem siebie te
ciała się znajdują, tym większe staje się wzajemnme oddziaływanie (odpychające
lub przyciągające) jednego na drugie. Siłę działającą między ciałami naelektryzowanymi nazywamy siłą elektrostatyczną (elektryczną) lub siłą Coulomba.
Zadanie 1.1.1-2
Aplikacja na epodreczniki.pl
Ciekawostka
Jedną z możliwych przyczyn katastrofy sterowca LZ-129 Hindenburg podczas lądowania na lotnisku Lakehurst w stanie New Jersey było zbyt duże nagromadzenie się
ładunkow elektrycznych 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.
8
Nagranie wideo 2. Katastrofa sterowca „Hindenburg”
2. Budowa atomu
Aby wyjaśnić oddziaływania elektryczne, trzeba przenieść się do mikroświata, czyli świata atomów. Każdy pierwiastek chemiczny składa się z takich samych atomów. Każdy atom jest zaś obojętny elektrycznie, to znaczy, że ma jednakową liczbę ładunków dodatnich i ujemnych.
9
Nagranie wideo 3. Atom wodoru
Umieszczona powyżej animacja przedstawia tzw. model planetarny atomu wodoru, który powstał
na początku XX wieku. W centrum atomu znajduje się jądro atomowe, które jest zbudowane z protonów i neutronów. Wokół jądra krążą elektrony. Dzięki oddziaływaniu elektrycznemu atom nie
rozpada się, a elektrony są przyciągane przez jądro. Protony i elektrony mają ładunki elektryczne
o tej samej wartości, ale o przeciwnych znakach. Ładunek elektryczny protonów jest dodatni, a
elektronów – ujemny. Neutrony są cząstkami obojętnymi elektrycznie.
Model planetarny atomu pozwalał na wyjaśnienie niektórych zjawisk mikroświata, jednak nie
wszystkich. Dalsze dociekania wymagały stworzenia innych, bardziej skomplikowanych modeli.
Dowiecie się o nich podczas dalszej nauki w szkole ponadgimnazjalnej i na studiach.
Korzystając z układu okresowego pierwiastków, możemy uzyskać informację o liczbie protonów,
elektronów i neutronów każdego znanego nam pierwiastka chemicznego.
10
Ilustracja 1. Układ okresowy pierwiastków
W przypadku potasu
40
K
19
liczba 19 to liczba protonów (nazywana też liczbą atomową lub liczbą porządkową). Pierwiastek
jest obojętny elektrycznie, dlatego liczba jego elektronów jest także równa 19. Liczba 40 niesie
informację o ilości składników jądra (jest to tzw. liczba masowa). Aby ustalić liczbę neutronów,
od liczby masowej (łącznej liczby protonów i neutronów w jądrze) należy odjąć liczbę atomową:
40 − 19 = 21.
Zadanie 1.1.3
Jeśli do atomu zostanie dostarczony jeden lub kilka elektronów, to staje się on jonem ujemnym.
Jon ujemny ma więcej elektronów niż protonów. Jeśli natomiast od atomu zostanie odłączony jeden bądź kilka elektronów, to staje się on jonem dodatnim. Jon dodatni ma więcej protonów niż
elektronów.
11
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 dotąd doświadczeniach i symulacjach przemieszczały się tylko
ładunki ujemne.
Zapamiętaj
Ładunki elektryczne, które przemieszczają się pomiędzy ciałami stałymi, to elektrony.
12
Zadanie 1.1.4-7
3. Ładunek elementarny
Pod koniec XIX wieku opisano pojęcie elektronu jako pewnej cząstki. Tak pisał o tym H. A. Lorentz z
Lejdy: ...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, jest bowiem wielokrotnością najmniejzego ładunku, który nazywamy ładunkiem elementarnym. Kolejny wniosek jest następujący: ciała nienaelektryzowane mają oba rodzaje ładunków w jednakowej ilości, a naładowane – przewagę ładunków jednego znaku.
Dzisiaj składniki materii mające elementarne ładunki ujemne nazywamy elektronami. Wiemy również, że ładunki dodatnie (ale o takiej samej wartości) mają cząstki nazywane protonami o znacznie większej masie.
Jak każda hipoteza w fizyce, tak i ta wymagała potwierdzenia doświadczalnego. Dokonał tego Robert Millikan w latach 1909–1910. Udowodnił on, że ładunek elektryczny ma strukturę ziarnistą,
i wyznaczył wartość ładunku elementarnego. Obecnie przyjmujemy wartość tego ładunku
e = 1,602 · 10
−19
C.
Zapamiętaj
Ładunek elektryczny jako wielokrotność ładunku elementarnego:
q = n · e,
n = ± 1, ± 2, ± 3, … ,
gdzie: e – ładunek elementarny.
13
Tabela 1. Składniki atomu i ich właściwości fizycz-
ne
Cząstka
Ładunek
−19
C
9,109 · 10
−31
kg
−19
C
1,673 · 10
−27
kg
−27
kg
Elektron
−1,602 · 10
Proton
+1,602 · 10
Neutron
Masa
0C
1,675 · 10
Zadanie 1.1.8
Ciekawostka
Nagroda Nobla za wyznaczenie ładunku elektronu.
Za wyznaczenie ładunku elektronu oraz wyjaśnienie wspólnie z A. Einsteinem tzw.
efektu fotoelektrycznego zewnętrznego (będzie o tym mowa w szkole ponadgimnazjalnej) R. Millikan otrzymał w 1923 r. Nagrodę Nobla.
W latach 30. XX wieku podczas badania promieniowania kosmicznego odkryto
cząstki o masie równej masie elektronu, ale o ładunku dodatnim. Nazwano je pozytonami.
4. Siła Coulomba
Siła elektrostatyczna zależy od wielkości ładunków oddziaływujących wzajemnie ciał oraz od ich
odleglości. Im większe są te ładunki, tym większa jest ta siła. Gdy zwiększamy odległość ładunki,
siła elektrostatyczna maleje. Zależności te opisuje prawo Coulomba.
14
Reguła: Siła Coulomba
Siły wzajemnego oddziaływania dwóch ładunków punktowych Q1 i Q2 są wprost proporcjonalne do iloczynu tych ładunków, a odwrotnie proporcjonalne do kwadratu odległości między nimi. Oznacza to, że gdy odległość jest stała, to siła wzajemnego oddziaływania rośnie
tyle razy ile razy wzrośnie każdy ładunek - gdy każdy z nich wzrośnie dwa razy, to siła wzrośnie 4 razy. Gdy tylko jeden z nicj wzrośnie np. tylko 3 razy to siła wzajemnego oddzialywania
wzrośnie 3 razy. Przy stałej wartości ładunków siła maleje ze wzrostem odległości - np. dwukrotny wzrost odległości powoduje czterokrotne zmniejszenie wartości siły.
Zapisać je można symbolicznie w postaci wzoru:
F=k
Q1 · Q2
r
2
F – siła,
k – stała elektrostatyczna, k = 9 · 10
9N·m
2
C
2
,
Q1, Q2 – punktowe ładunki elektryczne,
r – odległość między punktowymi ładunkami elektrycznymi.
Stosując ten wzór, można obliczyć wielkość działającej siły elektrostatycznej.
ładunki punktowe
Jako ładunki punktowe traktowane są takie ciała naładowane, których rozmiary są
małe w porównaniu z dzielącą je odległością.
Zapamiętaj
Prawo Coulomba sprawdza się także w przypadku ładunków umieszczonych na powierzchniach kulistych. Odległość mierzymy wówczas między środkami kul.
Zadanie 1.1.9
15
Polecenie 1.1.1
Korzystając z symulacji, zastanów się, jak zmiany wartości poszczególnych wielkości fizycznych we wzorze wpływają na zmianę wielkości siły oddziaływania.
Aplikacja 1. Siła Coulomba
Zapamiętaj
Siła Coulomba jest zależna zarówno od odległości między ładunkami, jak i ich wartości. Gdy odległość rośnie – siła maleje, gdy zaś maleje – siła rośnie. Wzrost lub
spadek wielkości siły oddziaływania elektrostatycznego może również spowodować zmiana wartości ładunku elektrycznego zgromadzonego na ciałach. Im jest on
większy, tym większa jest siła, a gdy maleje, zmniejsza się również wartość siły.
Polecenie 1.1.2
Uruchom ponownie symulację. Przyjrzyj się, w jaki sposób ta wielkość się zmienia. Rozważania ułatwią ci sformułowanie pytań.
Podsumowanie
•
•
•
•
•
Ładunki jednoimienne odpychają się, a różnoimienne przyciągają się.
Wartość siły elektrycznej zależy zarówno od wartości ładunku zgromadzonego na ciałach, jak
i odległości między nimi.
Wartość ładunku elektrycznego protonu odpowiada ładunkowi elementarnemu. Ładunek
elektronu jest równy co do wartości ładunkowi protonu, ale ma przeciwny znak (ujemny).
−19
Wielkość ładunku elementarnego wynosi 1,602 · 10 C.
Każdy atom jest obojętny elektrycznie. Jeśli do atomu zostaną dostarczone lub odłączone
elektrony, to staje się on jonem.
16
Praca domowa
Na podstawie dowolnego źródła, np. Internetu, postaraj się odnaleźć informacje na temat zdarzeń, w których istotną rolę odegrał nagromadzony ładunek elektrostatyczny.
Słowniczek
atom
– najmniejsza cząstka pierwiastka. Każdy atom jest obojętny elektrycznie.
Biogram
Charles Augustin de Coulomb
Ilustracja 4. Charles Augustin
de Coulomb
Data urodzenia:
14.06.1736
Miejsce urodzenia:
Angoul?me
Data śmierci:
23.08.1806
Miejsce śmierci:
Paryż
Kapitan armii francuskiej, przyrodnik i matematyk. Ukończył studia w wojskowej Szkole Inżynierii (École du Génie). W latach 1763–1772 kierował budową Fortu Burbon na Martynice (Indie Zachodnie). Po powrocie do Francji poświęcił się pracy naukowej. W roku 1781 został uhonorowany tytułem członka Francuskiej Akademii Nauk. Był doskonałym eksperymentatorem. Do jego
największych osiągnięć naukowych należą pomiar siły oddziaływań pomiędzy
ładunkami elektrycznymi, przeprowadzony przy użyciu tzw. wagi skręceń, oraz
prace dotyczące sił tarcia i oporu w płynach.
17
jon
– atom, który ma nadmiar lub niedobór elektronów.
jon dodatni
– atom, w którym liczba protonów przewyższa liczbę elektronów.
jon ujemny
– atom, w którym liczba elektronów jest większa od liczby protonów.
ładunek elementarny
– stała fizyczna o wartości 1,602·10-1 9 C, odpowiadająca ładunkowi elektrycznemu
protonu.
kulomb (C)
– jednostka ładunku elektrycznego w układzie SI.
milikulomb (mC)
– jednostka pochodna jednostki ładunku elektrycznego kulomba (C) w układzie SI,
równa co do wartości 10
−3
C.
18
mikrokulomb (µC)
−6
C.
pierwiastek chemiczny
– składa się z atomów, które mają taką samą liczbę atomową.
liczba atomowa (lub liczba porządkowa)
– oznaczana literą Z; określa liczbę protonów w jądrze atomu.
liczba porządkowa
– liczba protonów w jądrze, jest podstawą uporządkowania pierwiastków w układzie
okresowym, nazywana jest także liczbą atomową. Obecnie znane są pierwiastki o liczbach atomowych z zakresu 1–118 (pierwiastki o liczbach atomowych powyżej 92 (tzw.
transuranowce) są otrzymywane w sposób sztuczny), teoretycznie możliwe jest istnienie jąder o większej liczbie atomowej.
liczba masowa
– jest równa łącznej liczbie protonów i neutronów (nukleonów) w jądrze atomowym;
oznaczana literą A.
proton (p)
– składnik jądra atomowego pierwiastków. Ładunek protonu odpowiada wielkości ładunku elementarnego. Główny składnik promieniowania kosmicznego.
19
neutron (n)
– obojętny elektrycznie składnik jądra atomowego. Neutrony występujące samodzielnie są niestabilne, ulegają rozpadowi.
elektron (e)
– cząstka elementarna, której ładunek elektryczny odpowiada wielkości ładunku elementarnego o znaku ujemnym. W atomach elektrony tworzą powłoki elektronowe.
Ruch elektronów ściśle związany jest ze zjawiskiem przepływu prądu elektrycznego.
układ okresowy pierwiastków
– tabela zawierająca wszystkie znane dotąd 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 Dymitra Mendelejewa. Jej obecny wygląd zawdzięczamy fizykowi
duńskiemu, laureatowi Nagrody Nobla, Nielsowi Bohrowi.
Zadania podsumowujące lekcję
Zadanie 1.1.10-17
20
Elektryzowanie ciał przez tarcie, dotyk i indukcję
1.2. Elektryzowanie ciał przez tarcie, dotyk i indukcję
Jeśli chcesz poznać mechanizm elektryzowania ciał, opisać proces
tworzenia chmur burzowych i na podstawie wiedzy o elektryczności
sterować ruchem puszki – usiądź wygodnie i czytaj dalej!
Już potrafisz:
•
opisać gromadzenie się ładunków elektryczne w ciałach;
•
wskazać, że ładunki jednoimienne odpychają się, a różnoimienne – przyciągają;
•
wskazać, że między ciałami stałymi przemieszczają się elektrony;
•
opisać oddziaływanie nieruchomych ładunków elektrycznych i zależność siły oddziaływania od wielkości ładunków i ich odległości.
21
Nauczysz się:
•
elektryzować ciała przez tarcie, dotyk i wpływ (indukcję);
•
opisywać działanie elektroskopu;
•
opisywać proces powstawania pioruna;
•
opisywać działanie instalacji odgromowej;
•
analizować i omawiać wyniki doświadczeń dotyczących elektryzowania ciał.
1. Elektryzowanie ciał przez tarcie
Ze zjawiskiem elektryzowania ciał przez tarcie spotykasz się w życiu codziennym, np. podczas rozczesywania suchych włosów po kąpieli. Możesz wówczas zaobserwować, że ich końce unoszą się
w stronę grzebienia, a poszczególne włosy między sobą się odpychają. Podobny efekt możesz
uzyskać, gdy pocierasz nadmuchanym balonem o wełniany sweter.
Zjawisko to daje się wytłumaczyć jedynie na poziomie mikroświata.
Polecenie 1.2.1
A teraz obejrzyj film o elektryzowaniu się włosów.
22
Nagranie wideo 1. Elektryzowanie włosów przez tarcie
Film ilustruje efekt elektryzowania się włosów przez tarcie. Polega ono na przemieszczaniu się
elektronów z jednego ciała na drugie, które elektryzują się ładunkami o przeciwnych znakach.
Włosy mają nadmiar jedego rodzaju ładunków i się wzajemnie odpychają ale przyciągane są przez
grzebień, który naelektryzował się ładunkiem przeciwnego znaku niż włosy.
Częstym zjawiskiem sa wyładowania elektryczne podczas burzy. Jak powstaje takie zjawisko? Na
rysunku poniżej możecie prześledzic obieg wody w przyrodzie:
23
Ilustracja 1. Obieg wody w przyrodzie
W chmurach występuja ruchy pionowe kropelek wody lub kryształków lodu. Występujące wtedy
tarcie powoduje naelektryzowanie różnych części chmury. W poszczególnych fragmentach chmury mamy albo nadmiar ładunków dodatnich albo ujemnych. To różne naelektryzowanie jest przyczyną tego, że w pewnej chwili możliwy jest przepływ ładunku pomiędzy dwiema chmurami, pomiędzy dwiema częściami chmury lub pomiędzy chmurą a powierzchnią Ziemi. Obserwujemy
wówczas wyładowania elektryczne.
24
Ilustracja 2. Błyskawica
Wyładowania takie są niezwykle zjawiskowe, a napięcie elektryczne przed wyładowaniem sięga
kilkudziesięciu milionów woltów. Gwałtownie wyzwolona energia podczas wyładowania elektrycznego (piorun) niesie za sobą duże zagrożenie dla ludzi, budynków, drzew itd. Ochronę przed tego
typu niebezpieczeństwem gwarantuje zamontowanie piorunochronu. O jego działaniu dowiesz
się więcej w następnym zagadnieniu.
elektryzowanie ciał przez tarcie
– przy wzajemnym pocieraniu (oddziaływaniu mechanicznym) dwóch pierwotnie
obojętnych elektrycznie ciał niewielka ilość ładunku ujemnego (elektronów) przechodzi z jednego ciała na drugie. W wyniku tego zjawiska na jednym ciele powstaje nadmiar ładunku dodatniego, a na drugim – równy co do wartości nadmiar ładunku
ujemnego. Zjawisko to nazywamy elektryzowaniem ciał przez tarcie.
Zadanie 1.2.1-3
25
2. Elektryzowanie ciał przez dotyk
Jednym ze sposobów elektryzowania ciał jest elektryzowanie przez dotyk. Dochodzi do niego
podczas zetknięcia ciała naładowanego elektrycznie z ciałem nienaelektryzowanym. W trakcie
zbliżania do siebie obu ciał ładunki elektryczne rozdzielają się na ciele nienaelektryzowanym. Jeżeli na przykład zbliżamy naładowaną dodatnio pałeczkę szklaną do metalowego ciała, to ładunki
ujemne w tym ciele zgromadzą się jak najbliżej zbliżanej pałeczki. Po zetknięciu obu ciał pewna ilość ładunków ujemnych przechodzi z metalowego ciała na pałeczkę, na ciele metalowym powstaje więc nadmiar ładunków dodatnich. Jeżeli zbliżaliśmy pałeczkę (może być rurka) naładowaną
ujemnie, to na ciele metalowym ładunki ujemne odepchnięte przez ładunki ujemne na pałeczce
przemieszczają się na przeciwną stronę tego ciała. Na stronie zbliżonej do pałeczki (lub rurki) powstaje wtedy nadmiar ładunku dodatniego i po zetknięciu ładunki ujemne z pałeczki przechodzą
na metalowe ciało. Ostatecznie oba ciała elektryzują się ładunkiem takiego samego znaku.
Gdy ciałem obojętnym elektrycznie jest izolator, 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 izolatorach i przepływ ładunku jest w
tym przypadku bardziej złożony.
Elektryzowanie przez dotyk znalazło swoje zastosowanie w przyrządzie laboratoryjnym nazywanym elektroskopem. Zapoznaj się z filmem i odpowiedz na poniższe pytania.
Nagranie wideo 2. Elektryzowanie ciał przez dotyk
26
Zadanie 1.2.4-6
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 laska ebonitowa), a potem przyłożymy ją do
elektroskopu, to jego wskazówka wychyli się. Im większy ładunek zostanie zgromadzony zostanie na rurce, tym większe wychylenie wskazówki zaobserwujemy. Aby uczynić elektroskop obojętnym, wystarczy dotknąć go dłonią, wtedy ładunki elektryczne spłyną po powierzchni ciała do
ziemi.
Dotknięcie naelektryzowanego metalowego pręta elektroskopu wywołuje przemieszczanie się
elektronów. Kierunek ich ruchu zależy od znaku ładunku naelektryzowanej rurki. Jeśli jest naelektryzowana ujemnie, to elektrony swobodne z rurki przepływają na metalowy pręt i wskazówkę, a
gdy rurka jest naelektryzowana dodatnio, to elektrony przemieszczają się w odwrotnym kierunku
od metalowego pręta elektroskopu na rurkę. W obu wypadkach prowadzi to do wychylenia wskazówki elektroskopu. Pełne wyjaśnienie tego zjawiska znajduje się w części rozszerzonej lekcji, opisującej elektryzowanie się ciał przez indukcję.
elektryzowanie przez dotyk
– polega na dotknięciu ciałem naelektryzowanym ciała nienaelektryzowanego. W
efekcie czego ładunki ujemne przemieszczają z jednego ciała do drugiego i oba ciała
są naładowane ładunkiem tego samego znaku.
Ciekawostka
Benjamin Franklin dzięki swoim obserwacjom zauważył, że błyskawica ma naturę
elektryczną. Dzięki tej wiedzy skonstruował pierwszy piorunochron – umieszczony
na dachu miedziany/aluminiowy pręt. Średnica pręta może wynosić 2 cm. Pręt
połączony jest z długim miedzianym lub aluminiowym przewodem, który dotyka
umieszczonej pod warstwą ziemi siatki przewodzącej.
27
Ilustracja 3. 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 po uderzeniu pioruna może dojść do ich stopienia. Dom przestanie być wówczas chroniony i kolejne wyładowanie
może stworzyć zagrożenie dla przebywających w pomieszczeniu ludzi i spowodować straty materialne.
Ciekawostka
Elektroskop został wykorzystany do pomiaru promieniowania kosmicznego.
3. Elektryzowanie przez indukcję (wpływ)
Trzecim sposobem elektryzowania jest indukcja, czyli wpływ. Jest to metoda, która nie wymaga
bezpośredniego kontaktu pomiędzy ciałami. Pozostają one w niewielkiej odległości od siebie, ale
się nie stykają.
Zjawisko elektryzowania przez indukcję polega na tym, że jeśli zbliżymy ciało naładowane do
ciała obojętnego, spowodujemy przesunięcie elektronów w przewodniku bądź polaryzację ato-
28
mów (cząsteczek) w izolatorze. By lepiej zrozumieć to zagadnienie, wykonaj poniższe doświadczenie.
„Tresowanie” puszki
PROBLEM BADAWCZY:
Czy można naelektryzować przez indukcję przewodnik?
HIPOTEZA:
Tak. Jako przykład może posłużyć metalowa puszka.
•
•
•
•
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. Znajdź takie podłoże, które jest wypoziomowane – tak, aby puszka
nie mogła stoczyć się po pochyłości.
2. Naelektryzuj rurkę poprzez tarcie.
3. Zbliż ją do puszki.
4. Jeśli puszka nie zmienia swojej pozycji, spróbuj naelektryzować ją
ponownie lub zmniejsz odległość między ciałami;
5. Obserwuj, jak zachowuje się puszka.
6. Przełóż rurkę z drugiej strony puszki.
7. Zastanów się, co może odpowiadać za ruch puszki.
PODSUMOWANIE:
Jeśli puszka toczyła się, to naelektryzowałeś ją przez indukcję.
29
Załącznik na epodreczniki.pl
Ruch puszki pod wpływem zbliżania naelektryzowanej rurki z tworzywa sztucznego jest efektem
procesów zachodzących w mikroświecie. Przyjrzyj się animacji.
Nagranie wideo 3. Elektryzowanie przez indukcję
Puszka nie porusza się, gdy zbliżamy do niej rurkę obojętną elektrycznie. Zakładamy, że w wyniku
tarcia rurka elektryzuje się ujemnie. Zbliżenie jej do metalowej puszki, wykonanej z materiału będącego dobrym przewodnikiem, wywołuje przemieszczenie się elektronów swobodnych, tak że
przeważającym ładunkiem (od strony rurki) staje się ładunek dodatni. W tej sytuacji występują
dwie siły, tj. przyciągania i odpychania elektrostatycznego. Siła przyciągania działa między ładunkami dodatnimi zebranymi na powierzchni puszki od strony ujemnie naładowanej rurki a ładunkiem naelektryzowanej rurki. Siła odpychania występuje między elektronami swobodnymi zgromadzonymi z przeciwnej strony puszki i ujemnym ładunkiem rurki. Pamiętajmy, że siły oddziaływania elektrostatycznego są zależne od odległości. Siła przyciągania ma więc większą wartość
niż siła odpychania. Ruchowi rurki towarzyszy ruch podążającej za nią puszki. Gdy oddalimy naelektryzowaną rurkę na odpowiednią odległość, elektrony swobodne na puszce wrócą na swoje
właściwe miejsca – do położenia początkowego – i ruch puszki ustanie.
30
Postawmy pytanie: Czy można naelektryzować np. papier przez indukcję?
Spróbuj znaleźć odpowiedź poprzez wykonanie doświadczenia.
[DO WYKONANIA POD NADZOREM OSOBY DOROSŁEJ]
Doświadczenie 2
PROBLEM BADAWCZY:
Czy można naelektryzować przez indukcję izolator?
HIPOTEZA:
Tak. Jako przykład mogą posłużyć skrawki papieru.
•
•
plastikowa linijka lub rurka;
wełniany koc lub sweter;
•
skrawki papieru.
INSTRUKCJA:
1. Potrzyj linijką (rurką) o koc (sweter) i zbliż ją do skrawków papieru.
2. Obserwuj ich zachowanie.
PODSUMOWANIE:
Jeśli skrawki papieru zaczęły zbliżać się do rurki, to naelektryzowałeś je
przez indukcję.
31
Ilustracja 4. Dipol elektryczny
Elektryzowanie przez indukcję polega na zbliżeniu ciała naelektryzowanego do ciała obojętnego.
Wtedy wewnątrz ciała obojętnego następuje przemieszczanie się elektronów swobodnych (metalowa puszka) lub powstają dipole elektryczne (papier). Siła odpychania między ciałami jest mniejsza niż siła przyciągania. Odsunięcie ciała naelektryzowanego od ciała początkowo obojętnego
elektrycznie powoduje „powrót” elektronów na swoje miejsca.
indukcja elektrostatyczna
– przemieszczanie się elektronów swobodnych wewnątrz przewodnika lub powstawanie dipola elektrycznego (polaryzacja elektryczna cząsteczki albo atomu) w izolatorze. Zjawisko to zachodzi pod wpływem znajdującego się w bezpośredniej bliskości
ciała naładowanego elektrycznie.
Zapamiętaj
Jeżeli zbliżymy (nie dotykając) ciało naelektryzowane do nienaelektryzowanego, natychmiast pojawi się efekt indukcji. Na części tego ciała położonej najbliżej ciała naładowanego wyindukowany zostanie ładunek przeciwnego znaku. Gdy następnie
zetkniemy oba ciała ze sobą, ładunek ujemny będzie mógł przejść albo z ciała
przedtem nienaelektryzowanego na naelektryzowane, albo odwrotnie.
Zjawisko indukcji zawsze poprzedza zjawisko przechodzenia ładunków po dotknięciu (elektryzowanie przez dotyk).
32
Zadanie 1.2.7-8
Podsumowanie
•
•
Ciała można elektryzować na trzy sposoby: przez tarcie, dotyk i indukcję.
Przy pocieraniu (oddziaływaniu mechanicznym) o siebie dwóch pierwotnie obojętnych elektrycznie ciał niewielka ilość ładunku ujemnego przechodzi z jednego ciała na drugie. W wyniku tego na jednym ciele powstanie nadmiar ładunku dodatniego, a na drugim równy co do
wartości nadmiar ładunku ujemnego. Zjawisko to nazywamy elektryzowaniem ciał przez tarcie.
•
•
•
Elektryzowanie przez dotyk polega na dotknięciu ciałem naelektryzowanym drugiego ciała
pozbawionego ładunku. Jeżeli naelektryzowane ciało jest naładowane dodatnio, to ładunek
ujemny przechodzi z ciała obojętnego elektrycznie na ciało naelektryzowane. Jeżeli naelektryzowane ciało jest naładowane ujemnie to ładunek ujemny przechodzi z niego na ciało obojętne elektrycznie. W efekcie na obu ciałach gromadzi się jednoimienny ładunek elektryczny.
Gdy ciało elektryzowane jest przez wpływ, to indukują się na nim ładunki różnoimienne w
wyniku zbliżenia ciała naładowanego.
Indukcja elektrostatyczna jest to przemieszczanie się elektronów swobodnych wewnątrz
przewodnika lub powstawanie dipola elektrycznego (polaryzacja elektryczna cząsteczki albo
atomu) w izolatorze pod wpływem znajdującego się w bezpośredniej bliskości ciała naładowanego elektrycznie.
Zadanie 1.2.9-10
Praca domowa
Zastanów się, kiedy najczęściej dochodzi do burz w twojej okolicy. Możesz także sprawdzić prognozę pogody, czy w najbliższym czasie 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.
33
Słowniczek
dipol elektryczny
– układ dwóch o jednakowej wartości ładunków różnoimiennych, które znajdują się
w pewnej odległości od siebie.
elektroskop
– przyrząd laboratoryjny służący do wykrywania ładunku elektrycznego. Wykorzystuje zjawisko wzajemnego odpychania się jednoimiennych ładunków elektrycznych.
34
Biogram
Benjamin Franklin
Ilustracja 5. Portret Beniamina
Franklina
Data urodzenia:
17.01.1706
Miejsce urodzenia:
Boston
Data śmierci:
17.04.1790
Miejsce śmierci:
Filadelfia
Jeden z inicjatorów powstania Stanów Zjednoczonych Ameryki Północnej. Zaangażowany w życie polityczne, przez trzy lata był prezydentem Pensylwanii.
Miał wiele zainteresowań, do których należały m.in.: meteorologia, oceanografia, elektryczność, teoria światła itd. Jako pierwszy wprowadził pojęcie ładunków dodatnich i ujemnych.
polaryzacja cząsteczkowa
– skutek oddziaływania cząsteczki z ładunkami elektrycznymi znajdującymi sie w pobliżu. Atomy cząsteczek mające różnoimienne ładunki elektryczne pod wpływem tego oddziaływania ulegają rozsunięciu. W efekcie powstaje dipol elektryczny.
polaryzacja elektronowa
– skutek oddziaływania atomu z ładunkami elektrycznymi znajdującymi się w pobliżu.
Pod wpływem tego oddziaływania przesunięty zostaje ujemny ładunek powłoki elektronowej atomu w stosunku do dodatnio naładowanego jądra. W rezultacie powstaje
dipol elektryczny.
35
promieniowanie kosmiczne
– strumień cząstek i promieniowania elektromagnetyczne dochodzącego do Ziemi z
otaczającej ją przestrzeni kosmicznej. Jednym ze źródeł promieniowania kosmicznego jest Słońce.
36
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 drewna? Czy prąd elektryczny może płynąć w substancjach niemetalicznych? Co odróżnia
przewodnik od izolatora?
Izolator ceramiczny wysokonapięciowy
Już potrafisz:
•
opisać gromadzenie się na ciałach ładunków elektrycznych;
•
wskazać, że między stykającymi się ciałami stałymi mogą przemieszczać się elektrony;
•
wskazac, że ciała można elektryzować przez tarcie, dotyk i indukcję;
•
opisać budowe atomu jako obiektu składającego się z jądra atomowego, wokół
którego krążą elektrony;
37
•
opisać jon jako atom, który ma nadmiar lub niedobor elektronów.
Nauczysz się:
•
podawać przykłady przewodników i izolatorów prądu elektrycznego;
•
podawać i opisywać przykłady zastosowania przewodników i izolatorów prądu
elektrycznego;
•
opisywać warunki przepływu 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 elektryczny może tam płynąć dzięki istnieniu swobodnych (mogących się poruszać) elektronów. Prąd elektryczny może także płynąć przez niektóre ciecze. Nazywamy je przewodnikami jonowymi. W takiej cieczy poruszać się mogą jony, zarówno dodatnie, jak i ujemne.
Jeżeli dany materiał nie przewodzi prądu elektrycznego, nazywamy go izolatorem.
1.1 Przewodniki metaliczne (elektronowe)
Zastanów się, co znajduje się pod gumową otoczką przewodów doprowadzających prąd elektryczny do komputera, telewizora lub innych urządzeń gospodarstwa domowego. Po jej zdjęciu widać
złotawy metal – to miedź.
38
Ilustracja 2. Miedź
Ilustracja 3. Przekrój przewodu domowej instalacji elektrycznej
Metale oraz ich stopy są dobrymi przewodnikami prądu elektrycznego i ciepła. Należą do nich
między innymi złoto, srebro, platyna, miedź, aluminium, rtęć, stal i żeliwo. Co czyni je tak szczególnymi?
39
Ilustracja 4. Miedź
W centrum atomu znajduje się dodatnio naładowane jądro, wokół którego krążą elektrony. W metalach elektrony najdalszych powłok, tzw. elektrony walencyjne, mogą się łatwo odłączyć (działanie jądra na taki elektron jest bardzo słabe). Stają się wówczas elektronami swobodnymi, które
jako niezwiązane mogą przemieszczać się w objętości przewodnika, tak jak mogłeś to zaobserwować w doświadczeniu z „tresowaniem puszki”.
40
Ilustracja 5. Elektrony swobodne w przewodniku miedzianym
Polecenie 1.3.1
Piorunochron to instalacja, która ma chronić obiekty przed skutkami wyładowań atmosferycznych. Gdybyś chciał zabezpieczyć swój dom przed uderzeniem pioruna, to z jakiego
materiału wykonałbyś piorunochron: dobrego przewodnika czy izolatora? Odpowiedź uzasadnij. Spróbuj sporządzić projekt takiej instalacji.
przewodnik elektronowy
– ciało, w którym przenoszenie ładunku elektrycznego realizowane jest przez elektrony. Przewodnikami są głównie metale, między innymi miedź, aluminium, żelazo i złoto.
Ciekawostka
Typowy kabel (przewód instalacyjny) domowej instalacji elektrycznej składa się zwykle z trzech izolowanych od siebie żył miedzianych (w starszych instalacjach alu-
41
miniowych), 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).
Ilustracja 6. Kabel elektryczny
1.2 Przewodniki jonowe
1.2 Przewodniki jonowe
Nie tylko ciała stałe mogą przewodzić prąd elektryczny. Ciecze, które przewodzą prąd, nazywane są elektrolitami. Zaliczają się do nich niektóre roztwory kwasów, zasad i soli np. kwasu
solnego (HCl), kwasu siarkowego VI (H2SO4), kwasu azotowego (HNO3), kwasu chlorowego
(HClO4).
42
Nagranie wideo 1. 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.
43
Nagranie wideo 2. Przewodnictwo jonowe
Mechanizm przewodnictwa w gazach zbliżony jest do tego, który ma miejsce w cieczach. Gaz (lub
mieszanina gazów) może przewodzić prąd elektryczny, jeśli ma swobodne nośniki ładunków – jony lub elektrony. Powstają one w wyniku zjawiska jonizacji, które zachodzi pod wpływem wysokiej
temperatury lub pola elektrycznego.
jonizacja gazu
– zjawisko przekształcania atomów (cząsteczek) gazu w jony pod wpływem czynników
zewnętrznych: temperatury, promieniowania lub pola elektrycznego.
Przykładami zjonizowanej mieszaniny gazów są płomień świecy lub korona słoneczna.
44
Ilustracja 7. Korona słoneczna
Zapamiętaj
Przewodnictwo jonowe możliwe jest również w gazach i ich mieszaninach.
Tabela 1. Nośniki ładunku elektrycznego
Stan skupienia przewodnika
Nośniki ładunku elektrycznego
ciała stałe
elektrony
ciecze (elektrolity)
jony dodatnie i ujemne
gazy (zjonizowane)
jony dodatnie i ujemne, elektrony
45
Ciekawostka
Budowa akumulatora.
Pod 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 dwutlenku ołowiu (PbO2), a drugie wykonano z metalicznego ołowiu. W naładowanym akumulatorze płyty ołowiane zanurzone są w wodnym roztworze kwasu siarkowego (o stężeniu 37%). Płyty pokryte
dwutlenkiem ołowiu pełnią rolę elektrod dodatnich, płyty pokryte ołowiem (Pb) –
elektrod ujemnych.
Ilustracja 8. Akumulator
Podczas rozładowywania akumulatora na obu elektrodach gromadzi się siarczan ołowiu (II); maleje stężenie kwasu siarkowego w roztworze. Napięcie naładowanego ogniwa ołowiowego jest równe około 2,2 V. W trakcie rozładowywania napięcie maleje do 2 V i wartość ta jest utrzymywana
prawie do całkowitego rozładowania akumulatora. Wartość napięcia elektrycznego wytwarzanego przez jedno ogniwo wynosi jedynie 2 V. To za mało. W akumulatorach samochodowych łączy
się szeregowo sześć takich ogniw, uzyskując łączne napięcie wyjściowe 12 V.
Ciekawostka
Plazma.
Zjonizowany gaz określa się mianem czwartego stanu skupienia materii – plazmy.
46
Zadanie 1.3.1
2. Izolatory prądu elektrycznego
Izolatory (dielektryki) w przeciwieństwie do przewodników nie mają swobodnych nośników ładunku elektrycznego (elektronów lub jonów), które mogłyby przemieszczać się swobodnie w obrębie ich objętości. Przyczyna tego tkwi w silnym oddziaływaniu między jądrem atomowym a elektronami powłok walencyjnych. Wśród izolatorów można wymienić zarówno przykłady ciał stałych, jak i cieczy czy gazów.
Tabela 2. Izolatory prądu elektrycznego
Stan skupienia izolatora
Przykłady
ciała stałe
tworzywa sztuczne – plastik, guma, szkło, papier, drewno
ciecze
woda destylowana
gazy
suche powietrze
izolator
– substancja o znikomym przewodnictwie, charakteryzująca się w szerokim zakresie
temperatur brakiem swobodnych nośników ładunku elektrycznego.
Ciekawostka
Półprzewodnik.
Półprzewodniki są materiałami mającymi pośrednie właściwości przewodzenia
prądu między przewodnikami a izolatorami. Ich najważniejszą cechą jest to, że możemy zmieniać te właściwościi poprzez wprowadzenie domieszek (atomów pierwiastkówz 3. lub 5. grupy układu okresowego). Otrzymujemy wtedy materiały pozwalające budować diody (również świecące), tranzystory, układy scalone, elementy
pamięci do komputerów lub baterie fotowoltaiczne – za ich pomocą możemy zamieniać energię słoneczną na energię elektryczną. To dzięki tym właściwościom
47
półprzewodników jest możliwa budowa pamięci, w których w płytce rozmiarów paznokcia mieści się kilkadziesiąt miliardów komórek pamięci (kilkadziesiąt GB). Istotną cechą wszystkich półprzewodników jest to, że ich opór maleje ze wzrostem temperatury (odwrotnie niż u przewodników). Wynika to z tego, że ze wzrostem temperatury wzrasta liczba swobodnych nośników ładunku.
Ilustracja 9. Zastosowanie krzemu w elementach elektronicznych
Zadanie 1.3.2-5
Podsumowanie
•
Ciała ze względu na łatwość, z jaką przewodzą prąd elektryczny, dzielimy na przewodniki i
izolatory.
•
O właściwościach elektrycznych ciał decyduje ich budowa wewnętrzna. Szczególną rolę odgrywają elektrony walencyjne.
•
Elektron walencyjny to jeden z „najbardziej zewnętrznych” elektronów w atomie. Liczba elektronów walencyjnych oraz to, jak mocno są one związane z rdzeniem atomu, wpływają na
wiele własności fizycznych pierwiastka, między innymi na przewodnictwo cieplne i elektryczne.
Przewodnictwo może być typu elektronowego lub jonowego.
•
48
•
Przewodnik elektronowy to ciało, w którym przenoszenie ładunku elektrycznego realizowa-
•
ne jest przez elektrony walencyjne. Do przewodników tych zaliczamy głównie metale, między
innymi: miedź, aluminium, żelazo i złoto.
W przewodniku jonowym nośnikami ładunku są jony dodatnie lub ujemne. Przepływowi
prądu elektrycznego towarzyszy widoczny transport masy. Przewodnictwo jonowe zachodzi
w cieczach, ciałach stałych i gazach.
•
Ciecze, które przewodzą prąd elektryczny, to elektrolity.
•
Elektrolity zapewniają przepływ prądu elektrycznego w ogniwach bateriach i akumulatorach
samochodowych.
Aby gaz mógł przewodzić prąd elektryczny, musi zostać uprzednio zjonizowany.
Jonizacja gazu to zjawisko przekształcania atomów (cząsteczek) gazu w jony pod wpływem
•
•
czynników zewnętrznych – temperatury, promieniowania lub pola elektrycznego.
•
Przewodnictwo jonowe w gazach znalazło zastosowanie w technice oświetleniowej (świetlówki, lampy neonowe).
•
Izolator to substancja, która nie przewodzi prądu elektrycznego i charakteryzuje się niską
•
•
koncentracją nośników ładunku. Do izolatorów zalicza się między innymi: gumę, styropian,
suche drewno, wodę destylowaną i suche powietrze.
Izolatory znajdują szerokie zastosowanie jako materiały zabezpieczające przed porażeniem
prądem elektrycznym. Należą do nich: guma, szkło, suche drewno, tworzywa sztuczne.
Istnieje jeszcze jedna klasa materiałów, są to tzw. półprzewodniki. Półprzewodnik to materiał
mający pośrednie właściwości przewodzenia prądu między przewodnikami a izolatorami.
Najważniejszą cechą półprzewodników jest to, że możemy zmieniać te właściwości poprzez
wprowadzenie pewnej liczby domieszek. Półprzewodniki (krzem, german) znalazły zastosowanie głównie w przemyśle do wyrobu elementów elektronicznych, takich jak tranzystory,
diody, układy scalone i elementy pamięci). Istotną cechą wszystkich półprzewodników jest to,
że ich zdolność przewodzenia prądu rośnie ze wzrostem temperatury (odwrotnie niż u przewodników). Wynika to z tego, że ze wzrostem temperatury wzrasta w nich liczba swobodnych
nośników ładunku.
Praca domowa
1 Substancje chemiczne mogą występować w różnych odmianach alotropowych. Jedną z takich substancji jest węgiel. Wyszukaj informacji dotyczących budowy wewnętrznej i właściwości elektrycznych dwóch jego odmian – diamentu i grafitu. Określ, czy
stwierdzenie: „Węgiel jest dobrym przewodnikiem prądu elektrycznego” jest prawdziwe
czy fałszywe. Uzasadnij odpowiedź w maksymalnie 5 zdaniach.
2 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.
49
Słowniczek
argon (Ar)
– gaz szlachetny, który jako pierwszy został skroplony w 1895 roku przez polskiego
fizyka i chemika Karola Olszewskiego. Wykorzystywany w produkcji dysków twardych
komputerów oraz w technice oświetleniowej.
elektrolit
– wodny roztwór kwasu, zasady lub soli dobrze przewodzący prąd elektryczny, np.
wodny roztwór kwasu siarkowego.
elektrony swobodne
– elektrony niezwiązane lub słabo związane z atomami w metalach. Mogą poruszać
się swobodnie w objętości substancji, odpowiadają za jej dobre właściwości cieplne i
elektryczne.
elektrony walencyjne
– elektrony znajdujące sie w atomie na ostatniej powloce . Liczba elektronów walencyjnych oraz to, jak mocno są one związane z rdzeniem atomu, wpływają na wiele
właściwości fizycznych pierwiastka, między innymi na przewodnictwo cieplne i elektryczne.
gazy szlachetne (helowce)
– gazy bezbarwne i bezwonne, słabo rozpuszczalne w wodzie. Zaliczamy do nich: hel,
neon, argon, krypton, ksenon i radon. Charakteryzują się niezwykle niską aktywnością chemiczną; nie tworzą trwałych związków chemicznych.
50
krypton (Kr)
– gaz szlachetny, stosowany jako wypełniacz w żarówkach i szybach zespolonych.
ksenon (Xe)
– gaz szlachetny wykorzystywany do produkcji jarzeniówek, lamp błyskowych i żarówek o dużej mocy.
neon (Ne)
– gaz szlachetny, bezbarwny i bezwonny. Stosowany do wypełniania lamp neonowych
oraz substancja robocza w laserach helowo-neonowych.
Biogram
Karol Olszewski
Ilustracja 10. Karol Olszewski
Data urodzenia:
29.01.1846
Miejsce urodzenia:
Broniszów Tarnowski
Data śmierci:
24.03.1915
Miejsce śmierci:
Kraków
Polski fizyk i chemik, prekursor badań w zakresie niskich temperatur. Jako
pierwszy skroplił tlen, azot i argon.
51
plazma
– zjonizowana materia będąca gazem zawierającym jednakową liczbę jonów dodatnich i elektronów swobodnych. Uznawana za czwarty stan skupienia materii.
powłoka walencyjna
– najbardziej oddalona od jądra atomu powłoka, na której znajdują się elektrony.
półprzewodnik
– ciało stałe, które jest gorszym przewodnikiem prądu elektrycznego niż metal, ale nie
jest izolatorem. Domieszkowanie określonymi pierwiastkami pozwala poprawić właściwości elektryczne półprzewodnika. Przewodnictwo elektryczne półprzewodników
zależy również od temperatury. Jej wzrost pociąga za sobą wzrost przewodnictwa półprzewodnika.
przewodnik jonowy
– przewodnik, w którym dominującymi nośnikami ładunku elektrycznego są jony.
Przewodniki jonowe mogą być cieczami, ciałami stałymi lub gazami.
52
Zasada zachowania ładunku elektrycznego
1.4. Zasada zachowania ładunku elektrycznego
Czy proces elektryzowania prowadzi do wytwarzania elektronów?
Czy nadwyżka ładunku odpowiada zawsze jego niedomiarowi? Czy
jest możliwe uzyskanie ładunku ujemnego bez dodatniego? Jeśli
chcesz poznać odpowiedzi na te pytania, usiądź wygodnie i zacznij
czytać.
Już potrafisz:
•
opisać gromadzenie się ładunkow na powierzchni ciał;
•
wymienić nośniki ładunku elektrycznego, czyli elektrony swobodne i jony;
•
wymienić sposoby elektryzowania ciał: tarcie, dotyk i indukcja;
•
wskazać, że wartość siły oddziaływania elektrycznego zależy od wartości ładunków oraz od odległości między ciałami;
53
•
wymienić ciała dobrze przewodzące prąd elektryczny: metale, elektrolity i zjonizowane gazy.
Nauczysz się:
•
stosować zasadę zachowania ładunku do wyjaśnienia zjawiska elektryzowania
ciał;
•
podawać przykłady zjawisk fizycznych, które spełniają zasadę zachowania ładunku elektrycznego.
Życie codzienne dostarcza nam wiele przykładów czynności, podczas których obserwujemy skutki
elektryzowania się ciał. Ma to miejsce podczas zdejmowania swetra, kiedy słyszymy ciche trzaski
lub w trakcie czesania, gdy grzebień przyciąga ku sobie końcówki włosów. Wszystkie te ciała: włosy, sweter i grzebień zyskały pewną nową właściwość, której przedtem nie miały – ładunek elektryczny.
Próbując wyjaśnić zjawisko elektryzowania się ciał, przyjęto, że ładunki elektryczne mogą być dodatnie albo ujemne. Szybko jednak pojawiły się kolejne wątpliwości. Czy liczba zgromadzonych
ładunków dodatnich musi zawsze odpowiadać liczbie ładunków ujemnych? Czy można „stworzyć”
ładunek elektryczny? A może istnieje sposób na jego „zniszczenie”? W tym rozdziale spróbujemy
znaleźć odpowiedzi na wszystkie postawione pytania.
54
Nagranie wideo 1. Zasada zachowania ładunku
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.
55
Reguła: Zasada zachowania ładunku
W układach izolowanych sumaryczny ładunek (algebraiczna suma ładunków dodatnich i
ujemnych) nie ulega zmianie.
Zadanie 1.4.1
Obserwując symulację, można zauważyć, że między ciałami przemieszczają się wyłącznie ładunki
ujemne – elektrony. Ilość ładunków większościowych zgromadzonych na balonie („-”) i swetrze („+”)
jest taka sama. Ładunki te nie zostały wytworzone podczas elektryzowania przez potarcie, lecz zostały przeniesione z jednego ciała na drugie.
Polecenie 1.4.1
Wykonaj poniższe doświadczenie. Jak zinterpretowałbyś jego wynik? Napisz samodzielnie
podsumowanie.
Doświadczenie 1
PROBLEM BADAWCZY:
Czy spełniona jest zasada zachowania ładunku elektrycznego?
56
HIPOTEZA:
Równa wartość zgromadzonego na elektroskopach ładunku elektrycznego
potwierdzi prawdziwość zasady zachowania ładunku.
•
dwa elektroskopy,
•
•
metalowy łącznik,
pałeczka ebonitowa lub rurka z PVC,
•
szmatka wełniana.
INSTRUKCJA:
1. Umieść dwa elektroskopy obok siebie.
2. Połącz je ze sobą za pomocą łącznika.
3. Naelektryzuj przez tarcie pałeczkę ebonitową lub rurkę.
57
4. Zbliż pałeczkę do kulki jednego z elektroskopów (ale nie dotykaj).
5. Oddal od elektroskopów łącznik.
6. Następnie odsuń pręt (przynajmniej na odległość jednego metra).
7. Obserwuj wychylenia wskazówek elektroskopów.
58
8. Ponownie połącz ze sobą elektroskopy za pomocą łącznika.
Zapisz w zeszycie kolejne obserwacje. O czym świadczy to, że wskazówki obu elektroskopów opadły po ich połączeniu? Zapisz dwa wnioski: jeden dotyczący znaku ładunkow na każdym z elektroskopów a drugi wielkości tych ładunków
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.
59
Nagranie wideo 2. Elektryzowanie ciał przez 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.
60
Nagranie wideo 3. Elektryzowanie ciał przez 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
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.
61
Nagranie wideo 4. Elektryzowanie ciał przez indukcję
Zadanie 1.4.2-3
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.
62
Ilustracja 1. Pierwsze prawo Kirchhoffa
Ciekawostka
Zasada zachowania ładunku jest fundamentalnym prawem opisującym przebieg
wielu zjawisk w mikroświecie, np. anihilacji par cząstek elektron – pozyton.
63
Nagranie wideo 5. Anihilacja pary elektron-pozyton
Podsumowanie
•
•
•
•
•
Ładunki elektryczne nie giną ani nie można ich stworzyć – mogą jedynie się przemieszczać.
W układach izolowanych elektryczniesumaryczny 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
ładunek elektryczny
– wielkość fizyczna mająca wpływ na właściwości materii. Ciała mogą być obojętne
elektrycznie, naładowane dodatnio lub mieć ujemny ładunek elektryczny. Oddziały-
64
wanie pomiędzy ciałami obdarzonymi ładunkami jednoimiennymi (czyli takiego samego znaku) ma charakter odpychający, w przypadku ładunków różnoimiennych (o
różnych znakach) – przyciągający.
polaryzacja dielektryczna
– zjawisko powstawania dipoli w dielektryku lub zmiany orientacji (uporządkowania)
dipoli już istniejących.
pozyton (e+)
– antycząstka elektronu, jego masa i wartość ładunku są takie same jak elektronu.
W odróżnieniu jednak od elektronu znak ładunku przenoszonego przez pozyton jest
dodatni.
pierwsze prawo Kirchhoffa
– suma natężeń prądów wpływających do węzła sieci elektrycznej jest równa sumie
natężeń prądów z niego wypływających.
układ izolowany elektrycznie
– ciała izolowane elektrycznie, jest to układ ciał, w którym nie dochodzi do wymiany
ładunku elektrycznego ze swoim otoczeniem.
węzeł sieci elektrycznej
– miejsce, w którym rozgałęziają się przewody elektryczne.
65
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.
Zadanie 1.4.4-5
66
Podsumowanie wiadomości z elektrostatyki
1.5. Podsumowanie wiadomości z elektrostatyki
W tym dziale przedstawiliśmy informacje o ładunkach elektrycznych,
ich pochodzeniu, rodzajach, oddziaływaniach i prawach rządzących
tymi oddziaływaniami. Pokazaliśmy, jak można przekonać się o istnieniu ładunków i sprawdzić, od czego zależy i siła ich wzajemnego
oddziaływania. Podaliśmy klasyfikację materiałów ze względu na
właściwości elektryczne oraz przykłady izolatorów i przewodników
elektrycznych.
1. Elektryzowanie ciał
67
Ilustracja 1. Zdjęcie elektryzujących się włosów
Ciała można elektryzować na trzy sposoby:
•
•
•
przez tarcie,
dotyk
*indukcję (wpływ).
1. 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 do drugiego. 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.
2. Elektryzowanie przez dotyk polega na dotknięciu ciałem naelektryzowanym drugiego, pozbawionego ładunku ciała. Jeżeli naelektryzowane ciało jest naładowane dodatnio, to elektrony przechodzą z ciała obojętnego elektrycznie na naelektryzowane. Jeżeli naelektryzowane ciało jest naładowane ujemnie, to elektrony przechodzą z niego na ciało obojętne elektrycznie. W efekcie na obu ciałach gromadzi się ładunek elektryczny tego samego znaku.
Uwaga: elektryzowanie przez dotyk jest poprzedzone przemieszczeniem się ładunku w ciele, które chcemy naelektryzować.
3. *Elektryzowanie przez indukcję (przez wpływ): w wyniku zbliżenia (na pewną odległość)
ciała naładowanego do innego ciała następuje w nim przemieszczanie się elektronów swobodnych: bliżej ciała naelektryzowanego gromadzi się (indukuje) ładunek przeciwnego znaku, a na przeciwnej stronie – ładunek o tym samym znaku co ładunek ciała naelektryzowanego. Efekt ten znika, gdy oddalimy ciało naelektryzowane.
68
2. Ładunek elektryczny.
Ilustracja 2. Zdjęcie wyładowania iskrowego
Cała otaczająca nas materia zbudowana jest z ogromnej liczby atomów, a te z cząstek elementarnych. Niektóre z tych cząstek obdarzone są cechą, którą nazywamy ładunkiem elektrycznym:
•
•
elektrony – mają ładunek ujemny;
protony – mają ładunek dodatni.
W ciele elektrycznie obojętnym liczba elektronów jest równa liczbie protonów.
W ciele naładowanym ujemnie liczba elektronów jest większa od liczby protonów.
W ciele naładowanym dodatnio liczba elektronów jest mniejsza od liczy protonów.
Ładunek elektryczny oznaczany jest najczęściej literą Q lub q.
Jednostką ładunku elektrycznego jest kulomb; oznaczmy ją symbolem C.
3. Oddziaływanie ładunków elektrycznych
69
Ilustracja 3. Zdjęcie (rysunek) sił coulombowskich dla różnych kombinacji znaków ładunku
1. Ciała obdarzone ładunkiem elektrycznym oddziałują wzajemnie jeden na drugi siłą zwaną
siłą elektrostatyczną:
◦ gdy ich ładunki są tego samego znaku (jednoimienne) – odpychają się,
◦ gdy ich ładunki są przeciwnego znaku (różnoimienne) – przyciągają się.
2. Oddziaływanie to jest wzajemne.
3. 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.
4. Prawo wiążące siłę elektrostatyczną z wartością ładunków i odległością naelektryzowanych
ciał nazywamy prawem Coulomba (czyt. Kulomba).
Prawo: prawo Coulomba
Siła wzajemnego oddziaływania dwóch ładunków punktowych Q1 i Q2 jest wprost proporcjonalna do iloczynu tych ładunków, a odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi.
Twierdzenie to można zapisać symbolicznie w postaci wzoru:
F=k
Q1 · Q2
F – siła,
70
r
2
9 N·m
2
C
2
,
Z prawa Coulomba wynika, że gdy odległość ładunków jest stała, to siła wzajemnego oddziaływania rośnie tyle razy ile razy wzrośnie każdy ładunek - gdy każdy z nich wzrośnie np. dwa
razy, to siła wzrośnie 4 razy, gdy tylko jeden wzrośnie np 3 razy, to siła wzrośnie 3 razy. Przy
stałej wartości ładunków siła maleje ze wzrostem odległości - np. dwukrotny wzrost odległości powoduje czterokrotne zmniejszenie wartości siły.
4. Ładunek elementarny
Ilustracja 4. Elektron
Ładunek elementarny: najmniejsza porcja ładunku, jaką można przenieść z jednego ciała na drugie. Oznaczamy go literą e. Jest równy wartości ładunku, jaki posiadają elektron lub proton i wy−19
nosi: e = 1,602 · 10 C.
Wartość każdego ładunku elektrycznego jest wielokrotnością ładunku elementarnego:
Q = n·e
71
5. Zasada zachowania ładunku
1. Ładunki elektryczne nie giną ani nie można ich stworzyć – mogą jedynie się przemieszczać.
2. W układach izolowanych sumaryczny ładunek elektryczny (algebraiczna suma ładunków
dodatnich i ujemnych) nie ulega zmianie.
3. Te dwa powyższe stwierdzenia są dwoma niezależnymi sformułowaniami zasady zachowania ładunku, każde z nich podkreśla jej inny aspekt.
4. W układzie izolowanym elektrycznie nie dochodzi do wymiany ładunków z otoczeniem.
5. Zasada zachowania ładunku pozwala wyjaśnić przebieg wielu zjawisk, do których należą:
elektryzowanie ciał (przez tarcie, dotyk i indukcję), zasady rządzące przepływem prądu elektrycznego (pierwsze prawo Kirchhoffa – będziesz się o nim uczyć później) i wiele zjawisk w
mikroświecie, na przykład reakcje jądrowe.
6. Przewodniki i izolatory
Ilustracja 5. Zdjęcie materiałów przewodzących (metali) i izolatorów (plastik)
1. Ciała ze względu na łatwość, z jaką przewodzą prąd elektryczny, dzielimy na:
◦ przewodniki;
◦ izolatory;
◦ *półprzewodniki.
2. Przewodniki – dobrze przewodzą prąd, zawierają cząstki naładowane, które mogą się swobodnie przemieszczać wewnątrz próbki. Cząstki te nazywamy nośnikami prądu.
Przewodnikami są:
72
◦
◦
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), a nośnikami prądu są w nich jony;
zjonizowane gazy, w których nośnikami są elektrony i jony. Przykładem są gazy za-
mknięte w świetlówkach i lampach neonowych, iskra i błyskawica w powietrzu.
3. 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.
4. *Półprzewodnik to materiał wykazujący w pewnych warunkach właściwości przewodnika, a
w pewnych – izolatora.
◦ przykładem półprzewodników są krzem i german;
◦
najważniejszą cechą półprzewodników jest to, że możemy zmieniać ich zdolność przewodzenia prądu poprzez wprowadzenie domieszek;
◦
półprzewodniki znalazły zastosowanie głównie w przemyśle do wyrobu elementów
elektronicznych, takich jak tranzystory, diody, układy scalone i elementy pamięci;
◦
istotną cechą wszystkich półprzewodników jest to, że ich zdolność przewodzenia prądu
rośnie ze wzrostem temperatury (odwrotnie niż u przewodników). Wynika to tego, że
ze wzrostem temperatury wzrasta w nich liczba swobodnych nośników ładunku.
Test
Zadanie 1.5.1-9
Zadania
Polecenie 1.5.1
Plastikowa linijka potarta o wełniany szalik naelektryzowała się ujemnie.
a) Napisz, jakie cząstki elementarne zostały przemieszczone miedzy linijką a szalikiem?
b) Czy zostały one przeniesione z szalika na linijkę czy odwrotnie?
c) Czy szalik też się naelektryzował? Jeśli tak, to jakiego znaku i jakiej wartości jest ładunek uzyskany przez szalik?
73
Polecenie 1.5.2
Napisz, jak powstają jony dodatnie, a jak ujemne.
Polecenie 1.5.3
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.
Polecenie 1.5.4
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) Wyjaśnij, dlaczego ziarenka pyłku „padają” na pszczołę?
b) Czy ziarenko pyłku ma kontakt elektryczny z ciałem pszczoły? Wskazówka: zastanów
się, jaki ładunek elektryczny miałoby ziarenko połączone z pszczołą?
Polecenie 1.5.5
Na długiej nici wisi styropianowa kulka. Wiadomo, że jest ona naelektryzowana, ale nie
wiemy, jaki znak ma zgromadzony na niej ładunek. Zaproponuj doświadczenie powalające
rozpoznać znak tego ładunku. Wskaż potrzebne do tego materiały, które stosunkowo łatwo
znajdziesz w domu lub w klasie.
Polecenie 1.5.6
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.
74
Polecenie 1.5.7
*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.
75
Sprawdzian wiadomości – elektrostatyka
1.6. Sprawdzian wiadomości – elektrostatyka
Zadanie 1.6.1-5
Polecenie 1.6.1
Szklana płytka potarta o suchy papier naelektryzowała się dodatnio.
a) Napisz, jakie cząstki zostały wymienione między papierem i szkłem.
b) Czy zostały one przeniesione z papieru na szkło czy ze szkła na papier?
c) Czy papier też się naelektryzował?
Polecenie 1.6.2
Na metalowej płycie zgromadzono ładunek q1 = + 5 mC. Na tę płytę spadło ziarenko ryżu
obdarzone ładunkiem q2 = − 200 μC. Oblicz całkowity ładunek układu płyta + ziarenko.
Wskazówka: zwróć uwagę na jednostki ładunku.
Polecenie 1.6.3
Projektując obudowę urządzenia elektrycznego, należy zadbać o bezpieczeństwo użytkowników. Z pośród wymienionych substancji wskaż dwie, które mogą do tego służyć: żelazo,
guma, plastik, bawełna, bibuła, miedź, porcelana, aluminium. Uzasadnij swój wybór, podając właściwości wybranego materiału.
76
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 jeśli główny napęd jest spalinowy, to i tak
bez prądu nie da się go uruchomić). Radio, telewizja, telefony… Jeśli chcesz dowiedzieć się czegoś więcej o zjawisku przepływu prądu
elektrycznego, czytaj dalej.
77
Prąd elektryczny i jego natężenie
Już potrafisz:
•
opisać atom jako obiekt zbudowany z jądra atomowego, wokół którego poruszają się elektrony;
•
wymienić nośniki ładunku elektrycznego – elektrony swobodne i jony;
•
rozróżnić przewodniki i izolatory prądu elektrycznego;
•
podać, że jednostką ładunku elektrycznego jest kulomb (symbol C).
Nauczysz się:
•
posługiwać się pojęciem natężenia prądu elektrycznego,
•
stosować w obliczeniach zależność natężenia prądu elektrycznego od ładunku
elektrycznego i czasu jego przepływu;
•
mierzyć wartość natężenia prądu elektrycznego;
•
korzystać z zależności między jednostką natężenia prądu elektrycznego – amperem – i jego krotnościami.
1. Natężenie prądu elektrycznego
Już w szkole podstawowej na lekcjach przyrody, a niedawno podczas lekcji poświęconych elektrostatyce dowiedziałeś się, że istnieją dwie podstawowe grupy substancji: przewodniki i izolatory.
Różnica między nimi polega na tym, że w przewodnikach znajdują się swobodne nośniki ładunku,
czyli cząstki lub cząsteczki mające różny od zera ładunek elektryczny i mogące się poruszać w obrębie danego przewodnika. Są to elektrony i jony. W izolatorach istnieją zarówno elektrony, jak i
jony, ale nie mogą się one przemieszczać.
Swobodne nośniki ładunku – skupmy się na ciałach stałych i elektronach – poruszają się. Zachowują się jak cząsteczki gazu – stąd pojęcie „gaz elektronowy”. Elektrony te poruszają się chaotycznie, mogą się zderzać ze sobą lub z atomami tworzącymi sieć krystaliczną. Przypomina to trochę
ruch żaglówek i kajaków na jeziorze (oczywiście bez zderzeń). A jak taki ruch odbywałby się na rzece? Wyobraźmy sobie bardzo szeroką rzekę, z której środka nie widać brzegów (Amazonka ma u
ujścia szerokość około 80 km). Po tej rzece pływają w dowolny sposób łódki. Brzegów nie widać,
widzisz tylko ten chaotyczny ruch łódek. Gdybyś popatrzył z góry, dostrzegłbyś, że oprócz tego
chaotycznego ruchu mamy do czynienia z przenoszeniem wszystkich tych łódek w stronę oceanu.
Powiemy, że wszystkie dryfują w jedną stronę. Ale jedne z nich poruszają się prostopadle do brzegów, inne w stronę ujścia, a jeszcze inne – w górę rzeki. Prąd elektryczny to właśnie taki dryf elektronów – występują w nim właściwie wszystkie kierunki ruchu. Powodem zmian kierunku nie jest
78
oczywiście decyzja kapitana, lecz zderzenia z atomami lub innymi elektronami. Podczas zderzeń
elektrony mogą tracić energię. Dlaczego jednak poruszają się dalej?
W przypadku łódek na rzece czynnikiem unoszącym je jest woda płynąca z miejsca położonego
wyżej do miejsca położonego niżej. Co zmusza elektrony do dryfowania w którąś stronę? W przypadku łódek woda płynie z miejsca położonego wyżej do miejsca położonego niżej. Im większa
różnica wysokości, z tym z większą prędkością płynie woda. W przypadku prądu elektrycznego rolę różnicy wysokości pełni napięcie elektryczne. Definicję tej wielkości poznasz w szkole ponadgimnazjalnej (liceum lub technikum). Na razie będziemy jej tylko używać do opisu zjawisk związanych z przepływem prądu elektrycznego. Nieco więcej na ten temat dowiesz się z następnej lekcji.
prąd elektryczny
ukierunkowany ruch nośników ładunków elektrycznych
Ilustracja 1. Przekrój poprzeczny
Na powyższym rysunku przedstawiono tylko dryf elektronów, który jest ruchem ukierunkowanym, a pominięto ruch chaotyczny. Widać, że przez poprzeczny przekrój przewodnika przepływają
ładunki. Jeżeli w danym czasie przepłynie ich więcej, to powiemy, że natężenie prądu elektrycznego jest większe. Tak samo będzie, gdy ten sam ładunek przepłynie w krótszym czasie.
79
Zadanie 2.1.1
Z tego, co napisaliśmy wyżej wynika definicja natężenia prądu elektrycznego:
natężenie prądu elektrycznego
– jest równe stosunkowi ładunku, jaki przepłynie w pewnym czasie przez poprzeczny
przekrój przewodnika do czasu tego przepływu.
I=
q
t
gdzie:
I – natężenie prądu elektrycznego;
q – ładunek, jednostka kulomb – C;
t – czas, jednostka sekunda – s.
Jednostką natężenia jest amper, który oznaczamy symbolem A. Jeśli przez przewodnik płynie
prąd o natężeniu 3 A, to znaczy, że w czasie 1 sekundy przez jego poprzeczny przekrój przepływa
ładunek równy 3 C. Nazwa jednostki natężenia pochodzi od nazwiska francuskiego fizyka Ampere’a.
Amper jest dużą jednostką, więc podobnie jak w przypadku kulomba – C posługujemy się podwielokrotnościami:
1mA = 0,001 A
−3
1 mA = 10 A
Dokładną definicję ampera poznasz w liceum. Jeżeli już teraz chcesz dowiedzieć się więcej o jednostce natężenia prądu, poszukaj informacji w Internecie.
Ciekawostka
André-Marie Ampère żył w latach 1775–1836. Uczył fizyki i chemii, prowadził badania z zakresu matematyki. W 1826 r. opublikował ważną pracę dotyczącą elektryczności i magnetyzmu, w której znalazło się równanie opisujące siłę elektrodynamiczną. Równanie to nosi nazwę prawa Ampere'a.
80
Ilustracja 2. Portret André-Marie Ampera
2. Pomiar natężenia prądu elektrycznego
Do pomiaru natężenia prądu służy amperomierz. Często stosuje się mierniki uniwersalne, w których poprzez wybór odpowiednich ustawień przyrządu można zmierzyć natężenie.
81
Ilustracja 3. Mierniki pomiarowe
Doświadczenie 1
CEL:
Kształtowanie umiejętności posługiwania się miernikiem uniwersalnym – amperomierzem.
•
•
•
•
przewody;
amperomierz;
źródło prądu (np. baterie 1,5 V lub 4,5 V),
żarówka.
INSTRUKCJA:
1.
2.
3.
4.
Połącz elementy obwodu.
Ustaw na mierniku opcję pomiaru natężenia prądu.
Wybierz odpowiedni zakres miernika.
Połącz miernik z obwodem.
5. Odczytaj wskazania miernika.
82
6. Powtórz pomiar natężenia dla drugiej baterii.
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 2.1.1
Odczytaj z pomocą osoby dorosłej lub wyszukaj w Internecie natężenie prądu, który może
przepływać przez urządzenia codziennego użytku. Wpisz wartości w poniższą tabelę.
Tabela 2. Wartości natężenia prądu dla wybranych urządzeń
Natężenie
prądu
Urządzenie
Ładowarka do telefonu komórkowego
Suszarka do włosów
Odkurzacz
83
Natężenie
Urządzenie
prądu
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 2.1.2-3
3. Natężenie prądu elektrycznego – rozwiązywanie
zadań
Przykład
Przez żarówkę latarki kieszonkowej w czasie 5 s przepłynął ładunek o wartości 500 mC. Oblicz natężenie prądu, który płynął przez żarówkę.
Rozwiązanie:
Aby obliczyć natężenie prądu, stosujemy wzór:
q
I = t.
Podstawiamy dane liczbowe, pamiętając o zamianie na jednostki podstawowe:
q = 500 mC = 0, 5 C
I=
0,5 C
=
5s
0,1 A
84
Zadanie 2.1.4
Przykład
Przez grzałkę czajnika elektrycznego przepływa prąd o natężeniu 750 mA. Oblicz ładunek,
który przepłynął przez grzałkę w czasie 5 minut.
Rozwiązanie:
Przekształcamy wzór na natężenie prądu tak, by wyznaczyć ładunek:
I=
q
t
/ ·t
I·t = q
q = I·t
Wypisujemy dane:
I = 750 mA = 0,75 A
t = 5 min = 300 s
Podstawiamy wartości do wzoru:
q = 0,75 A · 300 s = 225 C
Zadanie 2.1.5
Przykład
85
Ilustracja 4. Wykres zależności I(t)
Na podstawie powyższego wykresu oblicz ładunek, jaki przepłynął przez obwód w czasie:
a) 30 sekund,
b) 1 minuty.
Wskazówka:
Ilość ładunku przepływającego przez poprzeczny przekrój przewodnika można obliczyć jako
pole figury pod wykresem zależności natężenia od czasu. Wynika to wprost z zależności:
q = I · t, gdzie I jest wartością natężenia prądu odczytaną z wykresu, a t – czasem przepływu
ładunku.
Rozwiązanie (dla t = 30 s ):
Z wykresu odczytujemy I = 350 mA = 0,35 A. Dla czasu t1 = 30 s otrzymujemy:
q = 0,35 A · 30 s = 1 050 C
Odpowiedź:
W czasie 30 sekund przez obwód przepłynął ładunek 1050 kulombów.
86
Rozwiązanie (dla t = 1 minuta ):
Rozwiązanie jest analogiczne jak dla przykładu powyżej.
Odpowiedź :
q = 2 100 C
Przykład
Ilustracja 5. Wykres zależności I(t) - ćwiczenie aktywizujące
Natężenie prądu niekiedy się zmienia. Na powyższym wykresie widzimy, że natężenie prądu
rośnie. W jaki sposób możemy obliczyć wartość ładunku, jaki przepłynął w danym czasie?
Przypominacie sobie zapewne sposób, w jaki obliczaliście drogę przebytą przez ciało poruszające się z rosnącą wartością prędkości. Droga była równa polu pod wykresem zależności
prędkości od czasu. Teraz sytuacja jest bardzo podobna. Całkowity ładunek, jaki przepłynie
przez przewodnik, będzie równy polu pod wykresem, ale tym razem będzie to pole nie prostokąta, lecz trójkąta.
Oblicz ładunek, jaki przepłynie w czasie 8 s w sytuacji przedstawionej na wykresie.
Rozwiązanie:
W momencie t = 8 s odczytane z wykresu natężenie prądu wynosi 400 mA. Liczbowo ładunek
będzie równy polu trójkąta o wysokości 400 mA i podstawie 8 s.
Dane:
h = 400 mA = 0,4 A;
a = 8 s.
87
Obliczenia:
1
q = S = 2a · h =
1
2
· 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=
q
t
/ ·t
I·t = q ∕ : I
t=
q
I
Wypisujemy dane:
I = 300 A
q = 12 kC = 12 000 C
Podstawiamy wartości do wzoru:
t=
12000 C
300 A
= 40 s
Odpowiedź:
Ładunek 12 kC przepłynie przez silnik elektryczny w czasie 40 s.
Zadanie 2.1.6
Podsumowanie
•
•
Natężenie prądu elektrycznego mierzymy przy użyciu amperomierza.
Natężenie prądu elektrycznego obliczamy dzieląc ładunek (q) przez czas (t), czyli ze wzoru:
I=
q
t
88
Praca domowa
Doświadczenie 2
CEL:
Kształtowanie umiejętności posługiwania się miernikiem uniwersalnym – amperomierzem.
•
•
•
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.
2.
3.
4.
5.
Przekrój cytrynę na pół.
Wbij w nią blaszki.
Przyłóż do blaszek żarówkę.
Sprawdź, czy świeci.
Wybierz na mierniku pomiar natężenia prądu i ustaw odpowiedni zakres.
6. Następnie podłącz amperomierz do blaszek.
7. Odczytaj wskazania miernika.
Tabela 3. Wynik pomiarów i wnioski
Wynik pomiarów:
…………………………………………………………………………
89
Wniosek:
…………………………………………………………………………
Poszukaj w różnych źródłach, czym jest bezpiecznik i jaką funkcję pełni w instalacjach
elektrycznych.
Słowniczek
amper
– jednostka natężenia prądu elektrycznego, symbol – A.
amperomierz
– przyrząd służący do pomiaru natężenia prądu elektrycznego.
Zadanie 2.1.7-10
90
Napięcie elektryczne
2.2. Napięcie elektryczne
Z poprzedniej lekcji pamiętasz, że czynnikiem powodującym przepływ prądu jest napięcie elektryczne. Pełni ono rolę analogiczną do
różnicy poziomów wody powodujących jej przepływ. Dzisiejsza lekcja przybliży ci to pojęcie. Część lekcji poświęcimy także na opis działania niektórych źródeł napięcia elektrycznego.
Już potrafisz:
•
opisać chaotyczny ruch elektronów w przewodnikach i uporządkowany pod wpływem przyłożonego napięcia;
•
obliczać natężenie prądu elektrycznego jako stosunek przenoszonego ładunku
elektrycznego do czasu, w którym ten ładunek przepłynął przez badany przekrój
poprzeczny przewodnika;
•
opisać amperomierz jako przyrząd do pomiaru natężenia prądu.
91
Nauczysz się:
•
posługiwać się pojęciem napięcia elektrycznego;
•
wymieniać źródła napięcia elektrycznego;
•
opisać budowę i działanie ogniwa Volty;
•
dokonać pomiaru wartości napięcia elektrycznego.
1. Jeszcze o przepływie prądu elektrycznego
Wiesz z poprzedniej lekcji, że przepływ prądu to ukierunkowany ruch ładunków (elektronów lub
jonów). To dryf elektronów poruszających się dodatkowo ruchem chaotycznym. Ruch ten odbywa
się pod wpływem przyłożonego napięcia. Ale co to jest napięcie elektryczne? Wyobraźmy sobie,
że mamy dwie oddalone od siebie metalowe płytki – jedna naładowana jest ładunkiem dodatnim,
a druga ujemnym. Ładunek dodatni oznacza, że płytka ta ma niedobór, a ładunek ujemny – nadmiar ładunków ujemnych (elektronów).
Co się stanie, gdy obie płytki połączymy przewodnikiem, czyli ciałem, w którym znajdują się bedące w ruchu elektrony? Płytka naładowana ujemnie będzie odpychała elektrony w przewodniku,
a płytka naładowana dodatnio – przyciągała. Na elektrony w przewodniku będzie działała siła powodująca ich dryf. W przewodniku zatem zaczyna płynąć prąd elektryczny.
Trzeba tu jednak zwrócić uwagę na dwie sprawy. Wiesz z dynamiki, że jeżeli ciało uzyska jakąś
prędkość, to powinno się poruszać tak długo, jak długo jakaś inna siła nie zmieni tego stanu. Czy
zatem nie wystarczyłoby, aby te elektrony w przewodniku wprawić w dryf i potem obie naładowane płytki odłączyć?
Otóż nie – bo dryfujące elektrony będą zderzały się z atomami i elektronami swobodnymi w przewodniku, tracąc energię. Prąd przestanie płynąć. W celu utrzymania przepływu prądu musimy
więc cały czas dostarczać energię elektronom w przewodniku.
I druga sprawa: jeżeli ujemna płytka odepchnie elektrony w przewodniku, to ujemne ładunki z
płytki wejdą na ich miejsce. Z kolei na drugim końcu przewodnika ujemne ładunki przejdą na dodatnio naładowaną płytkę. Po krótkiej chwili zarówno płytka ujemna, jak i dodatnia staną się obojętne elektrycznie. Powiemy, że napięcie elektryczne między nimi będzie równe zero, a prąd w
przewodniku przestanie płynąć.
Wniosek jest taki, że napięcie elektryczne jest potrzebne cały czas, a zatem źródło napięcia musi
dostarczać energię dryfującym elektronom, aby prąd mógł płynąc w obwodzie.
92
2. W którą stronę płynie prąd elektryczny?
Rozumowanie przedstawione w poprzedniej części tej lekcji pokazuje, że ruch ładunków ujemnych odbywa się od płytki naładowanej ujemnie do płytki naładowanej dodatnio. Kiedy jednak odkryto istnienie prądu elektrycznego, nie było wiadomo, co sie porusza i jaki ładunek mają nośniki.
W pewnym momencie rozwoju fizyki przyjęto, że poruszają się ładunki dodatnie. W efekcie przyjęto, że prąd płynie od płytki dodatniej do ujemnej. Powiecie zapewne, że jest to przyjęcie błędnego
poglądu.
Otóż nie do końca; w przewodnikach prąd to ruch ładunków ujemnych, ale np. w cieczach mamy
do czynienia z ruchem zarówno jonów ujemnych, jak i dodatnich. Tak samo jest w gazach – tam
też poruszają się jony dodatnie i ujemne. Jak się domyślacie, w cieczach i w gazach będziemy mieli do czynienia z przepływem ładunków dodatnich w jedną stronę i ładunków ujemnych w drugą.
Dlatego w dalszym ciągu przyjmujemy, że prąd płynie od bieguna dodatniego źródła napięcia do
bieguna ujemnego tego źródła.
3. Działanie ogniwa chemicznego
Skoro już wiesz, w jakich warunkach płynie prąd elektryczny, pozostaje zastanowić się, jak pozbyć
się kłopotu opisanego wyżej, a polegającego na tym, że przepływ prądu spowoduje rozładowanie
naszych dwóch płytek, napięcie spadnie do zera i prąd przestanie płynąć. Musimy w jakiś sposób
podtrzymywać stan naładowania biegunów źródła napięcia. Z pomocą przyszły nam zjawiska chemiczne, w których dana substancja (stanowiąca tzw. elektrodę) reaguje z cieczą znajdującą się w
naczyniu.
Jednym z pierwszych źródeł napięcia było skonstruowane w 1800 roku ogniwo Volty.
Doświadczenie 1
CEL:
Budowa ogniwa Volty.
•
•
•
•
zlewka;
rozcieńczony kwas siarkowy;
blaszka miedziana i cynkowa;
żarówka, woltomierz.
93
INSTRUKCJA:
1. Do zlewki wypełnionej rozcieńczonym kwasem siarkowym należy
włożyć blaszki.
2. Umieścić je w stosunku do siebie w małej odległości.
3. Za pomocą woltomierza sprawdź, która blaszka jest biegunem dodatnim ogniwa, a która ujemnym.
4. Odłącz woltomierz i podłącz żarówkę, sprawdzając, czy napięcie jest
wystarczające do tego, by świeciła.
PODSUMOWANIE:
Doświadczenie przypomina to, które przeprowadził Alessandro Volta w
1800 roku. Jak widzisz, konstrukcja ogniwa nie jest taka skomplikowana,
jak mogłoby się to wydawać na pierwszy rzut oka.
Szczegóły dotyczące reakcji miedzi i cynku z kwasem siarkowym poznaliscie 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.
Między elektrodami wytwarza się napięcie elektryczne i po połączeniu obu
elektrod przewodnikiem płynie w nim prąd elektryczny. Istotną sprawą jest
to, że w ogniwach z elektrodą cynkową następuje stopniowy ubytek materiału elektrody ujemnej. W wielu rodzajach ogniw (działających na podobnej zasadzie) stanowi ona obudowę całego ogniwa, dlatego przy dłuższym użytkowaniu takiego ogniwa znajdującego się w urządzeniu pojawia
się wyciek elektrolitu, co prowadzi często do uszkodzenia urządzenia.
Ogniwa oraz baterie ogniw są urządzeniami jednorazowego użytku. Skonstruowano jednak
urządzenia, zwane akumulatorami, w których odwraca się proces przechodzenia jonów z elektrody do roztworu.
Na poprzednich stronach podręcznika napisaliśmy, że aby utrzymać przepływ prądu, potrzebne
jest dostarczanie energii elektronom, które tracą ją w wyniku zderzeń z jonami metalu. Energię
dostarcza ogniwo, tracona przez elektrony energia powoduje zaś szybszy ruch drgający jonów i
większą amplitudę drgań, czego efektem jest wzrost temperatury przewodnika a nawet jego świecenie.
Zestaw obwód elektryczny składający się ze źródła napięcia – ogniwa lub baterii ogniw (bateria
płaska ma trzy ogniwa) i odbiornika – żarówki elektrycznej. Po zamknięciu obwodu zauważysz, że
odbiornik wydziela energię cieplną i światło. Żarówka nagrzewa się i świeci.
94
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.
Ilustracja 1. Napięcie elektryczne
W ogniwie elektrycznym następuje przetwarzanie energii chemicznej w energię elektryczną.
Bardziej szczegółowo energię elektryczną omówimy podczas następnych lekcji.
Obecnie używamy różnych rodzajów źródeł napięcia, w tym wiele przenośnych.
95
Galeria 2.2.1
PRZENOŚNE ŹRÓDŁA ENERGII
1.
2.
3.
Opisy ilustr
ilustracji:
acji:
1. Bateria 1,5 V („paluszek”)
2. Bateria o napięciu 4,5V (tzw. bateria „płaska”)
3. Akumulator do telefonu komórkowego o napięciu 3,7 V (widok dwustronny)
a) Ogniwo 1,5 V („paluszek”).
b) Bateria składająca się z trzech ogniw o napięciu 1,5 V każde i dająca napięcie 4,5 V (tzw. bateria „płaska”).
c) Akumulator do telefonu komórkowego o napięciu 3,7 V (widok dwustronny).
96
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 tworzą ogniwa połączone szeregowo lub równolegle.
Zadanie 2.2.1-2
4. Napięcie elektryczne i jego pomiar
Ogniwa, baterie lub akumulatory, powszechnie stosowane źródła energii prądu stałego, zamieniają energię chemiczną na pracę związaną z przeniesieniem ładunku elektrycznego przez przewodnik. Wytworzone napięcie elektryczne powoduje przenoszenie ładunku wzdłuż przewodnika.
napięcie elektryczne U
– napięcie (różnica potencjałów) między dwoma punktami przewodnika jest równe
liczbowo stosunkowi pracy Wwykonanej podczas przenoszenia ładunku q między tymi punktami przewodnika do tego ładunku:
U=
W
q
Jednostką napięcia elektrycznego w układzie SI jest wolt (1 V):
1V=
1J
1C
Do pomiaru napięcia służy woltomierz, który zawsze podłączamy do obwodu elektrycznego równolegle. Wynika to z tego, że woltomierz najczęściej mierzy napięcie pomiędzy końcami przewodnika.
97
Ilustracja 2. Woltomierze
Doświadczenie 2
Pomiar napięcia elektrycznego
CEL:
Kształtowanie umiejętności obsługi miernika uniwersalnego i pomiaru napięcia.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
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:
1. Zgodnie z instrukcją obsługi woltomierza podłącz przewody do miernika i ustaw pokrętło na odpowiednim zakresie.
2. Zmierz napięcie wytwarzane przez ogniwa i jabłko.
3. Porównaj ich wartości.
98
4. Wbij w jabłko metalowe płytki.
5. Zmierz napięcie między płytkami.
6. Zanotuj wartość zmierzonego napięcia.
7. Połącz końce żarówki z działającym ogniwem, a następnie z płytkami
wbitymi w jabłko.
8. 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 2.2.3-4
Podsumowanie
1. Źródłami napięcia stałego są ogniwa, baterie lub akumulatory, które zamieniają energię reakcji chemicznych na energię elektryczną.
2. Jednym z pierwszych źródeł energii chemicznej było skonstruowane w 1800 roku ogniwo
Volty.
3. Napięcie elektryczne UAB jest liczbowo równe pracy, jaką należy wykonać, aby przenieść ładunek jednostkowy (1 C) z jednego punktu przewodnika do drugiego: U =
4. Jednostką napięcia elektrycznego w układzie SI jest wolt (V). 1 V =
W
.
q
1J
.
1C
Wolt (1 V) odpowiada liczbowopracy jednego dżula (1 J), która potrzebna jest do przeniesienia ładunku jednego kulomba (1 C) pomiędzy dwoma punktami przewodnika.
5. Woltomierz jest przyrządem służącym do pomiaru napięcia elektrycznego między dwoma
punktami. Do obwodu elektrycznego włączamy go równolegle.
Praca domowa
Wykonaj doświadczenie i opisz jego wyniki.
99
Doświadczenie 3
Zbuduj własną baterię.
CEL:
Konstrukcja własnego źródła napięcia.
•
sól kuchenna;
•
•
woda (lub cola);
szklanka (lub inne naczynie);
•
•
•
•
•
•
kilka monet 5-groszowych;
pasek folii aluminiowej;
pasek papieru (ręcznik papierowy);
nożyczki;
ołówek;
woltomierz (miernik uniwersalny).
INSTRUKCJA:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
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.
100
PODSUMOWANIE:
W zeszycie zapisz wyniki swoich pomiarów i odpowiedz na poniższe pytania.
1. Co wpływa na napięcie elektryczne, którego źródłem jest Twoja
bateria?
2. Co można zrobić, by twoja bateria była źródłem o wyższym napięciu elektrycznym?
3. Porównaj uzyskane przez ciebie napięcie z napięciem uzyskiwanym w ogniwach i bateriach dostępnych w sklepie.
Oblicz napięcie źródła podłączonego do obwodu, jeżeli przeniesienie ładunku 5 C wymagało wykonania pracy o wartości 6 J.
Słowniczek
bateria elektryczna
– układ, najczęściej polączonych szeregowo, kilku lub kilkunastu ogniw.
elektrolit
– przewodnik w fazie ciekłej lub stałej, w którym prąd elektryczny stanowi strumień
jonów.
ogniwo elektryczne
– źródło napięcia stałego, które zamienia energię pochodzącą z reakcji chemicznych
w energię elektryczną.
101
wolt (V)
– jednostka napięcia elektrycznego w układzie SI. Jeden wolt (1 V) odpowiada pracy
jednego dżula (1 J), która potrzebna jest do przeniesienia ładunku jednego kulomba
(1 C) pomiędzy dwoma punktami przewodnika.
woltomierz
– przyrząd służący do pomiaru napięcia elektrycznego.
Biogram
Biogram
Alessandro Volta
Ilustracja 3. Alessandro Volta
Data urodzenia:
18.2.1745
Miejsce urodzenia:
Como
Data śmierci:
5.3.1827
Miejsce śmierci:
Como
Włoski fizyk i wynalazca, odkrywca metanu, konstruktor elektroskopu i pierwszego kondensatora. W roku 1800 zaprezentował ogniwo, które od jego nazwiska nazwano ogniwem Volty. Profesor uniwersytetu w Pawii.
102
Zadanie podsumowujące lekcję
Zadanie 2.2.5-7
103
Badanie zależności między natężeniem prądu a napięciem elektrycznym w obwodzie
2.3. Badanie zależności między natężeniem prądu a
napięciem elektrycznym w obwodzie
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. Umiejętność rysowania schematów jest istotna przy badaniu
zależności pomiędzy wielkościami opisującymi obwód elektryczny.
Jak wyglądają schematyczne oznaczenia różnych elementów i jak
zbadać zależność natężenia prądu od napięcia elektrycznego, dowiesz się na dzisiejszej lekcji.
104
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) przy użyciu symboli graficznych;
•
poprawnie odczytać i rysować schematy prostych obwodów elektrycznych;
•
budować obwody elektryczne według zadanych schematów;
•
zbudować obwód do badania zależności natężenia prądu płynącego przez odcinek obwodu (opornik) od napięcia między końcami tego odcinka i wykonać doświadczalnie badanie tej zależności.
1. Symbole wybranych elementów obwodu
elektrycznego
Każde urządzenie elektryczne stanowi połączony układ zespołów, podzespołów lub elementów
elektrycznych (elektronicznych), które wyznaczają zamkniętą drogę przepływu prądu elektrycznego nazywaną obwodem.
obwód elektryczny
– układ elementów (przewodów, źródeł napięć, odbiorników, wyłączników) połączonych w taki sposób, aby umożliwić przepływ prądu elektrycznego.
105
Aby układ elektryczny spełniał swoje zadania, musi być wcześniej zaprojektowany. Podczas projektowania rysujemy schemat takiego obwodu, co umożliwia obliczenia jego parametrów. Jest to
istotne także wtedy, gdy nastąpi awaria i układ przestanie działać prawidłowo. To wszystko umożliwiają odpowiednie schematyczne rysunki przedstawiające elementy obwodu przy użyciu symboli graficznych połączonych ze sobą w funkcjonalną całość. Taki układ nazywamy schematem
obwodu elektrycznego.
schemat obwodu elektrycznego
– odwzorowanie obwodu elektrycznego wykonane za pomocą symboli graficznych.
Ilustracja 1. Schemat budowy zasilacza
Schemat budowy zasilacza
Symbole graficzne elementów obwodu elektrycznego pozwalają je rozpoznać, opisać ich budowę i przeznaczenie. Schematy są niezwykle przydatne, słowny opis budowy i zasady działania np.
zasilacza zająłby prawdopodobnie wiele kartek papieru. Można go jednak zastąpić jednostronicowym schematem. Schematy obwodów dla osób, które nie potrafią ich poprawnie odczytać, są
trudne do zrozumienia. Elektromonterzy czy elektrycy bez trudu dają sobie radę z ich interpretacją. Bez nich budowanie takich układów, naprawa urządzeń lub ich konserwacja byłaby bardzo
trudna.
Nie wszystkie schematy obwodów elektrycznych są tak skomplikowane jak schemat zasilacza. Ich
stopień komplikacji wzrasta wraz ze złożonością urządzenia, który opisują. Na ilustracji poniżej
przedstawiono symbole graficzne elementów niezbędnych do sporządzenia schematów prostych
obwodów elektrycznych.
106
Ilustracja 2. Elementy obwodu elektrycznego i ich symbole
Zapamiętaj
Woltomierz włączamy równolegle do elementu obwodu, ponieważ mierzy on napięcie między końcami tego elementu. Amperomierz włączamy szeregowo, ponieważ natężenie prądu jest jednakowe w każdym punkcie układu szeregowego. Jeżeli
w obwodzie znajdą się np. 3 oporniki połączone szeregowo, to niezależnie od tego,
czy włączymy amperomierz przed pierwszym z nich, między pierwszym a drugim,
między drugim a trzecim lub za trzecim – natężenie prądu będzie takie samo.
Polecenie 2.3.1
Dlaczego natężenie prądu w układzie szeregowym będzie wszędzie takie samo? Co by się
stało, gdyby natężenia były różne?
Polecenie 2.3.2
Rozejrzyj się po klasie, w której odbywa się lekcja. Zidentyfikuj jak najwięcej elementów obwodów elektrycznych.
107
Polecenie 2.3.3
Narysuj schemat obwodu elektrycznego, który jest zgodny z rysunkiem poniżej.
Ilustracja 3. Obwód elektryczny 5
Wśród symboli graficznych elementów obwodów elektrycznych nie znajdziemy symbolu żadnego
urządzenia, w tym zegara. Czasami jednak istnieje konieczność zasygnalizowania ich obecności
na schemacie – jak stało sie to w powyższym ćwiczeniu. Wówczas możemy posłużyć się wykonanym samodzielnie rysunkiem. Pamiętajmy jednak, że powinien być on czytelny i zrozumiały.
108
2. Badanie zależności natężenia prądu płynącego
przez opornik od napięcia elektrycznego miedzy
jego końcami
Doświadczenie 1
PROBLEM BADAWCZY:
Czy istnieje związek między wartością napięcia elektrycznego między końcami opornika a wartością natężenia prądu ktory w nim płynie?
HIPOTEZA:
Natężenie prądu przepływającego przez przewodnik jest wprost proporcjonalne do napięcia elektrycznego mierzonego na jego końcach.
•
•
•
•
•
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. Możesz wtedy wykonać więcej niż
4 pomiary;
miernik uniwersalny (amperomierz i woltomierz analogowy);
jako odbiornik prądu elektrycznego może posłużyć kilkuset omowy
opornik, lub opornica suwakowa.
INSTRUKCJA:
1. Zbuduj obwód elektryczny w taki sposób, jak pokazuje to ilustracja.
109
Ilustracja 4. Schemat prostego obwodu elektrycznego
2. Zanotuj zmierzone wartości napięcia i natężenia prądu elektrycznego.
3. Dołączaj do obwodu szeregowo kolejne baterie, powtarzaj pomiary i
zapisuj wyniki.
4. W zeszycie przedmiotowym sporządź poniższą tabelę.
Tabela 1. Zależność napięcia od natężenia prądu
1. pomiar
2. pomiar
3. pomiar
4. pomiar
U, V
I, A
U
I
WAŻNE
Na schemacie woltomierz jest podłączony równolegle do opornika, a
amperomierz szeregowo z innymi elementami obwodu.
110
Polecenie 2.3.4
W zeszycie napisz podsumowanie doświadczenia. Porównaj ze sobą ilorazy wartości napięcia i natężenia prądu elektrycznego, zapisane w ostatnim wierszu tabelki. Jaki nasuwa się
wniosek? Sporządź w zeszycie wykres, na osi poziomej odłóż wartość napięcia elektrycznego U, a na osi pionowej – wartość natężenia prądu I. Jakich jednostek użyjesz do oznaczenia
osi w przypadku napięcia, a jakich w przypadku natężenia prądu elektrycznego? Pamiętaj o
tym, że każdy pomiar jest obarczony niepewnością, zatem nie można rysować linii łamanej
od punktu do punktu.
Zadanie 2.3.1
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, wyłącz-
•
ników) połączone w taki sposób, aby umożliwić przepływ prądu elektrycznego.
Amperomierz to przyrząd służący do pomiaru natężenia prądu elektrycznego; do obwodów
•
włączany jest szeregowo.
Woltomierz to przyrząd służący do pomiaru napięcia elektrycznego; do obwodów włączany
•
•
jest równolegle.
Prąd może płynąć tylko w zamkniętych obwodach elektrycznych.
Schemat obwodu elektrycznego to szkic, wykonany za pomocą symboli graficznych, pozwa-
•
lający przedstawić wszystkie elementy obwodu elektrycznego i ich połączenia.
Natężenie prądu elektrycznego przepływającego przez odbiornik jest wprost proporcjonalne
do napięcia elektrycznego mierzonego między jego końcami.
111
Praca domowa
1 Sporządź schemat obwodu elektrycznego latarki kieszonkowej.
2 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? Dlaczego?
Słowniczek
bateria
– układ połączonych ogniw, najczęściej szeregowo.
ogniwo chemiczne
– układ złożony z dwóch elektrod umieszczonych w elektrolicie, który zamienia energię chemiczną na elektryczną.
woltomierz
– przyrząd służący do pomiaru napięcia elektrycznego, włączany do obwodu równolegle.
Zadanie 2.3.2-3
112
Prawo Ohma i jego zastosowanie. Opór elektryczny
2.4. Prawo Ohma i jego zastosowanie. Opór
elektryczny
Na ostatniej lekcji dowiedziałeś się, że natężenie prądu płynącego
przez opornik jest wprost proporcjonalne do napięcia między końcami tego opornika. Dzisiaj zajmiemy się bardziej szczegółowym opisem 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);
113
•
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:
•
podawać treść prawa Ohma;
•
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 między końcami obwodu lub pojedynczego elementu podłączysz napięcie elektryczne, to
popłynie prąd. Na poprzedniej lekcji badaliśmy, jak zależy natężenie tego prądu od przyłożonego
napięcia.
Na początku postawiliśmy pytanie, czy między napięciem i natężeniem prądu płynącego przez odbiornik zachodzi jakaś zależność. Na podstawie wykonanego doświadczenia można stwierdzić, że
taka zależność zachodzi. Wyniki pomiarów wskazują, że wzrost napięcia np. dwa razy powoduje
równoczesny wzrost natężenia prądu tyle samo razy, są więc one wielkościami wprost proporcjonalnymi. Widać to również na poniższym wykresie:
114
Ilustracja 1. Opór
Prawo: prawo Ohma
Natężenie prądu płynącego przez przewodnik jest wprost proporcjonalne do napięcia przyłożonego między jego końcami.
Zapisujemy to zależnością:
I=
U
R
Ciekawostka
Georg Ohm (1789–1854) 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.
115
Ilustracja 2. Georg Simon Ohm
Prawo Ohma nie jest jednak spełnione dla wszystkich przewodników. Jeżeli chcesz się o tym przekonać, wykonaj doświadczenie opisane w zadaniu domowym (zamiast opornika jest żarówka).
Zastanów się, czy wymiana elementu obwodu elektrycznego spowoduje jakieś zmiany. Załóżmy,
że wykonamy pomiary dla dwóch różnych oporników i wyznaczymy natężenie prądu płynącego
przez każdy z nich. Wynik jest przedstawiony na poniższym wykresie:
116
Ilustracja 3. Opór
Zmiana elementu obwodu elektrycznego spowodowała zmianę widoczną na wykresie. Widać różne kąty nachylenia wykresów. Od czego zależy to nachylenie? Skorzystajmy z prawa Ohma:
I=
Z czego wynika, że R =
U
I
U
R
=
1
R
·U
.
Obliczmy wartości R1 i R2, dzieląc wartość napięcia przez odpowiadające mu natężenie prądu.
R1 =
R2 =
1V
0,2 A
1V
0,1 A
=5
= 10
Jak widać, wartości współczynników są różne. Jeżeli taką samą wartość napięcia przyłożymy do
końców opornika o małym oporze, to będzie przez niego płynął prąd o większym natężeniu i wykres dla takiego opornika będzie bardziej stromy.
Miarą oporu elektrycznego danego elementu obwodu jest stosunek (iloraz) napięcia elektrycznego między końcami opornika do natężenia płynącego w nim prądu.
R=
U
I
Jednostką oporu elektrycznego w układzie SI jest om, symbol Ω (to grecka litera, czytaj omega).
Wynika z tego, że na powyższym wykresie opór R1 będzie równy 5 Ω, a R2 – 10 Ω.
117
om
– 1 om to opór przewodnika, w którym przy napięciu 1 V płynie prąd o natężeniu 1 A.
1Ω=
1V
1A
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 przyłożone cały czas. Opór elektryczny wynika właśnie z
tego przeciwdziałania stawianego przepływowi prądu przez element obwodu elektrycznego. Jest dość oczywiste, że jeżeli przewodnik będzie miał większą długość, to
liczba zderzeń będzie odpowiednio większa. Innym parametrem przewodnika jest
jego grubość, a dokładnie – pole jego przekroju. Przy takim samym napięciu przez
przewodnik o większym polu przekroju popłynie w tym samym czasie większy ładunek, a zatem natężenie prądu będzie większe, czyli opór przewodnika – mniejszy.
Opór elektryczny zależy także od rodzaju materiału, z którego dany element został
wykonany. Każdy materiał ma określoną, charakterystyczną dla niego właściwość,
nazywaną oporem właściwym.
Opór elektryczny przewodnika zależy od: oporu właściwego (ρ), długości (l) i pola
przekroju poprzecznego (S), co opisuje wzór:
l
R = ρS
2. Prawo Ohma i opór elektryczny - rozwiązywanie
zadań
Przykład
Przez żarówkę o oporze równym 1150 Ω płynie prąd o natężeniu 0,2 A. Oblicz wartość napięcia przyłożonego do żarówki.
Rozwiązanie:
Skorzystamy z zależności opisanej prawem Ohma:
I=
U
R
Z której wynika, że U = I · R.
Dane:
R = 1150 Ω
118
I = 0,2 A
Szukane:
U= ?
Obliczenia:
U = 1150 Ω · 0, 2 A = 230 V
Odpowiedź:
Napięcie przyłożone do żarówki wynosi 230 V.
Zadanie 2.4.1
Przykład
Przez grzałkę czajnika elektrycznego włączonego do napięcia 230 V przepływa prąd o natężeniu 250 mA. Oblicz, ile jest równy opór elektryczny grzałki?
Rozwiązanie:
U = R·I / : I
R=
U
I
Dane:
I = 250 mA = 0,25 A
U = 230 V
Szukane:
R= ?
Obliczenia:
R=
230 V
0, 25 A
= 920 Ω
Odpowiedź:
Opór grzałki jest równy 920 Ω.
Zadanie 2.4.2
Przykład
Na podstawie z wykresu zależności natężenia od napięcia dla pewnego odbiornika oblicz jego opór elektryczny.
119
Ilustracja 4. Opór
Wskazówka: Wybieramy jeden dowolny punkt należący do wykresu.
Ilustracja 5. Wskazówka
Rozwiązanie:
Aby wyznaczyć wartość oporu elektrycznego odbiornika, należy znać natężenie płynące-
120
go przez niego prądu przy danej wartości napięcia elektrycznego. Korzystamy z zależności:
Wzór:
R=
U
I
Dane:
Z wykresu odczytujemy:
U = 1,0 V = 1 V
I = 200 mA = 0,2 A
Szukane:
R= ?
Obliczenia:
R=
1V
0,2 A
=5Ω
Odpowiedź:
Opór elektryczny odbiornika wynosi 5 Ω.
Uwaga: sprawdź, czy wybór innego punktu wykresu zmieni wyznaczoną wartość oporu.
Zadanie 2.4.3
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=
U
R
Dane:
R = 22,5 Ω
U = 4,5 V
Szukane:
I= ?
Obliczenia:
I=
4,5 V
22,5 Ω
= 0,2 A
Odpowiedź:
Przez kalkulator płynie prąd o natężeniu 0,2 A.
121
Zadanie 2.4.4
Podsumowanie
•
Prawo Ohma: Natężenie prądu (I) jest wprost proporcjonalne do napięcia (U) przyłożonego
do końców przewodnika.
I=
•
1
R
· U.Występujący w równaniu współczynnik R nazywamy oporem elektrycznym.
Jednostką oporu elektrycznego w układzie SI jest om (Ω). Zależność między jednostkami opisuje wzór:
1Ω=
1V
.
1A
Praca domowa
1 Wyszukaj informacje dotyczące wartości oporu elektrycznego ciała człowieka. Zanotuj je. Porównaj ją z wartościami oporów elektrycznych różnych urządzeń.
2 Poszukaj informacji na temat skutków przepływu prądu przez organizm człowieka.
Wypisz po trzy skutki pozytywne i negatywne.
3 Podczas zajęć kółka fizycznego wykonaj z kolegami badanie zależności natężenia
prądu elektrycznego płynącego przez żarówkę od napięcia między końcami żarówki.
Warto użyć starej żarówki od oświetlenia choinki – są one przeznaczone do pracy przy
napięciu 14 V (koniecznie sprawdź oznaczenia na oprawce). Dla każdej pary napięcia U i
natężenia I oblicz stosunek U do I. Pamiętaj, aby pomiary wykonać dla napięć w zakresie
od 1 V do 14 V (lub do maksymalnej wartości napięcia znamionowego żarówki). Wykonaj
także wykres zależności natężenia prądu od napięcia między końcami żarówki. Przeanalizuj wyniki i odpowiedz na pytanie: Czy żarówka spełnia prawo Ohma? Jaki wniosek wynika z analizy stosunku U do I?
Słowniczek
miara oporu elektrycznego
– stosunek napięcia elektrycznego miedzy końcami obwodu odcinka do natężenia
prądu płynącego w tym odcinku.
122
opór właściwy
– wielkość charakterystyczna dla danej substancji.
Zadanie 2.4.5
Zadanie 6
Badano zależność natężenia prądu płynącego przez opornik od napięcia na tym oporniku. Wyniki pomiarów umieszczono w poniżej tabeli.
Tabela 1. Wyniki pomiarów
U, V
I, mA
0
2
4
6
8
0
150
300
450
600
123
Zadanie 7
124
Połączenie szeregowe odbiorników
2.5. Połączenie szeregowe odbiorników
Czasami lampki choinkowe przestają świecić. Wystarczy wymiana
przepalonej żarówki, aby cały łańcuch zaczął znów działać. Jeśli
chcesz się dowiedzieć, dlaczego tak się dzieje, zapoznaj się z tym
tematem. Poznasz również dwa podstawowe sposoby łączenia odbiorników energii elektrycznej i to, jak płynie prąd w każdym z tych
połączeń.
Już potrafisz:
•
posługiwać się pojęciem „napięcie elektryczne”;
•
wymieniać źródła napięcia elektrycznego;
•
przedstawiać wybrane elementy obwodów elektrycznych (ogniwo, opornik, żarówkę, wyłącznik, amperomierz i woltomierz) przy użyciu symboli graficznych;
•
poprawnie odczytwać i rysować schematy prostych obwodów elektrycznych;
125
•
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 poprzecznego 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 domowych
stosuje się inny typ połączenia, tj. równoległe. Przekonaj się, jaka jest między nimi różnica. Zapoznaj się z poniższym ćwiczeniem.
Zadanie 2.5.1
W połączeniu szeregowym odłączenie jednej żarówki sprawia, że pozostałe przestają świecić. Natomiast w połączeniu równoległym nie wywołuje to żadnego skutku, tzn. pozostałe żarówki nadal
świecą.
Przyjrzyjmy się dokładnie wartościom napięcia i natężenia prądu płynącego w połączeniu szeregowym.
Z pewnością zauważyłeś, że natężenie prądu między dowolnie wybranymi punktami w obwodzie
elektrycznym nie zmieniało się. Napięcie elektryczne na żarówkach było różne, ale łącznie było
równe napięciu wytwarzanemu przez źródło. Te spostrzeżenia są słuszne w obwodach połączonych szeregowo, tj. tak jak na schemacie na rysunku poniżej.
126
Stwierdziliśmy, że napięcie w połączeniu szeregowym rozdziela się na odbiorniki:
U = U1 + U2 (1)
W obwodzie płynie prąd o natężeniu I. Uwzględnijmy zależność między napięciem i natężeniem:
U = I · R (2)
Podstawiamy do równania (1) zależność (2) i otrzymujemy:
I · R = I · R1 + I · R2 (3)
Równanie (3) dzielimy przez I i uzyskujemy wzór na opór całkowity:
R = R1 + R2 (4)
Wzór (4) pozwala obliczyć opór całkowity w obwodzie. W połączeniu szeregowym opór całkowity
jest suma oporów, czyli obliczamy go, dodając do siebie opory wszystkich odbiorników. Opór całkowity nazywany jest też oporem zastępczym. Powodem jest to, 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 2
Ilustracja 1. Opór zastępczy w połączeniu szeregowym
Zadanie 3
127
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 poszczególnych żarówek i napięcie wytwarzane przez źródło.
Rozwiązanie:
Natężenie prądy płynącego przez poszczególne żarówki jest jednakowe i wynosi I = 150 mA.
Zgodnie z prawem Ohma (po przekształceniu):
U = I·R
czyli:
U1 = I · R 1 i U2 = I · R 2
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:
128
Do pierwszej żarówki przyłożone jest napięcie równe 4,5 V, do drugiej 10,5 V. Napięcie wytwarzane przez źródło prądu wynosi 15 V.
Zadanie 2.5.4
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=5V
Szukane:
I= ?
Wzory:
/
U = I·R
I=
:R
U
R
R = R1 + R2
Obliczenia:
R = 40 Ω + 60 Ω = 100 Ω
I=
5V
100 Ω
= 0, 05 A
Odpowiedź:
W obwodzie płynie prąd o natężeniu 0,05 A.
Zadanie 2.5.5
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 poszczególnych oporników.
Zależności:
I=
U
R
R = 3 · R1
129
U = 3 · U1
Dane:
R1 = 2 Ω
U=9V
Szukane:
U1 = ?
I= ?
Obliczenia:
R = 3·2 Ω = 6 Ω
I=
9V
6Ω
= 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 2.5.6
Podsumowanie
•
W połączeniu szeregowym przez zamknięty obwód elektryczny płynie prąd o natężeniu I. Jest
ono jednakowe w każdym miejscu układu szeregowego.
•
Napięcie między końcami układu szeregowego oporników jest równe sumie napięć miedzy
końcami każdego z nich.
•
Opór całkowity (zastępczy) R w połączeniu szeregowym jest sumą oporów poszczególnych
odbiorników: R = R1 + R2 + R3 + …
Praca domowa
Poszukaj w domu zestawu oświetlenia choinkowego.
a) Sprawdź, jak połączono lampki (szeregowo czy równolegle). Opisz i uzasadnij swoją metodę badawczą.
b) Na opakowaniu (lub urządzeniu sterującym lampkami) poszukaj informacji, do jakiego maksymalnego napięcia można je podłączyć i jakie może być maksymalne
natężenie płynącego w nich prądu. Następnie zanotuj te wielkości i oblicz opór
całkowity.
c) Sprawdź na opakowaniu lub oblicz, z ilu żarówek składa się łańcuch. Na podstawie otrzymanego wyniku oblicz opór jednej żarówki przy założeniu, że połączone
są szeregowo.
130
Zadanie 7
Na rysunku przedstawiono schemat połączenia trzech oporników.
Zadanie 8
131
Zadanie 2.5.9-10
Zadanie 11
Na rysunku przedstawiono schemat połączenia dwóch oporników R1 < R2.
132
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, 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;
133
•
podać definicję jednostki oporu elektrycznego – jednego oma (1 Ω).
Nauczysz się:
•
rozpoznawać na schematach i w praktyce połączenie równoległe odbiorników;
•
posługiwać się zależnościami między natężeniem, napięciem i oporem elektrycznym w połączeniu równoległym odbiorników;
•
rozwiązywać problemy i zadania dotyczące połączenia równoległego odbiorników prądu elektrycznego.
1. Połączenie równoległe – kilka słów o
podstawach teoretycznych
Natężenie prądu płynącego przez przewodnik podłączony do stałego źródła napięcia ma jednakową wartość w każdym miejscu przewodnika. Zastanówmy się, co dzieje się w sytuacji, w której
nastąpi rozgałęzienie przewodnika, czyli gdy będzie on doprowadzał prąd do urządzeń połączonych równolegle. Czy natężenie prądu również będzie miało identyczną wartość?
Punkt, w którym następuje rozgałęzienie, nazywane jest węzłem. Przepływ prądu oznacza, że do
węzła dopływa jakiś ładunek w jednostce czasu. Natężenie prądu dopływającego do węzła jest
równe I, a ładunek q = I · t. Z węzła wychodzą dwa przewody, w których natężenia prądu są różne.
Oznaczmy je I1 oraz I2, przy czym ładunki wypływające w jednostce czasu z węzła muszą w sumie
być równe ładunkowi q wpływającemu do węzła (zasada zachowania ładunku). Wynika z tego, że
suma natężeń prądów wypływających z węzła jest równa natężeniu prądu dopływającego do niego, czyli:
I = I1 + I2
134
Ilustracja 1. Prawo Kirchhoffa
Zależność ta nosi nazwę pierwszego prawa Kirchhoffa.
Prawo: pierwsze prawo Kirchhoffa
Suma natężeń prądów wpływających do dowolnego węzła jest równa sumie natężeń prądów
wypływających z tego węzła.
Sformułowanie, że odbiorniki są połączone równoległe, oznacza, iż są one połączone za pomocą
przewodów z dwóch stron, a napięcie jest przyłożone do pary połączonych końcówek. Oznacza to,
że napięcie między końcami oporników jest jednakowe i równe napięciu elektrycznemu źródła.
Oporniki połączone równolegle można zastąpić jednym równoważnym opornikiem R, do końców
którego przyłożona zostanie napięcie U i przez który przepływał będzie prąd o natężeniu I. Natężenie tego prądu będzie równe sumie natężeń prądów w opornikach połączonych równolegle.
Aby wyznaczyć wartość tego zastępczego oporu, posłużymy się schematem i poznanymi zależnościami między napięciem, natężeniem i oporem elektrycznym.
135
Ilustracja 2. Połączenie równoległe oporników
Zapisujemy pierwsze prawo Kirchhoffa dla obwodu:
(1) I = I1 + I2
Uwzględniamy zależność między napięciem (U) oraz natężeniem (I) i otrzymujemy:
(2) U = I · R
Przekształcamy wzór (2), dzieląc go przez opór (R), aby wyznaczyć natężenie:
(3) I =
U
R
Podstawiamy do równania (1) do zależność (3):
(4)
U
R
=
U
R1
+
U
R2
Równanie (4) dzielimy przez napięcie (U):
(5)
1
R
=
1
R1
+
1
R2
Ze wzoru (5) wynika, że suma odwrotności oporów poszczególnych elementów jest równa odwrotności oporu zastępczego. Równanie łatwiej będzie zrozumieć, gdy zapoznacie się z przykładem.
Przykład
Dwa oporniki o oporach R1 = 2 Ω i R2 = 3 Ω połączono równolegle. Oblicz opór zastępczy tych
oporników.
Zależność:
136
1
R
=
1
R1
+
1
R2
Dane:
R1 = 2 Ω
R2 = 3 Ω
Szukane:
R= ?
Obliczenia:
1
R
=
1
2Ω
+
1
3Ω
Sprowadzamy ułamki do wspólnego mianownika:
1
R
1
R
=
=
3
6Ω
5
6Ω
+
2
6Ω
Aby obliczyć opór zastępczy, należy postępować tak, jak w przypadku proporcji, czyli pomnożyć po przekątnych:
5·R = 1·6 Ω
/
:5
R = 1,2 Ω
Odpowiedź:
Opór zastępczy układu oporników wynosi R = 1,2 Ω.
Zadanie 1
Ilustracja 3. Prawo Kirchhoffa
137
Zadanie 2
Ilustracja 4. Połączenie równoległe - opór zastępczy
opornik zastępczy
Oporniki połączone równolegle można zastąpić jednym równoważnym opornikiem R
, który nazywa się opornikiem zastępczym. Do końców opornika zastępczego przyłożone jest napięcie U i płynie przez niego prąd o natężeniu I będący sumą natężeń
prądów w opornikach połączonych równolegle. Opór zastępczy w połączeniu równoległym oblicza się za pomocą wzoru:
1
R
=
1
R1
+
1
R2
+ …
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=
U
R
Dane:
R1 = 20 Ω
R2 = 30 Ω
U=6V
138
Szukane:
I1 = ?
I2 = ?
Obliczenia:
I1 =
6V
20 Ω
= 0,3 A
I2 =
6V
30 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 2.6.3
Przykład
Na podstawie danych zawartych na schemacie obwodu elektrycznego oblicz, jakie będą
wskazania mierników. Amperomierz A1 wskazuje 0,5 A.
Ilustracja 5. Połączenie równoległe
Zależności:
I=
U
R
Dane:
139
R1 = 6 Ω
R2 = 10 Ω
I1 = 0,5 A
Szukane:
I= ?
I2 = ?
U= ?
Obliczenia:
U = 0,5 A · 6 Ω = 3 V
I2 =
3V
10 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 4
140
Przykład
Na podstawie schematu obwodu elektrycznego oblicz:
a) napięcie wytwarzane przez baterię.
b) natężenie prądu płynącego przez opornik R.
c) opór opornika R.
Zależności:
U = I 1 · R1
I = I1 + I2
R=
U
I2
Dane:
I = 0,4 A
I1 = 0,3 A
R1 = 100 Ω
Szukane:
U= ?
I2 = ?
R= ?
Obliczenia:
U = 0,3 A · 100 Ω = 30 V
0,3 A + I2 = 0,4 A
I2 = 0,4 A − 0,3 A = 0,1 A
R=
30 V
0,1 A
= 300 Ω
141
Przykład
Odpowiedź:
Bateria wytwarza napięcie 30 V. Natężenie prądu płynącego przez opornik R jest równe 0,1 A
. Opór opornika wynosi 300 Ω.
Zadanie 5
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 poszczególnych
opornikach mają taką samą wartość.
Odwrotność oporu całkowitego (zastępczego R) w połączeniu równoległym odbiorników obliczamy, dodając do siebie odwrotności opory poszczególnych odbiorników (Rn).
•
1
R
=
1
R1
+
1
R2
+ …
142
Praca domowa
W różnych instalacjach elektrycznych znajdują się bezpieczniki. Wyszukaj w dostępnych
Ci źródłach (książki, Internet), jaką rolę pełni bezpiecznik w instalacji? Opisz, jak on działa.
Biogram
Biogram
Gustaw Robert Kirchhoff
Ilustracja 9. Gustaw Robert
Kirchhoff
Data urodzenia:
12.03.1824
Miejsce urodzenia:
Królewiec
Data śmierci:
17.10.1887
Miejsce śmierci:
Berlin
Gustaw Robert Kirchhoff (1824–1887) był niemieckim fizykiem o szerokich zainteresowaniach badawczych. Jest współtwórcą analizy spektralnej, czyli określania składu chemicznego np. mieszaniny pierwiastków poprzez analizę światła emitowanego przez substancje o wysokiej temperaturze. W 1845 r. opublikował prawa dotyczące przepływu prądu elektrycznego, poszerzając tym samym odkrycia Georga Ohma.
Zadanie 2.6.6
143
Zadanie 7
Zadanie 2.6.8-9
144
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).
145
Nauczysz się:
•
posługiwać się zależnością między pracą prądu elektrycznego, napięciem elektrycznym, natężeniem i czasem;
•
przeliczać kilowatogodziny na dżule i dżule na kilowatogodziny;
•
obliczać koszt zużytej energii elektrycznej;
•
rozwiązywać zadania i problemy dotyczące pracy prądu elektrycznego.
1. Praca prądu elektrycznego
Z lekcji poświęconej zjawisku przepływu prądu elektrycznego wiesz, że poruszające się pod wpływem napięcia elektrony w wyniku uderzeń w atomy i inne elektrony w przewodniku będą traciły
energię. Prąd przestanie płynąć. Aby utrzymać przepływ prądu, musimy cały czas dostarczać energię elektronom w przewodniku. Oznacza to, że napięcie elektryczne jest potrzebne cały czas, a
jego źródło musi dostarczać energię dryfującym elektronom, aby prąd mógł płynąć w obwodzie.
Na lekcji poświęconej napięciu elektrycznemu poznałeś definicję napięcia. Wynika z niej, że napięcie elektryczne między końcami przewodnika jest równe stosunkowi pracy W wykonanej podczas
przenoszenia ładunku q między końcami przewodnika do tego ładunku:
U=
W
q
Wynika z tego dalej, że jeśli znamy wartość napięcia pomiędzy końcami przewodnika, potrafimy
obliczyć pracę wykonywaną przez prąd elektryczny.
W = U·q
Jak zapewne pamiętasz, na pierwszej lekcji poświęconej przepływowi prądu elektrycznego zdefiniowaliśmy wielkość zwaną natężeniem prądu:
I=
q
t
gdzie:
I – natężenie prądu elektrycznego,
q – ładunek, jednostka kulomb – C,
Z tej definicji wynika, że ładunek, jaki przepływa w czasie t, może być obliczony z zależności:
q = I·t
Z powyższych wyliczeń można wysnuć wniosek, że praca, jaką wykonuje źródło napięcia, jest równa W = U · q = U · I · t
146
Jednostką pracy w układzie SI jest dżul, symbol J. Jednak dla określania pracy prądu elektrycznego
jest ona za mała. Stosuje się inną jednostkę – kilowatogodzinę, symbol kWh.
kilowatogodzina
– energia zużyta przez urządzenie o mocy 1 000 W (czyli 1 kilowata) w czasie 1 godziny.
Sprawdźmy, ile dżuli ma jedna kilowatogodzina.
6
1 kWh = 1 000 W · 1 h = 1 000 W · 3 600 s = 3 600 000 J = 3,6 · 10 J = 3,6 MJ
Widać więc, że dżul w porównaniu z kilowatogodziną jest niewielką jednostką.
Zapamiętaj
1 kWh = 3, 6 MJ
Ciekawostka
James Prescott Joule (1818–1889) był angielskim fizykiem, uczniem Johna Daltona.
Joule prowadził badania nad ciepłem i odkrył jego związek z energią mechaniczną.
To odkrycie pozwoliło mu na sformułowanie prawa zachowania energii oraz pierwszego prawa termodynamiki. W wyniku prowadzonych obserwacji dotyczących ciepła i przepływu prądu odkrył związek między natężeniem prądu płynącego przez
opornik i ciepłem na nim wydzielanym. Pracował także z Lordem Kelvinem nad tzw.
absolutną skalą temperatur.
147
Ilustracja 1. James Prescoult Joule
Zadanie 2.7.1-3
2. Praca prądu elektrycznego – rozwiązywanie
zadań
Przykład
Mama Kasi używa odkurzacza o mocy 2 000 W średnio przez 8 h w miesiącu. Oblicz pracę,
jaką wykonuje odkurzacz w ciągu miesiąca. Wynik podaj w dżulach i kilowatogodzinach.
Zależność:
W = P·t
Dane:
P = 2000 W = 2 kW
148
t = 8 h = 8 · 3600 s = 28800 s
Szukane:
W= ?
Obliczenia:
W = 2 000 W · 28 800 s = 57 600 000 J = 57,6 MJ
W = 2 kW · 8 h = 16 kWh
Odpowiedź:
Odkurzacz wykonuje pracę 57,6 MJ, czyli 16 kWh.
Zadanie 2.7.4
Przykład
Żarówka latarki kieszonkowej jest zasilana z baterii o napięciu 4,5 V a natężenie płynącego
prądu wynosi 0,05 A. Oblicz energię elektryczną zużytą przez latarkę 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 2.7.5
Przykład
Pralka o mocy 1 500 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=4h
149
Szukane:
W= ?
W = P·t
Obliczenia:
W = 1,5 kW · 4 h = 6 kWh
6 · 0,60 zł = 3,60 zł
Odpowiedź:
Koszt energii elektrycznej zużytej przez pralkę wynosi 3,60 zł.
Zadanie 2.7.6
Przykład
W domowej instalacji elektrycznej urządzenia są połączone równolegle. Na podstawie danych zawartych w tabeli oblicz ilość zużytej energii elektrycznej przez wszystkie urządzenia.
Jaki jest koszt zużytej energii elektrycznej w ciągu doby? Przyjmij, że cena 1 kWh wynosi
60 groszy.
Tabela 1. Tabela mocy wybranych urządzeń domowych
Urządzenie
Moc (kW)
Czas pracy w ciągu doby (h)
Czajnik elektryczny
1,0
0,5
Żarówki
2,0
6
Lodówka
0,3
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
150
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
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 używana jest kilowatogodzina, symbol
kWh.
•
Jedna kilowatogodzina jest równa energii elektrycznej zużytej przez odbiornik energii elektrycznej o mocy 1kW w ciągu 1 godziny. Jest ona równa 3,6 megadżuli:
1 kWh = 3,6 MJ
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.
b) Wypełnij formularz i wydrukuj
Ilość zużytej energii: ............................ kWh
Cena 1 kWh: ................. zł
Kwota do zapłaty: .....................zł
151
Obliczony koszt: ........................ zł
Wyjaśnienie:
...................................................................................
...................................................................................
...................................................................................
...................................................................................
2 Zastanów się, które urządzenie codziennego użytku jest najdłużej włączone (z wyjątkiem lodówki). Oszacuj, ile godzin (minut) ono pracuje. Odczytaj jego moc i oblicz miesięczny koszt zużytej przez nie energii elektrycznej. Przyjmij cenę 1kWh odczytaną z rachunku.
Zadanie 2.7.7-10
152
Moc prądu elektrycznego
2.8. Moc prądu elektrycznego
Wiesz już, że taka sama praca może być wykonywana w różnym czasie. Wielkością fizyczną, która opisuje, jak szybko wykonujemy pracę,
jest moc.
Uważny obserwator oglądając urządzenia elektryczne, może dostrzec na ich tabliczkach znamionowych zestawy danych, które opisują parametry eksploatacyjne takich urządzeń. Jednym z nich jest
moc. Wiesz już, że moc to szybkość wykonywania pracy, lecz co to
tak naprawdę oznacza w przypadku silnika elektrycznego? Czym jest
moc prądu elektrycznego?
Już potrafisz:
•
Podać definicję napięcia elektrycznego i jego jednostki – jednego wolta (1 V);
•
Podać definicję natężenia prądu i jego jednostki – jednego ampera (1 A);
•
Sformułować prawo Ohma.
153
Nauczysz się:
•
posługiwać się zależnością między mocą, napięciem elektrycznym i natężeniem;
•
rozwiązywać zadania i problemy dotyczące mocy prądu.
1. Moc prądu elektrycznego
Na wielu urządzeniach elektrycznych codziennego użytku znajdują się napisy dotyczące ich mocy.
Jak zwykle moc (P) informuje o pracy (W) wykonywanej przez urządzenie w jednostce czasu (t):
P=
W
t
Zastanówmy się, czym jest moc prądu elektrycznego. W tym celu rozważymy obwód elektryczny
składający się ze źródła prądu, przewodów i dowolnego elementu. Tym elementem może być
opornik, akumulator, silnik itp.
Ilustracja 1. Moc prądu w obwodzie
154
Oprócz informacji o mocy urządzenia elektryczne mają podane napięcie elektryczne, przy którym
pracują. W jaki sposób te dwie wielkości są ze sobą związane? Z poprzednich lekcji wiemy, że napięcie U między końcami danego odbiornika energii elektrycznej definiowane jest w następujący
sposób:
U=
W
q
Gdzie W jest pracą wykonywaną przez źródło napięcia w celu przeniesienia ładunku elektrycznego
q wzdłuż przewodnika.
Ładunek q może być obliczony z zależności (również poznanej na pierwszej lekcji w tym dziale):
q = I·t
A zatem: W = P · t ; W = U · q, a q = I · t. Łącząc te zależności otrzymamy:
W = P·t = q·U = U·I·t
Z powyższej zależności otrzymamy łatwo (dzieląc obie strony równania przez t), że P = U · I
moc prądu elektrycznego
– ilość energii przekazywanej w jednostce czasu ze źródła do opornika; wyznaczamy
ją ze wzoru:
P = I·U
gdzie:
I – natężenie, a U – napięcie elektryczne.
Jednostką mocy w układzie SI jest jeden wat (1 W).
( )( )
J
C
J
1 W = 1 V · A = 1C · 1 s = 1s
Często używane są wielokrotności tej jednostki, czyli kilowat (kW) – 1 000 watów i megawat (MW) –
1 milion watów. Ta ostatnia jednostka stosowana jest najczęściej przy opisie mocy wytwarzanych
w elektrowniach.
155
Moc żarówki
CEL:
Wyznaczenie mocy żarówki elektrycznej przy napięciu znamionowym (odczytanym na oprawce żarówki).
•
żarówka (np. z latarki kieszonkowej);
•
•
przewody;
miernik uniwersalny;
•
bateria.
INSTRUKCJA:
1. Zbuduj obwód według poniższego schematu.
Ilustracja 2. Moc żarówki
2. Zmierz wartości napięcia i natężenia prądu elektrycznego w obwodzie.
3. Oblicz moc żarówki.
156
4. Pomiary powtórz trzykrotnie.
PODSUMOWANIE:
Porównaj uzyskany wynik z mocą zapisaną na żarówce. Sporządź notatkę.
Tabela 1. Wyznaczenie mocy żarów-
ki od przy napięciu znamionowym
Nr pomiaru
U, V
I, A
P, W
1
2
3
Wartość średnia
•
•
•
Wyznaczona moc żarówki: ..............
Odczytana nominalna moc żarówki: ..............
Podsumowanie doświadczenia: ..............
Ciekawostka
Odkurzacz z napisem 2000 W wykona pracę 2000 J w czasie 1 sekundy, a odkurzacz
o mocy 2500 W w tym samym czasie wykona pracę równą 2500 J. Jeśli kupisz odkurzacz o mocy 2500 W, zaoszczędzisz na czasie, ponieważ szybciej pracuje. Ale czy
takie rozwiązanie jest tańsze?
Elektryczna energia potencjalna może zamienić się na energię mechaniczną, chemiczną lub ciepło
w zależności od elementu znajdującego się w obwodzie. Jeśli do źródła prądu podłączony zostanie
silnik, to nastąpi zamiana w energię mechaniczną. Jeśli tym elementem jest akumulator (podłączony w celu naładowania), to energia jest zamieniana na energię chemiczną. W przypadku
opornika energia zamieni się na energię wewnętrzną (co będzie prowadziło do wzrostu jego temperatury).
Dla odbiornika o oporze R, na którym wydziela się ciepło, np. opornika lub żarówki, można po-
157
łączyć wzory na napięcie i moc:
U = I·R i P = I·U
W rezultacie możemy otrzymać jedną z dwu możliwych zależności:
2
P = I·U = I·I·R = I ·R
lub
P = I·U =
U
R
·U =
2
U
R
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 to jest dostarczane tak szybko, że
nie ma ono czasu na emisję tego ciepła do otoczenia. Następuje zatem gwałtowny
wzrost temperatury włókna żarowego. Jeśli temperatura jest wystarczająco wysoka,
drut zaczyna się żarzyć i emituje światło. Szacuje się, że około 10% energii rozproszonej w żarówce jest zamieniana na światło, a reszta na ciepło (które przyczynia
się do wzrostu temperatury drucika). Spora ilość energii wysyłana jest przez żarówkę do otoczenia.
158
Ilustracja 3. Moc prądu w obwodzie
Przykład
Prąd o natężeniu 3 A przepływa przez piekarnik elektryczny pracujący pod napięciem 230 V.
Oblicz moc piekarnika.
Zależności:
P = U·I
Dane:
I=3A
U = 230 V
Szukane:
P= ?
Obliczenia:
P = 230 V · 3 A = 690 W
Odpowiedź:
Moc kuchenki jest równa 690 W.
Zadanie 2.8.1
159
Przykład
Żarówka o mocy 100 W jest włączona do sieci o napięciu 230 V. Oblicz natężenie prądu,
jaki przez nią płynie. Jeśli żarówka zamienia 10% pobieranej energii na światło, to ile energii
świetlnej emituje w czasie 1 sekundy?
Zależności:
/
P = I·U
I=
P=
:U
P
U
/ ·t
W
t
W = P·t
Dane:
P = 100 W
U = 230 V
t=1s
Szukane:
I= ?
W= ?
Obliczenia:
I=
100 W
230 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 nią w formie światła w czasie 1 s wynosi 10 J.
Zadanie 2.8.2
Przykład
Spirala grzejna piekarnika o oporze 25 Ω jest zasilana z sieci domowej o napięciu 230 V. Oblicz moc grzałki w piekarniku.
Zależności:
P=
2
U
R
P = U·I
160
I=
U
R
Uwaga: Zadanie może być rozwiązane poprzez zastosowanie bezpośrednio zależności
pierwszej lub poprzez obliczenie wartości najpierw natężenia prądu (z prawa Ohma), a następnie mocy z zależności: P = U · I .
Dane:
R = 23 Ω
U = 230 V
Szukane:
P= ?
Obliczenia – 1. sposób:
P=
(230 V)
23 Ω
2
=
25 900
23
W = 2300 W
Obliczenia – 2. sposób:
Natężenie prądu jest równe I =
U
R
=
230 V
23
= 10 A
Moc P = U · I = 230 V · 10 A = 2300 W
Odpowiedź:
Moc grzałki w piekarniku jest równa 2 300 W.
Zadanie 2.8.3
Podsumowanie
•
Moc prądu elektrycznego (P) informuje o ilości energii elektrycznej (W) przekazanej elementowi obwodu elektrycznego w jednostce czasu (t):
P=
•
W
t
Moc prądu elektrycznego obliczamy, mnożąc napięcie elektryczne (U) przez natężenie prądu
elektrycznego (I).
P = U·I
Praca domowa
1 Żarówki o parametrach 60 W, 230 V i 100 W, 230 V połączono szeregowo i dołączono
do źródła prądu elektrycznego o napięciu 230 V. Oblicz moc pojedynczych żarówek oraz
moc całego układu.
161
2 Elektryczny ogrzewacz wody o pojemności 10 litrów wyposażony jest w grzałkę o
mocy 2,0 kW. Grzałka podłączona do źródła prądu o napięciu 230 V w ciągu 25 minut
ogrzewa wodę o 60°C.
a. Oblicz opór grzałki.
b. Oblicz, ile ciepła zostanie przekazane otoczeniu podczas ogrzewania wody, przyjmując, że ciepło właściwe wody jest równe
4200 J
.
kg · K
Zadanie 2.8.4-7
162
Wyznaczanie oporu elektrycznego i mocy wydzielanej w oporniku zasilanym z baterii. Niepewności pomiarów
2.9. Wyznaczanie oporu elektrycznego i mocy
wydzielanej w oporniku zasilanym z baterii.
Niepewności pomiarów
Czasem warto sprawdzić doświadczalnie, czy odbiornik energii elektrycznej ma taki opór, jaki wskazują oznaczenia, i czy wydzielana na
nim moc jest zgodna z opisem urządzenia. Warto także wiedzieć, jaka jest niepewność otrzymanych wyników .
Już potrafisz:
•
posługiwać się jednostkami napięcia elektrycznego – woltami [1 V], jednostkami
natężenia prądu – amperami [1 A] i mocy – watami [1 W] oraz oporu elektrycznego – omami [1 Ω];
•
podawać definicje 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.
163
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;
•
obliczać maksymalną niepewność pomiarową.
1. Wyznaczenie oporu elektrycznego i mocy
wydzielanej w oporniku
Krótkie przypomnienie:
Prawo Ohma opisuje zależność między natężeniem prądu (I) płynącym w przewodniku a napięciem (U) przyłożonym między końcami tego przewodnika. Napięcie mierzy się w woltach (V), a
natężenie w amperach.
Zależność ta przedstawia się następująco:
I=
1
R
·U
We wzorze R oznacza opór elektryczny, a jego jednostką jest om (Ω). Z prawa Ohma wynika, że
miarą oporu przewodnika jest stosunek napięcia miedzy końcami przewodnika do natężenia płynącego w nim prądu:
R=
U
I
Aby wyznaczyć wartość oporu elektrycznego żarówki, trzeba zatem zmierzyć wartości napięcia i
natężenia prądu przy użyciu odpowiednich mierników.
Amperomierz to przyrząd służący do pomiaru natężenia prądu. Aby tego pomiaru dokonać, prąd
musi przepływać przez miernik, dlatego amperomierz podłącza się szeregowo do obwodu. Prawidłowy pomiar natężenia prądu jest możliwy dzięki temu, że amperomierz ma bardzo mały opór
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 prąd o dużym natężeniu, co
zmieniałoby wartości wielkości fizycznych w obwodzie.
164
Przypomnijcie sobie, w jaki sposób można wyznaczyć opór elektryczny opornika (takie doświadczenie juz przeprowadzaliscie na jednej z poprzednich lekcji. Pomocne w prawidłowych rozważaniach będą poniższe ćwiczenia.
Zadanie 2.9.1
Kolejnym etapem jest wykonanie pomiarów i wyznaczenie oporu elektrycznego odbiornika energii elektrycznej.
Za pomocą tego samego zestawu doświadczalnego możesz wyznaczyć moc żarówki. Gdy znasz
napięcie (U) i natężenie (I), możesz obliczyć moc (P):
Wzór do zagadnienia: moc
P = U·I
Jednostką mocy jest wat (W). Przypomnijcie sobie z poprzedniej lekcji, w jaki sposób wyznacza się
moc żarówki.
Dzięki pomiarowi napięcia elektrycznego i natężenia prądu można wyznaczyć dwie wielkości fizyczne – opór elektryczny i moc badanego odbiornika energii. Pozyskane dane mogą posłużyć
także w dalszym określaniu zależności między wielkościami fizycznymi, także w postaci wykresów.
Tak będzię np. między oporem żarówki a przyłożonym do niej napięciem lub między mocą
urządzenia a przyłożonym do niego napięciem. Pytania można mnożyć, a na podstawie wyników
badań formułować odpowiedzi. Analiza otrzymanych wyników pomiarów może przyczynić się do
znalezienia nowych zależności międy wielkościami fizycznymi.
Zadanie 2.9.2
Zadanie 2.9.3
165
Zadanie 2.9.4
Doświadczenie 1
CEL:
Wyznaczenie oporu elektrycznego i mocy żarówki.
•
•
•
•
•
•
•
•
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:
1. Zbuduj obwód elektryczny składający się z: przewodów, żarówki
(opornika), amperomierza i woltomierza.
2. Listewki połącz ze sobą taśmą klejącą tak, aby utworzyły „korytko”
na baterie.
3. Odczytaj dokładność pomiarową używanych przez ciebie mierników.
4. Narysuj schemat układu doświadczalnego.
5. Sporządź tabelkę, w której umieścisz wyniki pomiarów. Wystarczą
trzy pomiary.
166
Tabela 1. Doświadczenie – wyniki pomiarów
Nr pomiaru
U, V
I, A
R, Ω
P = U · I, W
1
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 wyznaczony opór czy moc są obarczone niepewnością. Największą wartość oporu uzyskamy, gdy do zależności R =
U
I
wstawimy największą war-
tość 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. Na podstawie tej zależności i opisanego wyżej sposobu wyznaczenia minimalnej i maksymalnej wartości oporu oblicz minimalną i maksymalną wartość wyznaczonej mocy.
167
Zanim przystąpisz do wyznaczania przedziału, w którym znajdują się otrzymane w wyniku pomiarów wartości oporu i mocy żarówki, przeanalizuj poniższy przykład:
Przykład
Załóżmy, że podczas doświadczenia odczytano wskazania woltomierza U = 12,5 V i amperomierza I = 340 mA. Oznacza to wartość oporu R = 36,8 Ω i mocy żarówki P = 4,25 W.
Mierniki, jakich używano, miały dokładność ± 0,1 V i ± 2 mA. Oznacza to, że napięcie ma wartość w przedziale od 12,4 V do 12,6 V, a natężenie prądu ma wartość w przedziale od 0,338 A
do 0,342 A.
Opór obliczamy z zależności R =
U
,
I
czyli największą możliwą wartość oporu otrzymamy dzie-
ląc U = 12,6 V przez natężenie prądu I = 0,338 A. Daje to wartość oporu Rmax około 37,3 Ω.
Obliczenie minimalnej wartości oporu daje Rmin około
36,5 Ω. Maksymalną moc obliczamy mnożąc maksymalne wartości natężenia prądu i napięcia, co daje Pmax = 4,31 W. Obliczenia minimalnej mocy dają wynik Pmin = 4,19 W.
Ostatecznie możemy zapisać, że opór żarówki wynosi R = 36,8 Ω ± 0,5 Ω, natomiast moc żarówki to P = 4,25 W ±0,05 W.
Sprawdźcie wszystkie etapy powyższych obliczeń. Następnie przeprowadźcie taką samą analizę
własnych wyników.
Niepewność pomiaru
Wiadomo, że wobec różnych wartości pomiarów wyznaczony opór czy moc są obarczone niepewnością. Największą wartość oporu uzyskamy, gdy do zależności R =
U
I
wstawimy najwięk-
szą 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. Na podstawie tej zależności i opisanego wyżej
sposobu wyznaczenia minimalnej i maksymalnej wartości oporu oblicz minimalną i maksymalną wartość wyznaczonej mocy.
Zanim przystąpisz do wyznaczania przedziału, w którym znajdują się otrzymane w wyniku
pomiarów wartości oporu i mocy żarówki, przeanalizuj poniższy przykład:
Załóżmy, że podczas doświadczenia odczytano wskazania woltomierza U = 12,5 V i amperomierza I = 340 mA. Oznacza to wartość oporu R = 36,8 Ω i mocy żarówki P = 4,25 W.
Mierniki, jakich używano, miały dokładność ± 0,1 V i ± 2 mA. Oznacza to, że napięcie ma wartość w przedziale od 12,4 V do 12,6 V, a natężenie prądu ma wartość w przedziale od 0,338 A
do 0,342 A.
168
Opór obliczamy z zależności R =
U
I
czyli największą możliwą wartość oporu otrzymamy dzie-
ląc U = 12,6 V przez natężenie prądu I = 0,338 A. Daje to wartość oporu Rmax około 37,3 Ω.
Obliczenie minimalnej wartości oporu daje Rmin około
36,5 Ω. Maksymalną moc obliczamy mnożąc maksymalne wartości natężenia prądu i napięcia co daje Pmax= 4,31 W. Obliczenia minimalnej mocy dają wynik Pmin = 4,19 W.
Ostatecznie możemy zapisać, że opór żarówki wynosi R = 36,8 Ω ± 0,5 Ω, natomiast moc żarówki to P = 4,25 W ±0,05 W.
Uwaga: sprawdźcie wszystkie etapy powyższych obliczeń. Następnie przeprowadźcie taką samą analizę własnych wyników.
Podsumowanie
•
Aby wyznaczyć opór elektryczny i moc żarówki (lub innego elementu), trzeba zbudować obwód elektryczny składający się z: przewodów elektrycznych, baterii, żarówki (lub innego elementu), amperomierza i woltomierza. Następnie należy dokonać pomiaru napięcia i natężenia prądu. Na podstawie uzyskanych wyników doświadczalnych wyznaczymy opór i moc.
•
Opór elektryczny (R) oblicza się, dzieląc napięcie (U) przez natężenie (I), czyli ze wzoru:
R=
•
•
U
I
Moc (P) oblicza się, mnożąc napięcie (U) przez natężenie (I), czyli ze wzoru:
P = U·I
Po obliczeniu oporu lub mocy należy uwzględnić niepewność pomiarową związaną między
innymi z dokładnością użytych mierników.
Praca domowa
1 Dwa oporniki o oporach R1 = 10 Ω i R2 = 20 Ω połączono równolegle i podłączono do
napięcia U = 30 V. Do obwodu włączono amperomierz tak, że umożliwia pomiar całkowitego natężenia prądu płynącego w obwodzie.
1. Narysuj schemat tego układu.
2. Oblicz natężenie prądu płynącego przez każdy z oporników i wskazania amperomierza.
3. Oblicz moc wydzielaną w każdym z oporników.
2 Te same dwa oporniki połączono szeregowo i podłączono do napięcia 30 V. Podłączono również odpowiednio amperomierz.
1. Narysuj schemat tego układu.
2. Oblicz natężenia prądu płynącego przez każdy z oporników i wskazania amperomierza.
3. Oblicz moc wydzielaną w każdym z oporników.
4. Oblicz napięcie między końcami każdego z oporników.
169
Słowniczek
niepewność pomiarowa
– miara rozrzutu wyników serii pomiarów danej wielkości fizycznej. Nazywana jest
też błędem pomiarowym. Przy obliczaniu niepewności pomiarowej należy uwzględnić
między innymi: błędy obserwatora podczas odczytywania wskazań przyrządów analogowych, dokładności przyrządów pomiarowych (każdy przyrząd ma określoną najmniejszą podziałkę) oraz zbyt małą liczbę pomiarów.
opór elektryczny
– stosunek napięcia przyłożonego między jego końcami do natężenia płynącego
przez niego prądu.
wat (W)
– jednostka mocy w układzie SI.
170
Podsumowanie wiadomości o elektryczności
2.10. Podsumowanie wiadomości o elektryczności
Ten dział poświęciliśmy zjawisku prądu elektrycznego. Opisaliśmy
mikroskopowy obraz tego zjawiska, zdefiniowaliśmy natężenie
prądu i jego jednostkę – amper. Zwróciliśmy uwagę na napięcie elektryczne, które jest niezbędne do wywołania prądu. Sformułowaliśmy
podstawowe prawo przepływu prądu – prawo Ohma – i zdefiniowaliśmy pojęcie oporu elektrycznego. Nauczyliśmy cię budowania prostych obwodów elektrycznych, tworzenia i interpretowania ich schematów oraz posługiwania się miernikiem uniwersalnym, który może
pełnić funkcję amperomierza lub woltomierza. Przybliżyliśmy ci pojęcie energii elektrycznej, czyli pracy prądu elektrycznego, oraz mocy tegoż prądu. Umiesz już obliczać te wielkości zarówno w jednostkach układy SI, jak i tych spoza tego układu, ale powszechnie w Polsce stosowanych.
171
1. Natężenie prądu elektrycznego
Ilustracja 1. Uproszczony rysunek symbolizujący mikroskopowy obraz prądu elektrycznego
1. Prąd elektryczny – uporządkowany (ukierunkowany) ruch cząstek obdarzonych ładunkiem
elektrycznym. Cząstki te nazywamy nośnikami prądu. W metalach nośnikami prądu są elektrony.
2. Natężenie prądu – ilość ładunku przeniesiona przez poprzeczny przekrój przewodnika w
ciągu jednej sekundy. Możemy to zapisać wzorem:
I=
q
t
gdzie:
q – wartość ładunku, który przepłynął przez poprzeczny przekrój przewodnika;
t – czas, w którym ten ładunek przepłynął.
3. 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):
1A=
1C
1s
4. Natężenie prądu mierzy się amperomierzem lub miernikiem uniwersalnym ustawionym
na tryb pracy amperomierza.
5. Amperomierz łączymy szeregowo z tym elementem obwodu, dla którego chcemy zmierzyć
płynący przezeń prąd.
6. Prąd stały to taki, który ma stałą wartość natężenia i niezmienny kierunek przepływu.
2. Napięcie elektryczne
172
Ilustracja 2. Symbol wysokiego napięcia elektrycznego
1. Napięcie elektryczne między dwoma punktami – czynnik wywołujący przepływ prądu, tak
jak różnica wysokości wywołuje przepływ wody. Liczbowo równe jest pracy wykonanej podczas przenoszenia ładunku jednostkowego między tymi punktami przewodnika
2. Źródłami napięcia stałego są baterie (akumulatory), które zamieniają energię reakcji chemicznych na energię elektryczną (ładunki ujemne rozdzielane są od dodatnich w wyniku reakcji chemicznych).
3. Jednostką napięcia elektrycznego w układzie SI jest wolt, symbol – V.
4. Napięcie między dwoma punktami obwodu wynosi 1 wolt (1 V), jeśli do przemieszczenia
między tymi punktami ładunku 1 kulomba (1 C) trzeba wykonać pracę 1 dżula (1 J):
1V=
1J
1C
5. Napięcie elektryczne mierzymy woltomierzem lub miernikiem uniwersalnym ustawionym
na tryb pracy woltomierza.
6. Woltomierz łączymy równolegle z tym elementem obwodu, na końcach którego chcemy
zmierzyć napięcie.
3. Prawo Ohma
173
Ilustracja 3. Rysunek ilustrujący w sposób zabawny ale poprawny merytorycznie treść prawa
Ohma
1. Prawo Ohma:
Natężenie prądu jest wprost proporcjonalne do napięcia przyłożonego do końców przewodnika, co możemy zapisać wzorem:
I=
U
R
lub
I=
1
R
· U,
gdzie stała R – oznacza opór przewodnika.
2. Opór elektryczny jest wielkością charakterystyczną przewodnika, zależy od jego długości,
grubości oraz rodzaju materiału, z którego został wykonany.
3. Jednostką oporu elektrycznego w układzie SI jest om, symbol – Ω.
4. Przewodnik ma opór 1 oma (1 Ω), jeśli przyłożone do jego końców napięcia 1 wolta (1 V) wywoła w nim prąd o natężeniu 1 ampera (1 A):
1Ω=
1V
1A
5. Wykresem zależności natężenia prądu (I) płynącego przez opornik (R) od napięcia (U) na
końcach tego opornika jest linia prosta. Kąt nachylenia prostej zależy od oporu R: im większy kat nachylenia, tym mniejszy opór.
174
Ilustracja 4. Rysunek przedstawia jakościowe charakterystyki prądowo-napieciowe dwóch oporników omowych o oporach R1 i R2 , przy czym R1 < R2..
4. Obwody prądu elektrycznego
Ilustracja 5. Zdjęcie prostego obwodu elektrycznego
1. Obwodem elektrycznym nazywamy zestaw przewodników, źródeł napięcia, włączników,
wyłączników, oporników i innych odbiorników energii elektrycznej (takich jak żarówka, silnik
elektryczny, grzałka) połączonych w sposób umożliwiający przepływ prądu.
175
2. Z obwodów elektrycznych zbudowane jest każde urządzenie elektryczne lub elektroniczne
(telewizor, komputer, lodówka, pralka), a także fragmenty układu nerwowego człowieka i innych organizmów żywych.
5. Schemat obwodu elektrycznego
Ilustracja 6. Rysunek schematu elektrycznego
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:
176
Ilustracja 7. Elementy obwodu elektrycznego i ich symbole
6. Szeregowe łączenie oporników
Ilustracja 8. Uproszczony schemat kilku oporników połączonych szeregowo
177
1. Przez wszystkie oporniki połączone szeregowo płynie prąd o takim samym natężeniu:
I1 = I2 = I3 = ... = I
2. 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
3. Opór całkowity (zastępczy) oporników połączonych szeregowo jest sumą oporów poszczególnych oporników:
Rszer. = R1 + R2 + R3 + ... + Rn
4. Uszkodzenie jednego z odbiorników połączonych szeregowo uniemożliwia przepływ prądu
w pozostałych.
7. Równoległe łączenie oporników
Ilustracja 9. Uproszczony schemat kilku oporników połączonych równolegle
1. Natężenie prądu płynącego przez układ oporników połączonych równolegle jest sumą natężeń prądów płynących przez poszczególne oporniki:
I = I1 + I2 + I3 + ... + In
2. Napięcie przyłożone do układu oporników połączonych równolegle i napięcie na każdym
oporniku mają taką samą wartość:
U1 = U2 = U3 = ... = U
3. Odwrotność oporu całkowitego (zastępczego) w połączeniu równoległym obliczamy, dodając do siebie odwrotności oporów poszczególnych odbiorników:
1
Rrówn.
=
1
R1
+
1
R2
+
1
R3
+ …
178
4. Uszkodzenie jednego z odbiorników połączonych równolegle nie zakłóca przepływu prądu
w pozostałych, dlatego odbiorniki energii elektrycznej w instalacji domowej połączone są
równolegle.
8. Moc prądu elektrycznego
Ilustracja 10. Zdjęcie urządzenia elektrycznego wraz z napisem informującym o jego mocy
1. Moc prądu elektrycznego (P) – ilość energii elektrycznej (W) przekazanej elementowi obwodu elektrycznego w jednostce czasu (t):
P=
W
t
2. Moc prądu elektrycznego równa jest iloczynowi napięcia elektrycznego (U) i natężenia
prądu elektrycznego (I) wywołanego tym napięciem:
P = U · I,
a po uwzględnieniu prawa Ohma
(
U
I
)
=R,P=
2
U
R
2
lub P = I · R
3. Napis „2000 W, 230 V” na urządzeniu elektrycznym oznacza, że jeśli urządzenie to podłączymy do napięcia 230 woltów, to płynący przez nie prąd spowoduje wydzielenie mocy 2000
watów.
9. Praca prądu elektrycznego
179
Ilustracja 11. Zdjęcie fragmentu licznika energii elektrycznej
1. Prąd płynący przez urządzenie elektryczne czerpie energię ze źródła napięcia (baterii, akumulatora, elektrowni). Kosztem tej energii wykonuje pracę mechaniczną lub zamienia ją na
inne formy energii (energia cieplna, światło, dźwięk itp.).
2. Ilość pobranej energii jest równa pracy wykonanej przez prąd, co możemy zapisać symbolicznie:
Wprądu=Eelektryczna
3. Wartość pracy prądu płynącego w urządzeniu o mocy (P) obliczamy, mnożąc tę moc przez
czas t pracy urządzenia:
Wprądu = P · t
4. Jeśli moc urządzenia wyrazimy w kilowatach (kW), a czas w godzinach (h), to otrzymamy
jednostkę pracy (energii) zwaną kilowatogodziną (kWh).
1 kWh = 1 kW · 1 h
Jednostka ta nie należy do układu SI.
5. Przeliczenie kilowatogodziny na jednostki układu SI czyli dżule:
1 kWh = 1 kW · 1h = 1000 W · 3 600 s = 3600 000 W · s = 3 600 000 J = 3,6MJ
6. Ponieważ moc prądu P jest iloczynem napięcia i natężenia prądu (P = U · I), pracę prądu możemy obliczyć ze wzoru:
Wprądu = U · I · t
180
10. Wyznaczanie oporu opornika
Ilustracja 12. Zdjęcie oporników
Aby wyznaczyć opór elektryczny opornika (lub innego elementu), należy:
1. Zbudować obwód elektryczny składający się z: przewodów elektrycznych, źródła napięcia,
opornika (lub innego badanego elementu), amperomierza, woltomierza i wyłącznika.
2. Włączyć zasilanie obwodu i zmierzyć napięcie na końcach opornika oraz natężenie prądu
płynącego przez opornik.
3. Obliczyć opór elektryczny (R), dzieląc napięcie (U) przez natężenie (I), czyli ze wzoru:
R=
U
I
11. Wyznaczanie mocy żarówki
181
Ilustracja 13. Zdjęcie żarówki dużej mocy
Aby wyznaczyć moc prądu płynącego w żarówce (lub innym elemencie obwodu), należy:
1. Zbudować obwód elektryczny składający się z: przewodów elektrycznych, źródła napięcia,
żarówki (lub innego badanego elementu), amperomierza, woltomierza i wyłącznika.
2. Włączyć zasilanie obwodu i zmierzyć napięcie przyłożone do żarówki oraz natężenie prądu
płynącego przez żarówkę.
3. Obliczyć moc prądu (P), mnożąc napięcie (U) przez natężenie (I), czyli ze wzoru:
P = U·I
12. Test
Zadanie 2.10.1
182
Zadanie 2.10.2
Zadanie 2.10.3
Zadanie 2.10.4
Zadanie 2.10.5
Zadanie 2.10.6
Zadanie 2.10.7
Zadanie 2.10.8
183
Zadanie 2.10.9
Zadanie 2.10.10
Zadanie 2.10.11
Zadanie 2.10.12
Zadanie 2.10.13
13. Zadania
Polecenie 2.10.1
Żelazko jest zasilane napięciem 230 V. W przewodzie stanowiącym grzałkę żelazka płynie
prąd o natężeniu I = 5 A.
a) Oblicz ładunek przepływający przez przekrój tego przewodu w ciągu 5 minut. Wskazówka: pamiętaj o zamianie jednostek.
b) Oblicz opór tego żelazka.
184
Polecenie 2.10.2
Podczas burzy w ziemię uderzył piorun. Czas wyładowania wynosił t = 0,3 ms (milisekundy), ładunek przeniesiony między chmurą a ziemią miał zaś wartość q = 6 C.
a) Oblicz natężenie prądu w tym piorunie (błyskawicy).
b) Oblicz pracę potrzebną do przeniesienia ładunku elektrycznego, jeśli napięcie miedzy Ziemią a chmurą wynosiło U = 10 000 000 V.
c) Chmura była naelektryzowana dodatnio. Napisz, w którą stronę poruszały się dodatnie jony powietrza podczas tego wyładowania.
Polecenie 2.10.3
Narysuj schemat obwodu, jaki należy zbudować, aby wyznaczyć moc suszarki elektrycznej.
Polecenie 2.10.4
Na żarówce jest napis: „3,5 V; 6 W”.
a) Podaj nazwy wielkości fizycznych, których wartości podane są w tym opisie.
b) Czy można tę żarówkę podłączyć do baterii wytwarzającej napięcie 9 V? Odpowiedź
uzasadnij.
Polecenie 2.10.5
Podczas zabiegów leczniczych stosuje się prądy o małym natężeniu przepływające przez
chore części ciała. W czasie takich zabiegów natężenie prądu stałego nie może przekraczać
14 mA. Jaką maksymalną wartość może mieć napięcie przyłożone do ręki pacjenta, jeśli
wiadomo, że jej opór (dokładnie: opór suchej skóry) wynosi R = 1 kΩ?
Polecenie 2.10.6
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.
185
Polecenie 2.10.7
* Przez spiralę grzejnika elektrycznego płynie prąd o natężeniu 10 A. Grzejnik zasilany jest
napięciem 230 V.
a) Oblicz liczbę kilowatogodzin energii, jaką „zużyje” ten grzejnik podczas sześciu godzin pracy. Wskazówka: najpierw oblicz moc grzejnika i wyraź ją w kilowatach.
b) Wyraź obliczoną liczbę kilowatogodzin w dżulach.
186
Sprawdzian wiadomości o elektryczności
2.11. Sprawdzian wiadomości o elektryczności
Ważne
Przed przystąpieniem do rozwiązywania zadań przygotuj kartkę papieru i przybory
do pisania. Może przydać się również kalkulator.
Zadanie 2.11.1-5
Polecenie 2.11.1
Narysuj schemat obwodu, jaki należy zbudować, aby wyznaczyć moc żarówki. Użyj właściwych symboli graficznych oraz sporządź spis użytych elementów i przyrządów.
Polecenie 2.11.2
Na czajniku elektrycznym znajduje się napis: „230 V, 2 kW”.
a) Zapisz nazwy wielkości fizycznych, których wartość podana jest w tym opisie.
b) Oblicz energię (w kWh) pobraną przez ten czajnik w ciągu 5 minut.
c) Oblicz natężenie prądu płynącego przez grzałkę czajnika.
Polecenie 2.11.3
Do źródła napięcia 12 V przyłączono dwie jednakowe połączone szeregowo żarówki. W żarówkach tych popłynął prąd o natężeniu 0,5 A.
a) Oblicz opór układu żarówek.
b) Jaką wartość osiągnie prąd w tym obwodzie, gdy pozostawimy w nim tylko jedną żarówkę? Odpowiedź uzasadnij, wykonując odpowiednie obliczenia.
187
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, o tyle magnesy przyciągały zawsze, ale tylko przedmioty wykonane z żelaza. Starożytni odkryli również, że ciało zwane
magnesem potrafi spowodować, iż inne ciało zrobione z żelaza i
umieszczone blisko uzyska własności magnetyczne. Zauważyli także,
że dwie strony magnesu mają różne właściwości – zwrócone do siebie magnesy mogły się albo przyciągać, albo odpychać.
O tym wszystkim uczyliście się w I klasie gimnazjum. Dziś przyszedł
czas na poznanie praw pozwalających zrozumieć, dlaczego oddziaływania magnetyczne są tak szeroko wykorzystywane.
188
Oddziaływania magnetyczne
Już potrafisz:
•
stwierdzić, że jednym z rodzajów oddziaływań jest oddziaływanie magnetyczne;
•
wymienić najprostsze właściwości magnesów: zawsze posiadają dwa bieguny:
północny i południowy;
•
opisać fakt, że bieguny jednoimienne odpychają się, a różnoimienne – przyciągają;
•
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 właściwości magnetyczne różnych substancji;
•
podać przykłady wykorzystania oddziaływania magnetycznego;
•
opisywać pole magnetyczne Ziemi.
1. Przestrzeń wokół magnesu
Każdego dnia obserwujesz różne oddziaływania, które zachodzą na odległość – nie wymagają bezpośredniego kontaktu ciał. Do tej grupy oddziaływań zalicza się oddziaływania magnetyczne. Znane są one ludzkości od wieków. Tales z Miletu uważał, że magnes ma duszę, która przyciąga żelazo. W dziełach Arystotelesa znajdują się informacje dotyczące przyciągających właściwości magnesu. W późniejszych czasach powstawały legendy i baśnie o magnesach, rozpowszechniano poglądy, że właściwości magnetyczne można zniszczyć przez potarcie diamentem. Obecnie wiadomo, że oddziaływania magnetyczne i elektryczne są ze sobą ściśle powiązane, ale więcej dowiesz
się o tym na kolejnych lekcjach.
189
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 bądź inne magnesy. Kiedyś określenie to było stosowana tylko dla rud magnetytu lub pirytu.
Magnes przyciąga spinacze, szpilki i inne przedmioty, które zostały wykonane ze stali. Wiesz już,
że stal jest stopem żelaza i węgla. Zastanów się, czy spinacze będą jednakowo przyciągane przez
cały magnes w każdym jego punkcie.
Doświadczenie 1
CEL:
Badanie przestrzeni wokół magnesu sztabkowego.
•
magnes sztabkowy;
190
•
kilka spinaczy.
INSTRUKCJA:
1. Połóż spinacze na stole.
2. Zbliż do nich magnes.
3. Zwróć uwagę, w jaki sposób przylgnęły do magnesu. Gdzie jest ich
najwięcej?
4. Zbliż magnes jednym, a następnie drugim końcem. Czy spinacze zostały przyciągnięte?
5. Spróbuj zbliżyć środek magnesu do spinacza. Czy tym razem zaobserwowałeś przyciąganie?
Zadanie 3.1.1
Najwięcej spinaczy gromadzi się na końcach magnesu, które nazywamy biegunami. Występuje
tam największa siła przyciągania magnetycznego. Natomiast na środku magnesu ma ona najmniejszą wartość. W przestrzeni wokół magnesu działają siły magnetyczne – mówimy, że w tej
przestrzeni jest pole magnetyczne.
pole magnetyczne
– przestrzeń, w której działają siły magnetyczne.
Pole magnetyczne jest niewidoczne dla naszych oczu, ale za pomocą opiłków żelaza możesz zobaczyć skutki jego działania.
191
Ilustracja 2. Linie pola magnetycznego wokół magnesu sztabkowego
Opiłki żelaza układają się w charakterystyczny sposób, tworząc linie wokół magnesu. Linie te
ilustrują kształt pola magnetycznego wokół magnesu sztabkowego
Najwięcej opiłków żelaza zbiera się w pobliżu biegunów, a pozostałe układają się wzdłuż linii pola.
Obrazują one linie pola magnetycznego występującego wokół magnesu. Opiłki żelaza magnesują się, tzn. zyskują właściwosci magnetyczne i stają się małymi magnesami, które wzajemnie się
przyciągają.
Magnes ma dwa bieguny – północny i południowy. Jeżeli zawiesimy magnes na sznurku i pozwolimy mu obracać się swobodnie, to swoją osią ustawi się w kierunku północ – południe. Przyjęto,
że północny biegun magnesu pokazuje północ geograficzną Ziemi. Nasza planeta jest ogromnym
magnesem, którego magnetyczny biegun południowy znajduje się w pobliżu północnego bieguna
geograficznego, a magnetyczny biegun północny – w pobliżu południowego bieguna geograficznego.
Występujące razem bieguny północny (N) i południowy (S) nazywamy dipolem magnetycznym.
Wiesz już, że magnes posiada dwa bieguny. Co się stanie, gdy przepiłujesz go w połowie? Okaże
się, że dwa kawałki, które w ten sposób powstaną, będą tworzyły dwubiegunowy magnes. Nie
można otrzymać ciała z jednym tylko biegunem. Dlaczego tak jest, dowiesz się, wybierając program rozszerzony fizyki w liceum.
192
Ciekawostka
Fizycy próbowali wykazać istnienie pojedynczego bieguna magnetycznego, który
roboczo nazwano monopolem magnetycznym. Miał on być nośnikiem tylko jednego bieguna magnetycznego (północnego lub południowego). Jednak próby zakończyły się niepowodzeniem. Wszystkie badane magnesy mają dwa bieguny.
dipol magnetyczny
– układ dwóch biegunów magnetycznych: północnego i południowego. Przykładem
dipola magnetycznego jest magnes.
Zadanie 3.1.2-3
Dotąd zajmowaliśmy się oddziaływaniem między magnesem a np. spinaczami. Zastanów się, czy
dwa magnesy przyciągają się czy odpychają. W tych rozważaniach pomogą ci doświadczenia.
Doświadczenie 2
CEL:
Badanie oddziaływania między dwoma magnesami.
•
dwa magnesy (najlepiej sztabkowe);
•
gładka powierzchnia stołu.
193
INSTRUKCJA:
1. Połóż magnesy na stole w pewnej odległości od siebie.
2. Zbliż jeden magnes do drugiego.
3. Zaobserwuj, czy magnesy się przyciągają czy odpychają.
4. Odwróć magnes i zbliż go przeciwnym biegunem niż za pierwszym
razem.
5. Ponownie zaobserwuj zachowanie się magnesów.
PODSUMOWANIE:
Magnesy zbliżone tymi samymi biegunami odpychają się, a przeciwnymi –
przyciągają się.
Zadanie 3.1.4
Oba doświadczenia miały identyczne wyniki. Gdy magnesy były zbliżane biegunami jednoimiennymi (tymi samymi), to wzajemnie się odpychały. Natomiast gdy były zbliżane biegunami różnoimiennymi (przeciwnymi) – przyciągały się.
Zapamiętaj
Bieguny jednoimienne magnesów odpychają się, a bieguny różnoimienne – przyciągają.
Zajmiemy się teraz oddziaływaniem między magnesami i różnymi substancjami. Magnesy przyciągają różne przedmioty wykonane ze stali, która zawiera domieszkę żelaza. Czy mogą przyciągać
przedmioty wykonane z innych substancji? Sprawdź to za pomocą doświadczenia.
Doświadczenie 3
CEL:
Badanie właściwości magnetycznych różnych substancji
194
•
magnes, plastikowa linijka;
•
•
stół;
monety: 1-groszowa, 1-złotowa;
•
•
kartka papieru;
folia aluminiowa;
•
•
kawałek przewodu miedzianego;
pierścionek lub kolczyki – złote i srebrne;
•
•
magnes na lodówkę;
szpilki stalowe.
INSTRUKCJA:
1. Do każdego przedmiotu zbliż magnes.
2. Zaobserwuj, czy zostanie przyciągnięty.
PODSUMOWANIE:
Przez magnes zostały przyciągnięte: magnes na lodówkę i szpilki stalowe.
W przypadku pozostałych przedmiotów wykonanych z miedzi, złota, srebra
i aluminium nie można było zaobserwować skutków oddziaływania. Przedmioty dzielimy więc na dwie grupy, tj. oddziałujące z magnesem i te, które
na niego nie reagują.
Materiały, które są silnie przyciągane przez magnes, nazywa się ferromagnetykami. Zaliczane są
do nich: żelazo, nikiel, kobalt i niektóre pierwiastki oraz ich stopy, np. stal. W naszym otoczeniu
występują pierwiastki, które praktycznie wcale nie oddziałują z polem magnetycznym: gazy szlachetne, miedź, złoto, krzem, grafit oraz lit, sód i potas. Dzielą się one na diamagnetyki (słabo odpychane) i paramagnetyki (słabo przyciągane). Z czego wynika różnica, dowiesz się podczas nauki
w liceum.
ferromagnetyki
– substancje silnie przyciągane przez magnes, np. żelazo, nikiel, kobalt i ich stopy.
195
Ciekawostka
Pole magnetyczne przenika niemal przez wszystkie materiały, nawet przez metale.
Wyjątek stanowi żelazo. W krysztale żelaza sąsiednie atomy oddziałują na siebie,
gdyż wytwarzają pole magnetyczne. Wzajemne oddziaływanie prowadzi do porządkowania właściwości magnetycznych na dużych obszarach (w stosunku do rozmiaru atomów), które nazywane są domenami magnetycznymi. Obszary takie można
zobaczyć za pomocą mikroskopu.
Zadanie 3.1.5
2. Pole magnetyczne Ziemi
Biegun północny igły magnetycznej wskazuje biegun magnetyczny południowy. Jeśli posłużymy
się nią do wyznaczenia kierunków geograficznych, to wskazuje północ geograficzną.
196
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
197
Ilustracja 4. Pasy Van Allena
Pasy radiacyjne zostały zarejestrowane przez satelitę amerykańskiego Explorer 1 i
radzieckiego Sputnika 3. Składają się one z dwóch pierścieni – zewnętrznego i wewnętrznego. W pasie zewnętrznym znajdują się cząstki naładowane (protony, elektrony) pochodzące prawdopodobnie ze Słońca.
Część cząstek naładowanych zostaje wciągnięta przez ziemskie pole magnetyczne
tak, że krążą one w atmosferze między biegunami (po spiralnych torach wzdłuż linii
pola). Zmiany w ziemskim polu magnetycznym następują wskutek podwyższonej
aktywności Słońca. Co pewien czas na naszej gwieździe dochodzi bowiem do burz
elektromagnetycznych, które powodują, że wysyłana jest większa porcja promieniowania, a więc cząstek naładowanych. Zaburzenia pola magnetycznego prowadzą czasami do zbliżania się tych cząstek do powierzchni Ziemi. Z kolei naładowane
cząstki pobudzają do świecenia gazy znajdujące się w atmosferze, co obserwujemy
jako zorzę polarną. Zjawisko to można często zobaczyć w okolicach koła podbiegunowego, czasami również w Polsce.
Pasy (nazywane pasami van Allena) stanowią bardzo ważne zabezpieczenie przed
docieraniem cząstek promieniowania kosmicznego o wysokiej energii, co byłoby
groźne dla życia na Ziemi.
Podsumowanie
•
•
Każdy magnes jest dipolem, posiada dwa bieguny: północny (N) i południowy (S).
Wokół magnesu występuje przestrzeń, w której na umieszczone przedmioty działa siła ma-
•
gnetyczna. 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.
198
•
Przedmioty wykonane z żelaza, kobaltu, niklu lub zawierające ich domieszki są przyciągane
przez magnes i nazywane ferromagnetykami.
•
Ziemia wytwarza wokół siebie pole magnetyczne. Północny biegun tego pola znajduje się blisko południowego bieguna geograficznego, a południowy biegun – w pobliżu północnego
bieguna geograficznego. Położenia obu biegunów magnetycznych zmieniają bez przerwy.
Praca domowa
Doświadczenie 4
CEL:
Badanie pola magnetycznego wokół magnesu podkowiastego
•
•
•
magnes podkowiasty;
igła magnetyczna;
spinacze, opiłki żelaza.
INSTRUKCJA:
1. Połóż spinacze na stole.
2. Zbliż do nich magnes. Zwróć uwagę, w jaki sposób zostały przyciągniete. Gdzie jest ich najwięcej?
3. 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?
4. 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.
199
PODSUMOWANIE:
Wykonaj rysunek przedstawiający rozkład linii pola magnetycznego,
podpisz bieguny magnesu.
Słowniczek
bieguny jednoimienne
– para tych samych biegunów, tj. północ – północ, południe – południe.
bieguny różnoimienne
– para biegunów przeciwnych, tj. północ – południe.
magnetyt
– minerał bardzo rozpowszechniony; był znany starożytnym Grekom, a jego nazwa
pochodzi od dawnego miasta Magnesia (leżącego w Turcji, obecnie Manisa); minerał
ten składa się z różnych tlenków żelaza.
polikryształ
– zbiór wielu małych, przypadkowo ułożonych kryształów.
stal
– stop węgla i żelaza.
200
zorza polarna
– zjawisko świecenia gazów znajdujących się w atmosferze w wyniku zderzeń z wysokoenergetycznymi protonami i elektronami.
Biogramy
Biogram
Arystoteles
Ilustracja 5. Arystoteles
Data urodzenia:
384 r. p.n.e.
Miejsce urodzenia:
Stagira
Data śmierci:
322 r. p.n.e.
Miejsce śmierci:
Chalkis
Arystoteles był uczniem Platona. Jest autorem spójnego systemu wiedzy, który
tłumaczy wszystkie aspekty świata ożywionego i nieożywionego. Swoje poglądy przedstawiał w pismach, które dotyczyły różnych dziedzin, tj. filozofii naturalnej, logiki, metafizyki, etyki, polityki, sztuki, retoryki, psychologii, fizyki i
biologii.
201
Biogram
Tales z Miletu
Ilustracja 6. Tales z Miletu
Data urodzenia:
ok. 620 r. p.n.e.
Miejsce urodzenia:
Milet (ob. Turcja)
Data śmierci:
ok. 540 r. p.n.e.
Tales z Miletu był zamożnym kupcem, który zyskał sławę, przepowiadając zaćmienie Słońca (podał tylko rok, a nie dokładną datę). Wzbogacał swoją wiedzę dzięki podróżom, podczas których spotykał uczonych. Nie wiadomo, czy
napisał jakieś dzieła, gdyż żadne się nie zachowały.
Zadanie 3.1.6-10
202
Pole magnetyczne wokół przewodnika z prądem. Elektromagnesy i ich zastosowanie
3.2. Pole magnetyczne wokół przewodnika z
prądem. Elektromagnesy i ich zastosowanie
Gdy rozsypiemy drobne opiłki metalowe wokół magnesu i przewodnika, przez który przepływa prąd elektryczny, układają się one w
określone kształty geometryczne. W przypadku magnesu za to zjawisko odpowiedzialne jest pole magnetyczne. Czy tak samo w przypadku przewodnika?
Już potrafisz:
•
opisać właściwości magnesu: każdy magnes jest dipolem, tzn. posiada dwa bieguny magnetyczne: północny (N) i południowy (S). Bieguny jednoimienne (N–N,
S–S) odpychają się, a różnoimienne – przyciągają się (N–S, S–N);
•
podać definicję pola magnetycznego jako przestrzeni wokół magnesu, w której
działają siły magnetyczne;
•
stwierdzić, że północny biegun igły magnetycznej wskazuje magnetyczny biegun
południowy, a południowy biegun igły – magnetyczny biegun północny;
203
•
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 30–50 cm,
•
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.
204
1. Pole magnetyczne wokół przewodnika z
prądem
Obecność pola magnetycznego można zbadać za pomocą igły magnetycznej. W pobliżu magnesu
ustawia się ona wzdłuż linii sił pola magnetycznego i wskazuje biegun południowy. Korzystając
z igły magnetycznej, wyznacza się położenie biegunów magnetycznych Ziemi oraz kierunki geograficzne. Czy pole magnetyczne występuje tylko wokół magnesów i Ziemi? Spróbujemy odpowiedzieć na to pytanie, wykonując doświadczenie.
Nagranie wideo 1. Oddziaływanie na odległość
Na filmie nie pokazano prostownika zamieniającego zmienne napięcie na stałe.
Zadanie 3.2.1
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.
205
przewodniki prądu elektrycznego
– substancje, które przewodzą prąd, np. miedź, aluminium, złoto, elektrolity, zjonizowane gazy.
Ciekawostka
Już w dawnych czasach zauważono, że przedmioty żelazne magnesują się pod
wpływem uderzenia pioruna. Źródła historyczne podają, że doświadczenie Oersteda po raz pierwszy w 1802 r. przeprowadził włoski prawnik Giandomenico Romagnosi. Opublikował on dwie prace dotyczące eksperymentu, w którym dotykanie
igłą magnetyczną końca srebrnego łańcuszka połączonego drugim końcem z jednym biegunem ogniwa Volty powodowało odchylenie igły magnetycznej. Jego doświadczenie jednak opierało się na oddziaływaniu elektrostatycznym.
Zadanie 3.2.2
Polecenie 3.2.1
Czy zmiana kształtu przewodnika wpłynie na zmianę kształtu pola magnetycznego?
206
Nagranie wideo 2. Pole magnetyczne
Linie pola magnetycznego wokół przewodnika zwiniętego w pętlę zagęszczają się w jej wnętrzu.
Jeśli drut zwiniemy wielokrotnie, to otrzymamy zwojnicę, a opiłki żelaza będą się układać w identyczny sposób jak wokół magnesu.
Zapamiętaj
Wokół przewodnika, przez który płynie prąd, występuje pole magnetyczne. Układ
linii tego pola zależy od kształtu przewodnika. Kierunek pola magnetycznego zależy
od tego, w którą stronę płynie prąd.
2. Elektromagnesy i ich zastosowanie
Występowanie pola magnetycznego wokół przewodnika z prądem ma szerokie zastosowanie w
technice i przemyśle. Często wykorzystywane są urządzenia nazywane elektromagnesami. Elektromagnes składa się ze zwojnicy, rdzenia i źródła prądu.
207
Ilustracja 1. Budowa elektromagnesu
Budowa elektromagnesu
Ważną rolę odgrywa rdzeń elektromagnesu wykonany z ferromagnetyka. W jego wnętrzu powstają domeny magnetyczne, co wzmacnia pole magnetyczne zwojnicy. Zbudujmy elektromagnes i
sprawdźmy jego działanie.
Doświadczenie 1
CEL:
Budowa elektromagnesu i badanie jego wpływu na różne substancje.
•
•
•
•
•
przewód np. z miedzi o długości 30–50 cm;
bateria 4,5 V;
gwóźdź;
igła magnetyczna (lub kompas);
drobne przedmioty np.: spinacze, szpilki, pierścionek, kolczyki, gumka
do mazania, folia aluminiowa itp.;
•
dodatkowo 2 złączki tzw. krokodylki.
208
INSTRUKCJA:
1. Na gwóźdź nawiń przewód, pozostawiając swobodnie końce tak, by
można je było połączyć z baterią.
2. Połącz przewód z baterią.
3. Zbadaj pole magnetyczne wokół zwojnicy za pomocą igły magnetycznej, określ bieguny magnetyczne elektromagnesu.
4. Odłącz przewód od baterii. Połącz ponownie, zmieniając kierunek
przepływu prądu.
5. Zbadaj tym razem pole magnetyczne, określ bieguny magnetyczne
elektromagnesu.
6. Zbliżaj elektromagnes (przede wszystkim rdzeń) do małych przedmiotów.
PODSUMOWANIE:
Podczas badania pola magnetycznego zidentyfikowałeś bieguny magnetyczne północny i południowy. Drobne przedmioty wykonane z ferromagnetyków są najsilniej przyciągane przez bieguny elektromagnesu. Można
więc stwierdzić, że pole magnetyczne wokół elektromagnesu jest podobne
do pola magnesu sztabkowego.
Elektromagnesy mają różne zastosowanie. W składnicach złomu dźwigi elektromagnetyczne przenoszą wraki samochodów. Elektromagnesy stosuje się w zamkach elektrycznych. Gdy przez elektromagnes płynie prąd, wytwarza on pole magnetyczne, które silnie działa na metalowy (stalowy)
element zamka (zasuwę). Powoduje to przesunięcie zasuwy i możliwość otwarcia drzwi. Po zamknięciu drzwi umieszczona odpowiednio spężyna powoduje przesunięcie zasuwy i zablokowanie zamka. Zamek można otworzyć po ponownym podłączeniu prądu. Najsilniejsze elektromagnesy znajdują zastosowanie w akceleratorach do kontrolowania ruchu cząstek o wysokich
energiach. Do niedawna pole magnetyczne wytwarzane przez przewodniki z prądem sterowało
ruchem elektronów w kineskopach telewizyjnych i monitorach komputerowych.
Podsumowanie
•
•
•
•
Jeśli przez przewodnik płynie prąd, to wokół niego występuje pole magnetyczne.
Kierunek linii pola magnetycznego można określić przy pomocy igły magnetycznej.
Kierunek linii 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.
209
•
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.
Elektromagnes składa się ze zwojnicy i ferromagnetycznego rdzenia.
•
Elektromagnesy stosuje się m. in. w zamkach elektromagnetycznych i akceleratorach.
Praca domowa
Doświadczenie 2
PROBLEM BADAWCZY:
Czy elektromagnes i magnes działają wzajemnie jeden na drugi?
HIPOTEZA:
Tak, elektromagnes działa na magnes i magnes działa na elektromagnes.
•
•
•
•
przewód np. z miedzi o długości 30–50 cm;
bateria 4,5 V;
gwóźdź;
dodatkowo 2 złączki tzw. krokodylki;
•
magnes.
INSTRUKCJA:
1. Zbuduj elektromagnes – nawiń przewód na gwóźdź, pozostawiając swobodne końce tak, by można je było połączyć z baterią.
210
2. Zbadaj oddziaływanie magnesu i elektromagnesu, zbliżając je do
siebie biegunami jednoimiennymi i różnoimiennymi.
3. W zeszycie sporządź schemat doświadczenia i sporządź notatkę
zawierającą wyniki obserwacji oraz wnioski.
Słowniczek
akcelerator
– urządzenie, które przyspiesza elektrony, protony i jony do bardzo dużych prędkości,
tzn. bliskich prędkości światła (300 000 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).
211
Biogram
Biogram
Hans Christian Oersted
Ilustracja 2. Hans Christian
Oersted
Data urodzenia:
14.08.1777
Miejsce urodzenia:
RudkØbing
Data śmierci:
09.03.1851
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 Oested opublikował pracę, w której pokazał, że pole magnetyczne wokół przewodnika z prądem ma kształt okręgu.
Zadanie 3.2.3-8
212
Działanie silnika elektrycznego prądu stałego
3.3. Działanie silnika elektrycznego prądu stałego
Silniki elektryczne są powszechne w naszym życiu. Znajdują się one
w wielu urządzeniach, takich jak: elektryczna szczoteczka do zębów,
suszarka do włosów, mikser, winda, tramwaj i samochód. Kiedy jest
gorąco, używamy wentylatora. Przykładów stosowania silników elektrycznych jest bardzo wiele. O tym, jak działa taki silnik, bez którego
nie wyobrażamy sobie codziennego życia, dowiesz się z tej lekcji.
Już potrafisz:
•
opisać właściwości magnesów;
•
stwierdzić, że pole magnetyczne to przestrzeń, w której działa siła magnetyczna;
213
•
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;
1. Siła elektrodynamiczna
Doświadczenie 1
CEL:
Wykazanie, że na przewodnik, w którym płynie prąd elektryczny
działa siła.
•
•
magnes w kształcie podkowy;
giętki przewód z wyłącznikiem;
•
baterie 4,5 V lub zasilacz prądu stałego
INSTRUKCJA:
1. Ustawiamy elementy jak na rysunku:
214
Ilustracja 1. Badanie siły elektrodynamicznej
2. Zamyknij obwód i obserwuj zachowanie się odcinka przewodu znajdującego się pomiędzy biegunami magnesu.
3. Zmień kierunek płynącego prądu, obserwuj ponownie zachowanie
się odcinka przewodu znajdującego się między biegunami magnesu.
4. Odwróć magnes tak, aby biegun południowy S znalazł się na dole, a
północny N – na górze. Powtórz obserwacje dla dwóch kierunków
przepływu prądu.
PODSUMOWANIE:
Podczas przepływu prądu pojawiała się siła, która powodowała albo wypychanie przewodnika z przestrzeni pomiędzy biegunami, albo wciąganie
go w głąb podkowy magnesu. Oznacza to, że siła działała prostopadle do
przewodnika. Zwrot tej siły zależał od tego, w którą stronę płynął prąd i jak
były ustawione bieguny magnesu.
Wniosek: gdy przewodnik, przez który płynie prąd, umieścimy w polu ma-
215
gnetycznym, to będzie działała na niego siła o kierunku prostopadłym do
przewodnika.
siła elektrodynamiczna
– siła, jaką działa pole magnetyczne na umieszczony w nim przewodnik, w którym płynie prąd elektryczny.
Czy można przewidzieć, w którą stronę będzie działała na przewodnik siła elektrodynamiczna? Jaki
będzie zwrot tej siły?
Dokładna analiza przebiegu doświadczenia pozwala na zauważenie pewnej reguły, przedstawionej na rysunku poniżej:
Ilustracja 2. Kierunek i zwrot siły elektrodynamicznej
Z tej reguły wynika, że siła elektrodynamiczna jest prostopadła zarówno do przewodnika, jak i
linii pola przebiegających od bieguna północnego do południowego. Tą regułę można dość łatwo
zapamiętać i używać jej do określania kierunku oraz zwrotu siły elektrodynamicznej za pomocą
trzech palców lewej dłoni. Trzeba ustawić kciuk, palec wskazujący i palec wielki prostopadle do
siebie. Palec wskazujący ustawiamy wzdłuż kierunku linii pola, biegnących od bieguna północnego do południowego. Wielki palec ustawiamy wzdłuż przewodnika, w kierunku przepływu prądu
(jest on umowny). Gdy tak zrobimy, to kciuk będzie wskazywał kierunek i zwrot siły elektrodyna-
216
micznej.
Zastosuj teraz tę regułę do przeprowadzonego doświadczenia i sprawdź, czy przewidywania są
zgodne z wynikami.
Zadanie 3.3.1-2
2. Silnik elektryczny
Jeżeli rozwiązałeś prawidłowo dwa ostatnie zadania, to jesteś bliski zrozumienia tego, jak działa
silnik elektryczny. Zmodyfikujmy nieco rysunek z zadania 2.
Ilustracja 3. Zasada budowy i działania silnika elektrycznego
Jak widać, końce ramki są teraz przymocowane do dwóch półpierścieni, do nich z kolei przylegają
tzw. szczotki – są to sprężyste blaszki. Do szczotek przyłączone jest napięcie elektryczne. Dwa półpierścienie tworzą tzw. komutator, czyli przełącznik. Ramka wraz z komutatorem tworzy tzw. wirnik, który może obracać się wokół osi O1O2.
Przeanalizujmy teraz krok po kroku działanie silnika. Zgodnie z rysunkiem 1. na bok AD ramki
działa siła elektrodynamiczna mająca zwrot w dół, a na bok CD ramki – siła działająca w górę. Pod
wpływem obu sił ramka zacznie obracać się w lewo i po obrocie o kąt większy niż 90 stopni miejsce boku AB zajmie bok DC – jest to pokazane na rysunku 2. Teraz prąd będzie płynął w ramce od
punktu D przez C, D do A. Oznacza to, że będzie płynął w przeciwną stronę niż przedtem. Jak wpłynie to na siły działające na boki ramki? Popatrzmy jeszcze raz na rysunek 2. Teraz siła elektrodynamiczna będzie działała na bok DC w dół (przedtem działała w górę). Podobnie jest w przypadku
boku AB – siła działała wcześniej w dół, a teraz w górę. W którą zatem stronę będzie obracał się
wirnik?
Część z was już znalazła odpowiedź – wirnik nadal będzie obracał się w lewo. Dlaczego? Bo siła
elektrodynamiczna działa zawsze w dół na ten bok ramki, który jest bliższy biegunowi N i w górę
na ten bok, który jest bliższy biegunowi S. Znamy więc zasadę działania silnika elektrycznego zasilanego stałym napięciem.
217
Głównymi elementami silnika są wirnik i magnesy. Stanowią one tzw. stojan. Często zamiast magnesów stałych są tam elektromagnesy.
Podsumowanie
•
•
•
•
•
Na przewodnik, w którym płynie prąd elektryczny, w polu magnetycznym działa siła elektrodynamiczna.
Siła elektrodynamiczna ma kierunek prostopadły do przewodnika. Jej zwrot zależy od tego, w
którą stronę płynie prąd elektryczny, oraz od tego, jak ustawiony jest przewodnik względem
biegunów magnesu.
Do przewidywania kierunku i zwrotu siły elektrodynamicznej stosujemy regułę trzech palców
lewej ręki.
Silnik zbudowany jest ze stojana i wirnika. Stojan składa się z minimum dwóch magnesów
trwałych lub elektromagnesów. Ruch wirnika spowodowany jest działaniem magnesów (lub
elektromagnesów) na przewodnik z prądem (wirnik).
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.
218
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 obecnie najważniejszym mechanizmem wytworzenia napięcia elektrycznego w elektrowniach. Zapoznaj się z treścią tej lekcji, a ułatwi ci to rozumienie wielu zagadnień.
219
Już potrafisz:
•
opisać magnes jako dipol, czyli ciało, które posiada dwa bieguny: północny (N) i
południowy (S);
•
podać znaczenie pojęcia pole magnetyczne jako przestrzeni, w której działają siły
magnetyczne;
•
opisać działanie biegunów magnetycznych: jednoimienne odpychają się, a różnoimienne – przyciągają się;
•
podać, że pole magnetyczne występuje wokół magnesów, Ziemi i przewodników,
przez które płynie prąd.
Nauczysz się:
•
wytwarzania prądu za pomocą ruchu magnesu;
•
wyjaśniania powstawania prądu indukcyjnego;
•
omawiania zjawiska indukcji elektromagnetycznej;
•
doświadczalnego prezentowania zjawiska indukcji elektromagnetycznej;
•
zasady działania transformatora.
Przygotuj przed lekcją:
Doświadczenie 1. (element fakultatywny) – potrzebne materiały:
•
bateria 1,5 V;
•
2 spinacze;
•
zwojnica;
•
miernik uniwersalny lub woltomierz;
•
magnes neodymowy.
Doświadczenie 2. (element fakultatywny) – potrzebne materiały:
•
dwie zwojnice o różnej liczbie zwojów;
•
rdzeń (np. ze stali) w kształcie litery U;
•
4 przewody ze złączami krokodylowymi;
220
•
•
zasilacz – generator prądu.
1. Zjawisko indukcji elektromagnetycznej
Kiedy w XIX wieku odkryto, że przepływ prądu w przewodniku powoduje wytworzenie wokół niego
pola magnetycznego, postawiono pytanie: Czy jest możliwe zjawisko odwrotne – czy magnes może wywołać przepływ prądu elektrycznego?
Michael Faraday, odkrywca tego zjawiska – zwanego zjawiskiem indukcji elekromagnetycznej
– poświęcił wiele lat na potwierdzenie powstawania prądu w przewodniku z użyciem magnesu.
Swego odkrycia dokonał 29 sierpnia 1831 roku.
Biogram
Michael Faraday
Ilustracja 1. Michael Farady
Data urodzenia:
1791 r.
Miejsce urodzenia:
Newington Butts (współcześnie należy
do Londynu)
Data śmierci:
1867 r.
Miejsce śmierci:
Hampton Court
Michael Faraday był angielskim uczonym, który przyczynił się do rozwoju elektromagnetyzmu i elektrochemii. Do jego największych odkryć zalicza się: indukcję elektromagnetyczną, diamagnetyzm i elektrolizę. Jest uznawany za jednego z największych odkrywców, mimo że miał słabe podstawy teoretyczne.
Wyniki badań dotyczących pola magnetycznego wokół przewodnika z prądem
doprowadziły do stworzenia koncepcji pola elektromagnetycznego. Jego odkrycia są podstawą działania silników na prąd stały, i generatorów prądu.
Aby potwierdzić doświadczenie Faraday’a, wykonaj następujące doświadczenie:
221
Doświadczenie 1
PROBLEM BADAWCZY:
Czy względny ruch zwojnicy i magnesu może być źródłem prądu?
HIPOTEZA:
Względny ruch przewodu i magnesu jest źródłem prądu.
•
•
•
zwojnica;
magnes stały;
miernik uniwersalny lub amperomierz o małym zakresie (wykorzystaj
znajdujące się w szkole mierniki uniwersalne demonstracyjne);
INSTRUKCJA:
1. Wybierz na mierniku zakres małych prądów.
2. Ustaw amperomierz na minimalnym zakresie pomiarowym.
3. Połącz zwojnicę z miernikiem.
Ilustracja 2. Indukcja
Sposób połączenia elementów zestawu doświadczalnego
222
4. Szybkim ruchem zbliż do zwojnicy magnes i równie energicznym ruchem oddal go.
5. Zaobserwuj wskazania amperomierza.
6. Odwróć magnes tak, by zbliżyć go przeciwnym biegunem niż za
pierwszym razem.
7. Szybkim ruchem zbliż do zwojnicy magnes i oddal go.
8. Połóż magnes w pobliżu zwojnicy i poruszaj nią, obserwuj wskazania.
PODSUMOWANIE:
Gdy poruszałeś magnesem, amperomierz wskazywał pewne wartości natężenia prądu, które ulegały zmianie. Oznacza to, że poruszający się względem przewodu magnes wywołuje przepływ prądu. Gdy magnes spoczywał
i poruszałeś przewodnikiem, to również zaczął płynąć prąd.
Wniosek: Wzajemny ruch magnesu i przewodnika wywołuje przepływ
prądu. Zmienne pole magnetyczne wytwarza napięcie elektryczne, które
powoduje przepływ pradu elektrycznego.
Wyniki doświadczenia pokazują, że bateria nie jest jedynym źródłem napięcia elektrycznego. By
wytworzyć prąd elektryczny, wystarczy względny ruch magnesu i przewodnika. Amperomierz pokazuje, że natężenie płynącego prądu zależy od szybkości względnego ruchu zwojnicy i magnesu. Powstawanie prądu elektrycznego pod wpływem zmiennego pola magnetycznego nazywamy
indukcją elektromagnetyczną, a prąd płynący w zwojnicy – prądem indukcyjnym. Oprócz Michaela Faraday’a badania nad tymi zjawiskami prowadził Amerykanin Joseph Henry.
Biogram
Joseph Henry
Ilustracja 3. Joseph Henry
223
Data urodzenia:
1797 r.
Miejsce urodzenia:
Alabamy, Nowy Jork
Data śmierci:
1878 r.
Miejsce śmierci:
Waszyngton
Joseph Henry był amerykańskim naukowcem. Podczas budowania elektromagnesów odkrył zjawisko samoindukcji elektromagnetycznej oraz indukcji elektromagnetycznej (niezależnie od Faraday'a, który jako pierwszy opublikował
wyniki doświadczeń). Zajmował się praktycznym zastosowaniem elektromagnesów m.in. jest konstruktorem dzwonka elektrycznego iprzekaźnika elektromagnetycznego. Jego praca nad przekaźnikiem była dla Samuela Morse'a
podstawą do zbudowania telegrafu.
indukcja elektromagnetyczna
– zjawisko wytwarzania napięcia elektrycznego przez zmienne pole magnetyczne.
prąd indukcyjny
– prąd płynący w przewodniku na skutek działania zmiennego pola magnetycznego.
Ciekawostka
Dynamo.
Przykładem prądnicy jest prądnica rowerowa (dynamo). W obudowie znajduje się
stały magnes i zwojnica. 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.
224
Ilustracja 4. Dynamo
Budowa prostej prądnicy rowerowej
2. Działanie transformatora
Napięcie elektryczne otrzymywanie w elektrowni ma wartości sięgające 20 tysięcy woltów, a napięcie w instalacji domowej – tylko 230 V. Podczas przesyłu energii elektrycznej napięcie ma dużą wartość, wykorzystuje się więc tzw. linie wysokiego napięcia. Obniżenie napięcia do wartości
codziennego użytku następuje dzięki zjawisku indukcji elektromagnetycznej. Urządzenie, które
umożliwia obniżanie lub podwyższanie napięcia, nazywamy transformatorem. Zapoznaj się ze
sposobem jego działania, wykonując doświadczenie.
wolt
– jednostka napięcia w układzie SI, symbol V.
Doświadczenie 2
CEL:
Poznanie budowy i sposobu działania transformatora.
225
•
2 zwojnice o różnej ilości zwojów;
•
•
rdzeń (np. ze stali) w kształcie litery U;
•
•
zasilacz;
przewody.
INSTRUKCJA:
1. Włóż zwojnice na rdzeń.
2. Do jednej ze zwojnic podłącz zasilacz. Ustaw go tak, by był źródłem
prądu zmiennego (poproś o pomoc nauczyciela).
3. Drugą zwojnicę połącz z miernikiem, ustaw odpowiedni zakres pomiarowy (poproś o pomoc nauczyciela).
Ilustracja 5. Transformator
4.
5.
6.
7.
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.
8. 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.
226
Zadanie 3.4.1
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
napięcia, nazywane jest uzwojeniem pierwotnym. Wokół uzwojenia pierwotnego powstaje zmienne pole magnetyczne, które jest wzmacniane za pomocą rdzenia (ferromagnetycznego). Z kolei to
zmienne pole magnetyczne wywołuje przepływ prądu w drugiej zwojnicy. Ta druga część nazywana jest uzwojeniem wtórnym.
Poprzez dobranie liczby zwojów na uzwojeniu pierwotnym i wtórnym możemy zmienić wartość
napięcia. Jeśli uzwojenie wtórne liczy mniej zwojów niż uzwojenie pierwotne, to transformator będzie obniżał napięcie. W odwrotnej sytuacji, czyli gdy w uzwojeniu wtórnym będzie więcej zwojów
niż w uzwojeniu pierwotnym, transformator będzie podwyższał napięcie. Związek między napięciem i liczbą zwojów opisuje równanie:
napięcie wyjściowe
napięcie wejściowe
=
liczba zwojów uzwojenia wtórnego
liczba zwojów uzwojenia pierwotnego
Uw
Up
=
zw
zp
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:
zp = 20
zw = 60
Up = 5 V
Szukane:
Uw = ?
Wzór:
Up
zp
=
Uw
zw
Obliczenia:
5V
20
=
Uw
60
20Uw = 5 V · 60
Uw =
/
: 20
300 V
20
Uw = 15 V
227
Odpowiedź:
Napięcie na wyjściu jest równe 15 V.
Drugi sposób rozwiązania
Uzwojenie wtórne zawiera trzy razy więcej zwojów niz pierwotne. Transformator zwiększy
napięcie trzykrotnie, czyli:
Uw = 3 · 5 V = 15 V
Zadanie 3.4.2
Przeanalizuj, czy zwiększanie napięcia w uzwojeniu wtórnym kłóci się z zasadą zachowania energii. 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 (zakładamy brak strat) obie moce są sobie równe. Moc prądu jest iloczynem napięcia i natężenia, czyli:
Pwejściowa = Pwyjściowa
(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 20 000 V. Jest ono podwyższane nawet do
wartości 440 000 V. W lokalnych punktach (stacjach transformatorowych) obniża się jego wartość
stopniowo do uzyskania wartości potrzebnej odbiorcy.
Podane wyżej warunki pracy transformatora są uproszczone. W rzeczywistości występują straty
energii w transformatorze - przepływ prądu powoduje wzrost temperatury uzwojeń i rdzenia. Jednak zyski z wykorzystania wysokich napięć do przesyłania energii są znacznie większe.
228
Ilustracja 6. Przesył energii
Podczas przesyłania energii kilkakrotnie stosuje się transformatory, aby podwyższać i obniżać
napięcie
zasada zachowania energii
– energii nie można wytworzyć ani zniszczyć, można zmieniać jej formę. Całkowita
energia nie ulega zmianie.
transformator
– urządzenie, które przenosi energię elektryczną dzięki zjawisku indukcji elektromagnetycznej. Zmienia parametry prądu elektrycznego.
229
moc
– szybkość przekazywanej energii; symbol P. Jednostką mocy w układzie SI jest 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 elek-
•
trycznej.
Do przesyłania energii elektrycznej na duże odległości służą linie wysokiego napięcia.
•
•
•
Stosowanie wysokich napięć podczas przesyłania energii elektrycznej powoduje zmniejszenie natężenia płynącego prądu i ograniczenie do minimum strat związanych z emisją ciepła
do otoczenia.
Transformator jest urządzeniem, które może obniżać lub podwyższać napięcie poprzez dobranie odpowiedniej liczby zwojów.
Transformator zbudowany jest z uzwojeń pierwotnego i wtórnego, które są nawinięte na ferromagnetycznym rdzeniu. Podłączenie prądu zmiennego do uzwojenia pierwotnego wywołuje przepływ prądu w uzwojeniu wtórnym dzięki zjawisku indukcji elektromagnetycznej.
Praca domowa
1 Zasilacz do ładowania wkrętarki akumulatorowej ma napisane: wejście (input) 220 V
i wyjście (output) 12 V, 830 mA. Czy ten zasilacz obniża czy podwyższa napięcie? Uzasadnij odpowiedź i oszacuj natężenie prądu jaki popłynie przez uzwojenie pierwotne transformatora przy zalozeniou braku strat.
2 Uzwojenie pierwotne transformatora zawiera 1000 zwojów. Uzwojenie wtórne zawiera także 1000 zwojów, ale jest tak nawinięte, że po 100, 300 i 800 zwojach zrobiono
tzw. odczepy. Do uzwojenia pierwotnego podłączono napięcie 230 V z sieci domowej. W
jaki sposób możemy uzyskać napięcia 23 V, 46 V, 69 V, 115 V i 161 V?
230
Zadanie 3.4.3-6
231
Podział fal elektromagnetycznych oraz ich zastosowanie
3.5. Podział fal elektromagnetycznych oraz ich
zastosowanie
Czy możesz sobie wyobrazić codzienne życie bez radia, telewizji lub
Internetu bezprzewodowego? Czy telefon komórkowy, kuchenka mikrofalowa i aparat rentgenowski mają ze sobą coś wspólnego? Aby
uzyskać odpowiedzi na te pytania, czytaj dalej.
Już potrafisz:
•
opisać pole magnetyczne jako przestrzeń, w której na niektóre przedmioty działa
siła magnetyczna;
•
wskazać, że pole magnetyczne występuje wokół magnesów, Ziemi i przewodników, przez które płynie prąd;
•
opisać elektromagnes jako magnes, którego pole magnetyczne powstaje w wyniku przepływu prądu elektrycznego;
•
podać, że zmienne pole magnetyczne wytwarza prąd elektryczny w przewodniku;
232
Nauczysz się:
•
rozpoznawać i nazywać zakresy promieniowania elektromagnetycznego;
•
opisywać zastosowanie fal radiowych, mikrofal oraz promieniowań: podczerwonego, nadfioletowego i rentgenowskiego.
1. Fale elektromagnetyczne
Kiedy umieścimy w jakimś miejscu ładunek elektryczny dodatni lub ujemny, w przestrzeni wokół
niego pojawią się siły działające na inne ładunki; wystąpi na przykład zjawisko polaryzacji (rozsunięcia ładunków elektrycznych w przewodniku). Mówimy, że ładunek elektryczny wytwarza wokół
siebie pole elektryczne i pole to wywiera oddziaływanie na inne ładunki. To pole elektryczne jest
odpowiedzialne za przepływ prądu elektrycznego. Jeżeli ładunek wytwarzający pole będzie się poruszał, czyli zbliżał do jednych ładunków a oddalał od drugich, to działające siły będą się zmieniały. Wynika z tego, że pole będzie się zmieniało. Możemy zatem mieć do czynienia z polem stałym
w czasie (statycznym) lub polem zmiennym w czasie. Jeżeli pole elektryczne w przewodniku będzie stałe to natężenie prądu również. W sytuacji, gdy pole będzie ulegało zmianie, to i natężenie
prądu elektrycznego będzie sią zmieniało.
Podobnie jest z oddziaływaniem sił magnetycznych - występują w przestrzeni wokół magnesu,
elektromagnesu lub przewodnika, w którym płynie prąd elektryczny. Oznacza to, że wymienione
ciała są źródłami pola magnetycznego. Jeżeli źródła pola będą nieruchome i natężenie prądu w
uzwojeniach elektromagnesu czy pojedynczym przewodniku będzie miało stałą wartość, to wytworzone pole będzie statyczne. Ruch źródeł i zmiany natężenia prądu wytworzą pole zmienne.
Wiesz już z poprzedniej lekcji, że zmiana położenia magnesu względem przewodnika może powodować w nim przepływ prądu elektrycznego. Ponieważ przepływ ten wymaga pola elektrycznego, wynika z tego, że zmienne pole magnetyczne powoduje powstanie pola elektrycznego. Wiesz
także, że przepływ prądu w przewodniku spowoduje powstanie pola magnetycznego wokół przewodnika, a jeżeli prąd będzie płynął raz w jedną, a raz w drugą stronę lub jego natężenia będzie
wzrastać lub maleć, to pole magnetyczne, jakie ten prąd wytworzy, będzie zmienne.
Co się stanie, gdy w jakimś miejscu pojawi się zmienne pole magnetyczne? Okazuje się, że natychmiast pojawia się zmienne pole elektryczne. Nie musi się tam znajdować przewodnik. A gdy
w jakimś miejscu pojawi się zmienne oddziaływanie elektryczne? Na przykład poruszający się tam
i z powrotem elektron. Tak, masz rację – pojawi się w tym miejscu zmienne pole magnetyczne. W
ten sposób przenoszą się te pola w przestrzeni.
Jak pamiętasz z lekcji o falach mechanicznych, odkształcenie powierzchni wody rozchodzi się, tworząc falę. A zgęszczenie powietrza wywołane ruchem struny przenosi się w powietrzu, tworząc falę dźwiękową. W przypadku zmiennego pola elektrycznego i magnetycznego mówimy o fali elektromagnetycznej. Teorie rozchodzenia się tych fal opracował w II połowie XIX wieku James Clark
233
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 tworzą zmienne pola elektryczne i magnetyczne, spowoduje przepływ prądu
w zamkniętym obwodzie odbiornika. Najważniejsza różnica między oboma rodzajami fal polega
na tym, że fala mechaniczna wymaga materialnego ośrodka, w którym może się rozchodzić. Fala
elektromagnetyczna może rozchodzić się w próżni.
To oczywiście pierwszy krok. O tym, jak spowodować, aby fala niosła informacje np. o dźwięku, a
potem jak te informacje przełożyć z powrotem na dźwięk, będziesz się uczył w liceum (jeżeli wybierzesz poziom rozszerzony) i na studiach technicznych.
fala elektromagnetyczna
– rozchodzenie się w przestrzeni zmiennych pół 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 · 10
dy równa:
λ=
c
f
234
8m
.
s
Długość fali będzie wte-
2. Zakresy fal elektromagnetycznych i ich
zastosowanie
Tabela 1. Zakresy długości fal elektromagnetycznych
Rodzaj fali
Długość fali
Fale radiowe
powyżej 1 m
Mikrofale
od 1 mm do 1 m
Podczerwień
od 700 nm do 1 mm
Światło widzialne
od 380 nm do 700 nm
Ultrafiolet
od 10 nm do 380 nm
Promieniowanie rentgenowskie
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 3 · 10
Dane:
9
f = 2,45 GHz = 2,45 · 10 Hz
v = c = 3 · 10
8 m
s
Szukane:
235
8m
.
s
λ= ?
Wzór:
λ=
c
f
Obliczenia:
λ=
8m
s
9
2,45 · 10 Hz
3 · 10
? 1,2 · 10
8−9
m = 1,2 · 10
−1
m = 0,12 m = 12 cm
Odpowiedź:
Mikrofale wykorzystywane w kuchence mikrofalowej mają długość około 12 cm.
Zadanie 3.5.1
Fale radiowe i telewizyjne mają najmniejsze częstotliwości. Są wykorzystywane przede wszystkim
w komunikacji. Dzięki ich istnieniu możliwe jest przekazywanie obrazu i dźwięku, co jest podstawą
działania stacji radiowych i telewizyjnych. Ze względu na długość fale radiowe dzieli się na fale długie i krótkie. Na tzw. falach krótkich nadają rozgłośnie radiowe, których częstotliwości nadawania
dla różnych miejsc w kraju są inne. Są też stacje, które na obszarze całej Polski nadają na jednej
częstotliwości, wtedy wykorzystywane są tzw. fale długie. Dzięki nim można odbierać programy
stacji radiowych z innych krajów europejskich.
Fale radiowe znalazły też zastosowanie w obserwacjach astronomicznych. W kosmosie występują
ciała niebieskie będące naturalnymi źródłami fal radiowych. W obserwatoriach wykorzystuje się
tzw. radioteleskopy, które umożliwiają prowadzenie tzw. nasłuchu, czyli badań odległych zakątków kosmosu.
236
Ilustracja 2. Radioteleskop APEX
Mikrofale najczęściej kojarzone są z kuchenką mikrofalową, a jest to tylko jedno z wielu możliwych ich zastosowań. Są one wytwarzane przez specjalne lampy elektronowe. Mikrofale rozchodzą się bez problemów w powietrzu, nawet gdy występują niesprzyjające warunki atmosferyczne
(mgła, opady). Dzięki temu znalazły zastosowanie w urządzeniach służących do określania położenia – radarach. Radary stosuje się w meteorologii, np. do śledzenia chmur deszczowych. Mikrofale mają także zastosowanie w łączności radioliniowej i satelitarnej, tzn. do i z satelity na Ziemię
(telefony, faksy, transmisja danych) oraz między satelitami. Częstotliwość odpowiadająca mikrofalom wykorzystywana jest również w: telefonii komórkowej, nawigacji GPS, łączności bluetooth i
bezprzewodowych sieciach komputerowych WLAN.
Zapamiętaj
Mikrofale to fale elektromagnetyczne stosowane w radarach, łączności satelitarnej,
nawigacji GPS.
Zadanie 3.5.2-3
Promieniowanie podczerwone jest wysyłane przez wszystkie ciała o temperaturze wyższej niż
zero absolutne. Źródłem podczerwieni jest rozgrzane żelazko, żarówka, skóra człowieka, Słońce
237
itp. Niektóre termometry działają na podstawie pomiaru 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.
Powierzchnie ciał stałych i cieczy nagrzewają się dzięki podczerwieni, ponieważ częstotliwość fali
i częstotliwość drgań cząsteczek ciał stałych i cieczy są zbliżone. Promieniowanie podczerwone
nie ogrzewa gazów, więc astronomowie wykorzystują tę właściwość do obserwacji rodzących się
gwiazd w mgławicach. Podczerwień ma również zastosowanie w przesyłaniu danych – w aparatach komórkowych IRDA oraz w światłowodach. Płyty CD odczytywane są przez lasery wytwarzajace światło o długościach 650–790 nm.
Ilustracja 3. Rodzące się gwiazdy w mgławicy
Zdjęcie wykonane w podczerwieni
Zapamiętaj
Podczerwień jest wysyłana przez różne ciała, np. żarówki, Słońce, ciało człowieka.
Ogrzewa ciała stałe i ciecze, na które pada. Ma zastosowanie m.in. w noktowizorach
i kamerach termowizyjnych.
Światło widzialne należy do zakresu od 400 nm do 780 nm. Ten zakres fal elektromagnetycznych
wyróżniany jest ze względu na to, że jest ono rejestrowane przez ludzki wzrok. Oko odbiera fale o
różnych częstotliwościach i ich złożenia, mózg rejestruje je zaś jako kolory.
Ilustracja 4. Spektrum światła widzialnego
Długości fal podano w nanometrach
238
Tabela 2. Zakresy długości fal odpo-
wiadających poszczególnym kolorom
Kolor
Długość fali, nm
Fioletowy
400–450
Niebieski
450–500
Zielony
500–570
Żółty
570–590
Pomarańczowy
590–610
Czerwony
610–780
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
239
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. Pamietajcie też, że promieniowanie
UV zawiera światło łuku elektrycznego, powstające podczas spawania elektrycznego (oglądamy
takie światło np. podczas spawania szyn tramwajowych). Kilkunastosekundowe patrzenie na taki
łuk wywoła uszkodzenie wzroku.
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
240
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 3.5.4-5
Promieniowanie rentgenowskie (X) odkrył w 1895 roku Wilhelm Röntgen. Jego źródłem są specjalne lampy, w których promieniowanie emitowane jest w wyniku hamowania ropędzonych elektronów na metalowej elektrodzie. Promieniowanie rentgenowskie ma szerokie zastosowanie w
diagnostyce medycznej (prześwietlenia RTG, mammografia i inne), ponieważ przenika przez skórę
i jest pochłaniane przez kości. Zbyt duża dawka tego promieniowania może prowadzić do uszkodzeń narządów wewnętrznych i zmian chorobowych, dlatego podczas badań stosuje się osłony
– fartuchy wykonane gumy z zawarością tlenków ołowiu. Promieniowanie takie może uszkodzić
materiał genetyczny komórek i doprowadzić do zmian genetycznych potomstwa.
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
241
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 ograniczoną wiedzę nazwał je promieniowaniem X.
Pierwszą osobą, na której przetestował swoje odkrycie, była żona Berta. Dzięki zrobionemu zdjęciu mogła zobaczyć fragment swojego szkieletu, a dokładnie dłoń. Wkrótce po tym Röntgen opublikował wyniki swojej pracy wraz ze
zdjęciem ręki żony, gdyż obawiał się, że ktoś może również dokonać takiego
samego odkrycia jak on. Bardzo szybko znaleziono praktyczne zastosowanie
tego promieniowania w medycynie do wykonywania prześwietleń. Trzy miesiące od odkrycia tych promieni przeprowadzono pierwszą operację z ich wykorzystaniem. Na jego cześć nazwano dawkę promieniowania jonizującego i
pierwiastek o liczbie atomowej 111.
Zapamiętaj
Promieniowanie rentgenowskie to fala elektromagnetyczna o dużej częstotliwości.
Jest przenikliwa, co pozwala na wykonywanie prześwietleń bagaży na lotniskach i
badań diagnostycznych.
Promieniowanie gamma jest falą elektromagnetyczną o największej częstotliwości i najmniejszej
długości fali. Jest dużo bardziej przenikliwe niż promieniowanie X, może swobodnie przenikać
242
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 3.5.6
Podsumowanie
•
Fale elektromagnetyczne są falami poprzecznymi, które rozchodzą się z prędkością 300 000
•
km/s.
Długość fali λ oblicza się ze wzoru:
v
λ = f gdzie
v – prędkość rozchodzenia się,
f – częstotliwość.
•
Im większa jest długość fali, tym mniejsza jest jej częstotliwość. Mówimy, że długość i częstotliwość fali są do siebie odwrotnie proporcjonalne.
•
Do fal elektromagnetycznych zaliczamy: fale radiowe i telewizyjne, mikrofale, podczerwień,
światło widzialne, ultrafiolet, promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie gamma.
•
Fale radiowe mają największą długość fali, a najmniejszą częstotliwość. Znalazły zastosowanie w radiofonii i telewizji.
•
Mikrofale mają mniejszą długość niż fale radiowe. Stosuje się je m.in. w radarach, łączności
satelitarnej, kuchenkach mikrofalowych.
•
•
Podczerwień jest emitowana przez ciała ciepłe i gorące, także ciało człowieka.
Ultrafiolet ma większą częstotliwość niż światło widzialne. Jego źródłem są lampy kwarcowe i
•
•
Słońce.
Promieniowanie rentgenowskie jest przenikliwe, zatrzymuje je warstwa ołowiu.
Promieniowanie gamma ma największą częstotliwość i jest najbardziej przenikliwe.
243
Praca domowa
Obserwacja 1
Promieniowanie podczerwone w domu
CEL:
Obserwacja promieniowania podczerwonego.
•
telefon komórkowy wyposażony w kamerę lub aparat fotograficz-
•
ny z możliwością nagrywania plików audiowizualnych;
piloty do różnych urządzeń, np. telewizora, wieży Hi-Fi, bramy itp.
INSTRUKCJA:
1. Włącz kamerę w telefonie/aparacie.
2. Skieruj kamerę na diodę pilota.
3. Przytrzymuj dowolny przycisk na pilocie i rozpocznij nagrywanie,
przerwij je po kilku sekundach.
4. Naciśnij inny przycisk na pilocie i powtórz czynność 2 i 3.
5. zmień pilota, powtórz czynności od 2 do 4.
PODSUMOWANIE:
Po odtworzeniu filmów okazało się, że kamera zarejestrowała:
....................................................................................................
....................................................................................................
....................................................................................................
Wniosek:
Piloty
....................................................................................................
244
wysyłają
Słowniczek
fale radiowe i telewizyjne
– fale elektromagnetyczne o najmniejszej częstotliwości. Są wykorzystywane w radiofonii i telewizji oraz do obserwacji astronomicznych.
mikrofale
– fale elektromagnetyczne stosowane w radarach, łączności satelitarnej, nawigacji
GPS.
podczerwień
– jest wysyłana przez różne ciała np. żarówki, Słońce, ciało człowieka. Ogrzewa ciała
stałe i ciecze, które ją pochłaniają. Ma zastosowanie m.in. w noktowizorach, kamerach termowizyjnych.
promieniowanie rentgenowskie (X)
– fala elektromagnetyczna o dużej częstotliwości. Jest przenikliwa, co pozwala na wykonywanie prześwietleń bagaży na lotniskach i badań diagnostycznych.
ultrafiolet (UV, nadfiolet)
– fala elektromagnetyczna o częstotliwości większej od światła widzialnego. Jej źródłem jest Słońce i lampy kwarcowe. Ma zastosowanie m.in. w sterylizacji i kryminalistyce.
245
Zadanie 3.5.7-9
246
Podsumowanie wiadomości o magnetyzmie
3.6. Podsumowanie wiadomości o magnetyzmie
Ten dział poświęcony został oddziaływaniom magnetycznym. Napisaliśmy o magnesach stałych ich biegunach, otaczającym je polu
magnetycznym, oddziaływaniu między sobą i z innymi substancjami.
Przedstawiliśmy Ziemię jako wielki magnes sztabkowy i wyjaśniliśmy, jak działa kompas. Podzieliliśmy substancje ze względu na ich
właściwości magnetyczne, na ferro-, para- i diamagnetyki. Pokazaliśmy związek między prądem a magnetyzmem, co znalazło zastosowanie w elektromagnesach i silnikach elektrycznych, ale też przejawia się w istnieniu fal elektromagnetycznych (radiowych, świetlnych
czy rentgenowskich). Ponadprogramowo przedstawiliśmy ci zjawisko indukcji elektromagnetycznej oraz przykłady jego zastosowania
w prądnicy i transformatorze.
247
1. Magnes trwały
Ilustracja 1. Zdjęcie magnesu sztabkowego z oznaczonymi biegunami
Magnes – ciało, które przyciąga żelazo albo przyciąga lub odpycha inne magnesy.
1. Każdy magnes posiada dwa bieguny:
◦ północny – oznaczony symbolem N;
◦ południowy – oznaczony symbolem S.
2. Magnes podzielony na pół utworzy dwa magnesy; każdy z dwoma biegunami.
3. Bieguny magnesów oddziałują wzajemnie jeden na drugi:
◦ jednoimienne odpychają się;
◦ różnoimienne przyciągają się.
2. Pole magnetyczne magnesu
248
Ilustracja 2. Linie pola magnetycznego
1. Przestrzeń wokół magnesu nazywana jest polem magnetycznym. Na umieszczone w tej
przestrzeni przedmioty żelazne lub inne magnesy działa siła magnetyczna.
2. Pole to można przedstawić graficznie za pomocą linii pola. Kształt tych linii najłatwiej pokazać za pomocą opiłków żelaznych rozsypanych wokół magnesu.
3. Pole magnetyczne jest najsilniejsze w pobliżu biegunów i tam następuje zagęszczenie linii
pola.
4. Liniom pola nadaje się zwrot od bieguna N do bieguna S.
3. Pole magnetyczne Ziemi. Kompas
249
Ilustracja 3. Pole magnetyczne wokół Ziemi
1. Ziemia jako planeta jest otoczona i wypełniona polem magnetycznym.
2. 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.
3. Koniec igły skierowany w kierunku północnym nazwano biegunem północnym N.
4. Powyższe zachowanie igły wykorzystuje się w działaniu kompasu.
5. 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.
6. Pole magnetyczne Ziemi ma taki kształt, jakby wewnątrz Ziemi znajdował się ogromny magnes sztabkowy.
7. Biegun magnetyczny S znajduje się w pobliżu geograficznego bieguna północnego, a biegun N w pobliżu geograficznego bieguna południowego.
8. Pole magnetyczne Ziemi, zwane też magnetosferą, sięga daleko w przestrzeń kosmiczną –
znacznie dalej niż atmosfera.
4. Substancje magnetyczne.
250
Ilustracja 4. 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 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 5. Doświadczenia Oersteda
251
1. Jeśli przez przewodnik płynie prąd, to wokół niego występuje pole magnetyczne.
2. Obecność oraz kierunek linii tego pola można wykryć za pocą igły magnetycznej.
3. Zmiana kierunku przepływu prądu wywołuje zmianę kierunku pola magnetycznego.
4. Układ linii pola magnetycznego wokół przewodnika z prądem zależy od kształtu przewodnika.
5. Wokół prostoliniowego przewodnika z prądem pole magnetyczne ma kształt współśrodkowych okręgów.
Ilustracja 6. Zdjęcie linii pola magnetyczne wokół przewodnika liniowego
6. Pole magnetyczne wokół zwojnicy przypomina kształtem pole wokół magnesu sztabkowego.
Ilustracja 7. Linie pola magnetycznego zwojnicy
252
6. Elektromagnesy
Ilustracja 8. Elektromagnes
1. Elektromagnes to magnes powstający w wyniku przepływu prądu elektrycznego.
2. Elektromagnes najczęściej zbudowany jest ze zwojnicy, w której płynie prąd, i ferromagnetycznego rdzenia, wzmacniającego pole magnetyczne.
3. Elektromagnesy oddziałują między sobą i z magnesami: przyciągają się biegunami różnoimiennymi, a odpychają jednoimiennymi.
4. Zastosowanie (przykłady):
◦ dźwigi elektromagnetyczne na złomowiskach,
◦ zamki i zawory elektromagnetyczne,
◦ włączniki i styczniki elektromagnetyczne,
◦ akceleratory,
◦ magnetyczny rezonans jądrowy
7. Silnik elektryczny
253
Ilustracja 9. Zdjęcie modelu silnika na prąd stały
1. Na przewodnik z prądem umieszczony w polu magnetycznym działa siła zwana siłą elektrodynamiczną.
2. Siła ta działa prostopadle do przewodnika oraz prostopadle do linii pola. Zależy od kierunku i natężenia prądu oraz od ustawienia przewodnika względem linii pola.
3. Oddziaływanie to można wyjaśnić w oparciu o oddziaływanie magnesu z polem magnetycznym wytworzonym przez prąd.
4. Oddziaływanie pola magnetycznego na przewodnik z prądem znalazło zastosowanie w silnikach elektrycznych.
5. W silniku elektrycznym energia elektryczna zamieniana jest na energię mechaniczną.
6. Silnik na prąd stały zbudowany jest z:
◦ stojana – tworzą go magnesy trwałe lub elektromagnesy;
◦ wirnika – ułożyskowanej zwojnicy, umieszczonej między magnesami, czyli wewnątrz
stojana.
7. Wirnik, w którym płynie prąd, staje się elektromagnesem, który oddziałuje z magnesami. To
magnetyczne oddziaływanie powoduje obracanie się wirnika.
8. Zjawisko indukcji elektromagnetycznej
254
Ilustracja 10. Zdjęcie typowego zestawu do wzbudzania prądu indukcyjnego
1. Względny ruch magnesu i przewodnika wywołuje przepływ prądu, który nazywamy prądem
indukcyjnym.
2. Zmienne pole magnetyczne wytwarza napięcie elektryczne – zjawisko to nazywamy indukcją elektromagnetyczną.
3. Zjawisko indukcji elektromagnetycznej zostało odkryte niezależnie przez dwóch naukowców: Anglika – Michaela Faraday'a i Amerykanina – Josepha Henry'ego.
9. Prądnica i transformator
255
Ilustracja 11. Zdjęcie transformatora lub jego modelu
1 Zjawisko indukcji elektromagnetycznej ma zastosowanie w prądnicach i transformatorach
prądu zmiennego.
2 W prądnicy energia mechaniczna zamieniana jest na energię elektryczną.
3 Prądnica (generator prądu) to zwojnica obracająca się w polu magnetycznym.
4 Przykładem prądnicy jest prądnica rowerowa (tzw. dynamo).
5 Transformator to urządzenie służące do obniżania lub podwyższania napięcia elektrycznego.
6 Transformator zbudowany jest z uzwojenia pierwotnego i wtórnego, które umieszczone są
na wspólnym rdzeniu ferromagnetycznym.
7 Przepływ prądu zmiennego w uzwojeniu pierwotnym wzbudza prąd w uzwojeniu wtórnym
dzięki zjawisku indukcji elektromagnetycznej.
8 Poprzez dobór liczby zwojów na uzwojeniu pierwotnym i wtórnym możemy regulować napięciem zgodnie z równaniem:
napięcie wyjściowe
napięcie wejściowe
=
liczba zwojów uzwojenia wtórnego
liczba zwojów uzwojenia pierwotnego
10. Fale elektromagnetyczne
256
lub
Uw
Up
=
zw
zp
Ilustracja 12. Szereg 6 symboli charakteryzujących różne typy fal elektromagnetycznych
1. Fale elektromagnetyczne powstają w wyniku zaburzenia pola magnetycznego lub elektrycznego. Dzieje się tak dlatego, że prąd elektryczny jest źródłem pola magnetycznego, a źródłem prądu jest zmienne pole magnetyczne. W efekcie wzajemnej zależności elektryczności
i magnetyzmu w przestrzeni rozchodzi się zaburzenie nazywane falą elektromagnetyczną.
2. Fale elektromagnetyczne rozchodzą się w próżni z prędkością c = 300 000 km/s.
3. Długość fali λ oblicza się ze wzoru:
λ=
v
f
lub w próżni λ =
c
f
gdzie v – prędkość rozchodzenia się, f – częstotliwość.
4. Im większa jest długość fali, tym mniejsza jest jej częstotliwość. Mówimy, że długość i częstotliwość fali są do siebie odwrotnie proporcjonalne.
5. Do fal elektromagnetycznych zaliczamy (w kolejności rosnącej częstotliwości):
◦
fale radiowe – mają największą długość fali, a najmniejszą częstotliwość. Znalazły za-
◦
stosowanie 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.
257
◦
ultrafiolet – ma większą częstotliwość niż światło widzialne. Jego źródłem są lampy
◦
kwarcowe i Słońce. W dużych dawkach jest szkodliwy dla skóry, w małych dawkach stosuje się go w terapii schorzeń dermatologicznych. Ponadto wykorzystywany jest ono
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 jest w diagnostyce i terapii medycznej oraz do badania struktury
wewnętrznej materiałów i konstrukcji, na przykład elementów silników samolotowych,
prześwietlania bagażu na lotniskach;
◦
promieniowanie gamma – promieniowanie najmniejszej długości i największej częstotliwości. Emitowane jest przez pierwiastki promieniotwórcze oraz podczas reakcji
jądrowych. Jest bardzo przenikliwe, silnie jonizujące, zabójcze dla organizmów żywych.
Stosuje się je w radioterapii nowotworów, w diagnostyce medycznej, do sterylizacji
żywności i sprzętu medycznego.
11. Test
Zadanie 3.6.1-6
12. Zadania
Polecenie 3.6.1
Jak nazywają się te miejsca magnesu, które najsilniej przyciągają przedmioty żelazne lub
stalowe (szpilki, spinacze)? Podaj ich nazwy oraz symbole.
Polecenie 3.6.2
Narysuj kształt linii pola magnetycznego wytwarzanego przez prąd płynący w zwojnicy.
Polecenie 3.6.3
Napisz, jak działa i do czego służy kompas.
258
Polecenie 3.6.4
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 3.6.5
Czy silny magnes neodymowy można wykorzystać do wybierania okruchów złota z piasku
złotonośnego potoku? Odpowiedź uzasadnij.
Polecenie 3.6.6
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 3.6.7
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) Czy to oznacza, że obudowa lodówki jest magnesem?
b) Jeśli tak, to jaki biegun magnetyczny ma górna, a jaki dolna część tej obudowy?
Polecenie 3.6.8
Na rysunku poniżej przedstawiono dwie sytuacje, w których przewodnik umieszczono pomiędzy biegunami magnesu. Narysuj wektory siły elektrodynamicznej działającej na przewodniki. Uwaga: na lewym rysunku przewodnik jest umieszczony prostopadle do płaszczyzny kartki i prąd w nim plynie do czytelnika, a na prawym rysunku prąd płynie w głąb kartki.
259
Ilustracja 13. Przewodnik umieszczony pomiędzy biegunami magnesu
Polecenie 3.6.9
W jaki sposób możemy zmieniać kierunek obrotów wirnika w silniku elektrycznym na prad
stały?
260
Sprawdzian wiadomości o magnetyzmie
3.7. Sprawdzian wiadomości o magnetyzmie
Zadanie 3.7.1-5
Polecenie 3.7.1
Narysuj linie pola magnetycznego wokół Ziemi. Podpisz bieguny magnetyczne oraz geograficzne. Zaznacz zwrot linii pola magnetycznego.
Polecenie 3.7.2
Wymień po trzy różne zastosowania fal radiowych oraz promieniowania gamma.
Polecenie 3.7.3
Czy elektromagnes można wykorzystać w składzie złomu metali kolorowych (nieżelaznych). Jeśli tak, to do jakich celów? Odpowiedź uzasadnij.
261
Definicje
Definicje
Prawo: pierwsze prawo Kirchhoffa
Suma natężeń prądów wpływających do dowolnego węzła jest równa sumie natężeń prądów
wypływających z tego węzła.
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.
Twierdzenie to można zapisać symbolicznie w postaci wzoru:
F=k
Q1 · Q2
r
2
F – siła,
9 N·m
2
C
2
,
Z prawa Coulomba wynika, że gdy odległość ładunków jest stała, to siła wzajemnego oddziaływania rośnie tyle razy ile razy wzrośnie każdy ładunek - gdy każdy z nich wzrośnie np. dwa
razy, to siła wzrośnie 4 razy, gdy tylko jeden wzrośnie np 3 razy, to siła wzrośnie 3 razy. Przy
stałej wartości ładunków siła maleje ze wzrostem odległości - np. dwukrotny wzrost odległości powoduje czterokrotne zmniejszenie wartości siły.
Prawo: prawo Ohma
Natężenie prądu płynącego przez przewodnik jest wprost proporcjonalne do napięcia przyłożonego między jego końcami.
Zapisujemy to zależnością:
I=
U
R
262
Definicje
Reguła: Siła Coulomba
Siły wzajemnego oddziaływania dwóch ładunków punktowych Q1 i Q2 są wprost proporcjonalne do iloczynu tych ładunków, a odwrotnie proporcjonalne do kwadratu odległości między nimi. Oznacza to, że gdy odległość jest stała, to siła wzajemnego oddziaływania rośnie
tyle razy ile razy wzrośnie każdy ładunek - gdy każdy z nich wzrośnie dwa razy, to siła wzrośnie 4 razy. Gdy tylko jeden z nicj wzrośnie np. tylko 3 razy to siła wzajemnego oddzialywania
wzrośnie 3 razy. Przy stałej wartości ładunków siła maleje ze wzrostem odległości - np. dwukrotny wzrost odległości powoduje czterokrotne zmniejszenie wartości siły.
Zapisać je można symbolicznie w postaci wzoru:
F=k
Q1 · Q2
r
2
F – siła,
9N·m
2
C
2
,
Stosując ten wzór, można obliczyć wielkość działającej siły elektrostatycznej.
Reguła: Zasada zachowania ładunku
W układach izolowanych sumaryczny ładunek (algebraiczna suma ładunków dodatnich i
ujemnych) nie ulega zmianie.
263
Pojęcia
Pojęcia
akcelerator
– urządzenie, które przyspiesza elektrony, protony i jony do bardzo dużych prędkości,
tzn. bliskich prędkości światła (300 000 km/s).
amper
– jednostka natężenia prądu elektrycznego, symbol – A.
amperomierz
– przyrząd służący do pomiaru natężenia prądu elektrycznego.
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.
atom
– najmniejsza cząstka pierwiastka. Każdy atom jest obojętny elektrycznie.
bateria
– układ połączonych ogniw, najczęściej szeregowo.
bateria elektryczna
– układ, najczęściej polączonych szeregowo, kilku lub kilkunastu ogniw.
264
Pojęcia
bieguny jednoimienne
– para tych samych biegunów, tj. północ – północ, południe – południe.
bieguny różnoimienne
– para biegunów przeciwnych, tj. północ – południe.
dipol elektryczny
– układ dwóch o jednakowej wartości ładunków różnoimiennych, które znajdują się
w pewnej odległości od siebie.
dipol magnetyczny
– układ dwóch biegunów magnetycznych: północnego i południowego. Przykładem
dipola magnetycznego jest magnes.
elektrolit
– wodny roztwór kwasu, zasady lub soli dobrze przewodzący prąd elektryczny, np.
wodny roztwór kwasu siarkowego.
265
Pojęcia
elektrolit
– przewodnik w fazie ciekłej lub stałej, w którym prąd elektryczny stanowi strumień
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).
elektron (e)
– cząstka elementarna, której ładunek elektryczny odpowiada wielkości ładunku elementarnego o znaku ujemnym. W atomach elektrony tworzą powłoki elektronowe.
Ruch elektronów ściśle związany jest ze zjawiskiem przepływu prądu elektrycznego.
elektrony swobodne
– elektrony niezwiązane lub słabo związane z atomami w metalach. Mogą poruszać
się swobodnie w objętości substancji, odpowiadają za jej dobre właściwości cieplne i
elektryczne.
elektrony walencyjne
– elektrony znajdujące sie w atomie na ostatniej powloce . Liczba elektronów walencyjnych oraz to, jak mocno są one związane z rdzeniem atomu, wpływają na wiele
właściwości fizycznych pierwiastka, między innymi na przewodnictwo cieplne i elektryczne.
elektroskop
– przyrząd laboratoryjny służący do wykrywania ładunku elektrycznego. Wykorzystuje zjawisko wzajemnego odpychania się jednoimiennych ładunków elektrycznych.
266
Pojęcia
elektryzowanie ciał przez tarcie
– przy wzajemnym pocieraniu (oddziaływaniu mechanicznym) dwóch pierwotnie
obojętnych elektrycznie ciał niewielka ilość ładunku ujemnego (elektronów) przechodzi z jednego ciała na drugie. W wyniku tego zjawiska na jednym ciele powstaje nadmiar ładunku dodatniego, a na drugim – równy co do wartości nadmiar ładunku
ujemnego. Zjawisko to nazywamy elektryzowaniem ciał przez tarcie.
elektryzowanie przez dotyk
– polega na dotknięciu ciałem naelektryzowanym ciała nienaelektryzowanego. W
efekcie czego ładunki ujemne przemieszczają z jednego ciała do drugiego i oba ciała
są naładowane ładunkiem tego samego znaku.
fala elektromagnetyczna
– rozchodzenie się w przestrzeni zmiennych pół 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 · 10
8m
.
s
Długość fali będzie wte-
dy równa:
λ=
c
f
fale radiowe i telewizyjne
– fale elektromagnetyczne o najmniejszej częstotliwości. Są wykorzystywane w radiofonii i telewizji oraz do obserwacji astronomicznych.
267
Pojęcia
ferromagnetyki
– substancje silnie przyciągane przez magnes, np. żelazo, nikiel, kobalt i ich stopy.
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 chemiczną; nie tworzą trwałych związków chemicznych.
indukcja elektromagnetyczna
– zjawisko wytwarzania napięcia elektrycznego przez zmienne pole magnetyczne.
indukcja elektrostatyczna
– przemieszczanie się elektronów swobodnych wewnątrz przewodnika lub powstawanie dipola elektrycznego (polaryzacja elektryczna cząsteczki albo atomu) w izolatorze. Zjawisko to zachodzi pod wpływem znajdującego się w bezpośredniej bliskości
ciała naładowanego elektrycznie.
izolator
– substancja o znikomym przewodnictwie, charakteryzująca się w szerokim zakresie
temperatur brakiem swobodnych nośników ładunku elektrycznego.
jon
– atom, który ma nadmiar lub niedobór elektronów.
jon dodatni
– atom, w którym liczba protonów przewyższa liczbę elektronów.
268
Pojęcia
jonizacja gazu
– zjawisko przekształcania atomów (cząsteczek) gazu w jony pod wpływem czynników
zewnętrznych: temperatury, promieniowania lub pola elektrycznego.
jon ujemny
– atom, w którym liczba elektronów jest większa od liczby protonów.
kilowatogodzina
– energia zużyta przez urządzenie o mocy 1 000 W (czyli 1 kilowata) w czasie 1 godziny.
krypton (Kr)
– gaz szlachetny, stosowany jako wypełniacz w żarówkach i szybach zespolonych.
ksenon (Xe)
– gaz szlachetny wykorzystywany do produkcji jarzeniówek, lamp błyskowych i żarówek o dużej mocy.
kulomb (C)
– jednostka ładunku elektrycznego w układzie SI.
liczba atomowa (lub liczba porządkowa)
– oznaczana literą Z; określa liczbę protonów w jądrze atomu.
269
Pojęcia
liczba masowa
– jest równa łącznej liczbie protonów i neutronów (nukleonów) w jądrze atomowym;
oznaczana literą A.
liczba porządkowa
– liczba protonów w jądrze, jest podstawą uporządkowania pierwiastków w układzie
okresowym, nazywana jest także liczbą atomową. Obecnie znane są pierwiastki o liczbach atomowych z zakresu 1–118 (pierwiastki o liczbach atomowych powyżej 92 (tzw.
transuranowce) są otrzymywane w sposób sztuczny), teoretycznie możliwe jest istnienie jąder o większej liczbie atomowej.
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 (o
różnych znakach) – przyciągający.
ładunek elementarny
– stała fizyczna o wartości 1,602·10-1 9 C, odpowiadająca ładunkowi elektrycznemu
protonu.
ładunki punktowe
Jako ładunki punktowe traktowane są takie ciała naładowane, których rozmiary są
małe w porównaniu z dzielącą je odległością.
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.
270
Pojęcia
miara oporu elektrycznego
– stosunek napięcia elektrycznego miedzy końcami obwodu odcinka do natężenia
prądu płynącego w tym odcinku.
mikrofale
– fale elektromagnetyczne stosowane w radarach, łączności satelitarnej, nawigacji
GPS.
mikrokulomb (µC)
−6
C.
milikulomb (mC)
−3
C.
moc
– szybkość przekazywanej energii; symbol P. Jednostką mocy w układzie SI jest wat
(W)
moc prądu elektrycznego
– ilość energii przekazywanej w jednostce czasu ze źródła do opornika; wyznaczamy
ją ze wzoru:
P = I·U
gdzie:
I – natężenie, a U – napięcie elektryczne.
Jednostką mocy w układzie SI jest jeden wat (1 W).
271
Pojęcia
( )( )
J
C
J
1 W = 1 V · A = 1C · 1 s = 1s
napięcie elektryczne U
– napięcie (różnica potencjałów) między dwoma punktami przewodnika jest równe
liczbowo stosunkowi pracy Wwykonanej podczas przenoszenia ładunku q między tymi punktami przewodnika do tego ładunku:
U=
W
q
natężenie prądu elektrycznego
– jest równe stosunkowi ładunku, jaki przepłynie w pewnym czasie przez poprzeczny
przekrój przewodnika do czasu tego przepływu.
I=
q
t
gdzie:
q – ładunek, jednostka kulomb – C;
neon (Ne)
– gaz szlachetny, bezbarwny i bezwonny. Stosowany do wypełniania lamp neonowych
oraz substancja robocza w laserach helowo-neonowych.
neutron (n)
– obojętny elektrycznie składnik jądra atomowego. Neutrony występujące samodzielnie są niestabilne, ulegają rozpadowi.
272
Pojęcia
niepewność pomiarowa
– miara rozrzutu wyników serii pomiarów danej wielkości fizycznej. Nazywana jest
też błędem pomiarowym. Przy obliczaniu niepewności pomiarowej należy uwzględnić
między innymi: błędy obserwatora podczas odczytywania wskazań przyrządów analogowych, dokładności przyrządów pomiarowych (każdy przyrząd ma określoną najmniejszą podziałkę) oraz zbyt małą liczbę pomiarów.
obwód elektryczny
– układ elementów (przewodów, źródeł napięć, odbiorników, wyłączników) połączonych w taki sposób, aby umożliwić przepływ prądu elektrycznego.
ogniwo chemiczne
– układ złożony z dwóch elektrod umieszczonych w elektrolicie, który zamienia energię chemiczną na elektryczną.
ogniwo elektryczne
– źródło napięcia stałego, które zamienia energię pochodzącą z reakcji chemicznych
w energię elektryczną.
om
– 1 om to opór przewodnika, w którym przy napięciu 1 V płynie prąd o natężeniu 1 A.
1Ω=
1V
1A
opornik zastępczy
Oporniki połączone równolegle można zastąpić jednym równoważnym opornikiem R
, który nazywa się opornikiem zastępczym. Do końców opornika zastępczego przyłożone jest napięcie U i płynie przez niego prąd o natężeniu I będący sumą natężeń
prądów w opornikach połączonych równolegle. Opór zastępczy w połączeniu równoległym oblicza się za pomocą wzoru:
273
Pojęcia
1
R
=
1
R1
+
1
R2
+ …
gdzie:
Rn jest oporem n–tego opornika; R – oporem zastępczym.
opór elektryczny
– stosunek napięcia przyłożonego między jego końcami do natężenia płynącego
przez niego prądu.
opór właściwy
– wielkość charakterystyczna dla danej substancji.
pierwiastek chemiczny
– składa się z atomów, które mają taką samą liczbę atomową.
pierwsze prawo Kirchhoffa
– suma natężeń prądów wpływających do węzła sieci elektrycznej jest równa sumie
natężeń prądów z niego wypływających.
plazma
– zjonizowana materia będąca gazem zawierającym jednakową liczbę jonów dodatnich i elektronów swobodnych. Uznawana za czwarty stan skupienia materii.
podczerwień
– jest wysyłana przez różne ciała np. żarówki, Słońce, ciało człowieka. Ogrzewa ciała
stałe i ciecze, które ją pochłaniają. Ma zastosowanie m.in. w noktowizorach, kamerach termowizyjnych.
274
Pojęcia
polaryzacja cząsteczkowa
– skutek oddziaływania cząsteczki z ładunkami elektrycznymi znajdującymi sie w pobliżu. Atomy cząsteczek mające różnoimienne ładunki elektryczne pod wpływem tego oddziaływania ulegają rozsunięciu. W efekcie powstaje dipol elektryczny.
polaryzacja dielektryczna
– zjawisko powstawania dipoli w dielektryku lub zmiany orientacji (uporządkowania)
dipoli już istniejących.
polaryzacja elektronowa
– skutek oddziaływania atomu z ładunkami elektrycznymi znajdującymi się w pobliżu.
Pod wpływem tego oddziaływania przesunięty zostaje ujemny ładunek powłoki elektronowej atomu w stosunku do dodatnio naładowanego jądra. W rezultacie powstaje
dipol elektryczny.
pole magnetyczne
– przestrzeń, w której działają siły magnetyczne.
polikryształ
– zbiór wielu małych, przypadkowo ułożonych kryształów.
powłoka walencyjna
– najbardziej oddalona od jądra atomu powłoka, na której znajdują się elektrony.
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.
275
Pojęcia
półprzewodnik
– ciało stałe, które jest gorszym przewodnikiem prądu elektrycznego niż metal, ale nie
jest izolatorem. Domieszkowanie określonymi pierwiastkami pozwala poprawić właściwości elektryczne półprzewodnika. Przewodnictwo elektryczne półprzewodników
zależy również od temperatury. Jej wzrost pociąga za sobą wzrost przewodnictwa półprzewodnika.
prąd elektryczny
ukierunkowany ruch nośników ładunków elektrycznych
prąd indukcyjny
– prąd płynący w przewodniku na skutek działania zmiennego pola magnetycznego.
promieniowanie kosmiczne
– strumień cząstek i promieniowania elektromagnetyczne dochodzącego do Ziemi z
otaczającej ją przestrzeni kosmicznej. Jednym ze źródeł promieniowania kosmicznego jest Słońce.
promieniowanie rentgenowskie (X)
– fala elektromagnetyczna o dużej częstotliwości. Jest przenikliwa, co pozwala na wykonywanie prześwietleń bagaży na lotniskach i badań diagnostycznych.
proton (p)
– składnik jądra atomowego pierwiastków. Ładunek protonu odpowiada wielkości ładunku elementarnego. Główny składnik promieniowania kosmicznego.
276
Pojęcia
przewodnik elektronowy
– ciało, w którym przenoszenie ładunku elektrycznego realizowane jest przez elektrony. Przewodnikami są głównie metale, między innymi miedź, aluminium, żelazo i złoto.
przewodniki prądu elektrycznego
– substancje, które przewodzą prąd, np. miedź, aluminium, złoto, elektrolity, zjonizowane gazy.
przewodnik jonowy
– przewodnik, w którym dominującymi nośnikami ładunku elektrycznego są jony.
Przewodniki jonowe mogą być cieczami, ciałami stałymi lub gazami.
schemat obwodu elektrycznego
– odwzorowanie obwodu elektrycznego wykonane za pomocą symboli graficznych.
siła elektrodynamiczna
– siła, jaką działa pole magnetyczne na umieszczony w nim przewodnik, w którym płynie prąd elektryczny.
stal
– stop węgla i żelaza.
transformator
– urządzenie, które przenosi energię elektryczną dzięki zjawisku indukcji elektromagnetycznej. Zmienia parametry prądu elektrycznego.
277
Pojęcia
układ izolowany elektrycznie
– ciała izolowane elektrycznie, jest to układ ciał, w którym nie dochodzi do wymiany
ładunku elektrycznego ze swoim otoczeniem.
układ okresowy pierwiastków
– tabela zawierająca wszystkie znane dotąd 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 Dymitra Mendelejewa. Jej obecny wygląd zawdzięczamy fizykowi
duńskiemu, laureatowi Nagrody Nobla, Nielsowi Bohrowi.
ultrafiolet (UV, nadfiolet)
– fala elektromagnetyczna o częstotliwości większej od światła widzialnego. Jej źródłem jest Słońce i lampy kwarcowe. Ma zastosowanie m.in. w sterylizacji i kryminalistyce.
wat (W)
– jednostka mocy w układzie SI.
węzeł sieci elektrycznej
– miejsce, w którym rozgałęziają się przewody elektryczne.
wolt
– jednostka napięcia w układzie SI, symbol V.
278
Pojęcia
wolt (V)
– jednostka napięcia elektrycznego w układzie SI. Jeden wolt (1 V) odpowiada pracy
jednego dżula (1 J), która potrzebna jest do przeniesienia ładunku jednego kulomba
(1 C) pomiędzy dwoma punktami przewodnika.
woltomierz
– przyrząd służący do pomiaru napięcia elektrycznego.
woltomierz
– przyrząd służący do pomiaru napięcia elektrycznego, włączany do obwodu równolegle.
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.
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.
279
Biogramy
Biogramy
Biogram
Arystoteles
Ilustracja 1. 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.
280
Biogramy
Biogram
Charles Augustin de Coulomb
Ilustracja 2. Charles Augustin
de Coulomb
Data urodzenia:
14.06.1736
Miejsce urodzenia:
Angoul?me
Data śmierci:
23.08.1806
Miejsce śmierci:
Paryż
Kapitan armii francuskiej, przyrodnik i matematyk. Ukończył studia w wojskowej Szkole Inżynierii (École du Génie). W latach 1763–1772 kierował budową Fortu Burbon na Martynice (Indie Zachodnie). Po powrocie do Francji poświęcił się pracy naukowej. W roku 1781 został uhonorowany tytułem członka Francuskiej Akademii Nauk. Był doskonałym eksperymentatorem. Do jego
największych osiągnięć naukowych należą pomiar siły oddziaływań pomiędzy
ładunkami elektrycznymi, przeprowadzony przy użyciu tzw. wagi skręceń, oraz
prace dotyczące sił tarcia i oporu w płynach.
281
Biogramy
Biogram
Benjamin Franklin
Ilustracja 3. Portret Beniamina
Franklina
Data urodzenia:
17.01.1706
Miejsce urodzenia:
Boston
Data śmierci:
17.04.1790
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
Ilustracja 4. Hans Christian
Oersted
282
Biogramy
Data urodzenia:
14.08.1777
Miejsce urodzenia:
RudkØbing
Data śmierci:
09.03.1851
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 Oested opublikował pracę, w której pokazał, że pole magnetyczne wokół przewodnika z prądem ma kształt okręgu.
Biogram
Joseph Henry
Ilustracja 5. Joseph Henry
Data urodzenia:
1797 r.
Miejsce urodzenia:
Alabamy, Nowy Jork
Data śmierci:
1878 r.
Miejsce śmierci:
Waszyngton
283
Biogramy
Joseph Henry był amerykańskim naukowcem. Podczas budowania elektromagnesów odkrył zjawisko samoindukcji elektromagnetycznej oraz indukcji elektromagnetycznej (niezależnie od Faraday'a, który jako pierwszy opublikował
wyniki doświadczeń). Zajmował się praktycznym zastosowaniem elektromagnesów m.in. jest konstruktorem dzwonka elektrycznego iprzekaźnika elektromagnetycznego. Jego praca nad przekaźnikiem była dla Samuela Morse'a
podstawą do zbudowania telegrafu.
Biogram
Gustaw Robert Kirchhoff
Ilustracja 6. Gustaw Robert
Kirchhoff
Data urodzenia:
12.03.1824
Miejsce urodzenia:
Królewiec
Data śmierci:
17.10.1887
Miejsce śmierci:
Berlin
Gustaw Robert Kirchhoff (1824–1887) był niemieckim fizykiem o szerokich zainteresowaniach badawczych. Jest współtwórcą analizy spektralnej, czyli określania składu chemicznego np. mieszaniny pierwiastków poprzez analizę światła emitowanego przez substancje o wysokiej temperaturze. W 1845 r. opublikował prawa dotyczące przepływu prądu elektrycznego, poszerzając tym samym odkrycia Georga Ohma.
284
Biogramy
Biogram
Michael Faraday
Ilustracja 7. Michael Farady
Data urodzenia:
1791 r.
Miejsce urodzenia:
Newington Butts (współcześnie należy
do Londynu)
Data śmierci:
1867 r.
Miejsce śmierci:
Hampton Court
Michael Faraday był angielskim uczonym, który przyczynił się do rozwoju elektromagnetyzmu i elektrochemii. Do jego największych odkryć zalicza się: indukcję elektromagnetyczną, diamagnetyzm i elektrolizę. Jest uznawany za jednego z największych odkrywców, mimo że miał słabe podstawy teoretyczne.
Wyniki badań dotyczących pola magnetycznego wokół przewodnika z prądem
doprowadziły do stworzenia koncepcji pola elektromagnetycznego. Jego odkrycia są podstawą działania silników na prąd stały, i generatorów prądu.
285
Biogramy
Biogram
Karol Olszewski
Ilustracja 8. Karol Olszewski
Data urodzenia:
29.01.1846
Miejsce urodzenia:
Broniszów Tarnowski
Data śmierci:
24.03.1915
Miejsce śmierci:
Kraków
Polski fizyk i chemik, prekursor badań w zakresie niskich temperatur. Jako
pierwszy skroplił tlen, azot i argon.
286
Biogramy
Biogram
Wilhelm Konrad Röntgen
Ilustracja 9. 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 ograniczoną wiedzę nazwał je promieniowaniem X.
Pierwszą osobą, na której przetestował swoje odkrycie, była żona Berta. Dzięki zrobionemu zdjęciu mogła zobaczyć fragment swojego szkieletu, a dokładnie dłoń. Wkrótce po tym Röntgen opublikował wyniki swojej pracy wraz ze
zdjęciem ręki żony, gdyż obawiał się, że ktoś może również dokonać takiego
samego odkrycia jak on. Bardzo szybko znaleziono praktyczne zastosowanie
tego promieniowania w medycynie do wykonywania prześwietleń. Trzy miesiące od odkrycia tych promieni przeprowadzono pierwszą operację z ich wykorzystaniem. Na jego cześć nazwano dawkę promieniowania jonizującego i
pierwiastek o liczbie atomowej 111.
287
Biogramy
Biogram
Tales z Miletu
Ilustracja 10. 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.
Biogram
Alessandro Volta
Ilustracja 11. Alessandro Volta
288
Biogramy
Data urodzenia:
18.2.1745
Miejsce urodzenia:
Como
Data śmierci:
5.3.1827
Miejsce śmierci:
Como
Włoski fizyk i wynalazca, odkrywca metanu, konstruktor elektroskopu i pierwszego kondensatora. W roku 1800 zaprezentował ogniwo, które od jego nazwiska nazwano ogniwem Volty. Profesor uniwersytetu w Pawii.
289
Bibliografia
Bibliografia
Bibliografia
Wilhelm Roentgen – jego odkrycie zmieniło nasze życie, 29 kwietnia 2014, dostępne w Internecie:
http://www.polskieradio.pl/39/156/Artykul/973398,Wilhelm-Roentgen-%E2%80%93-jegoodkrycie-zmienilo-nasze-zycie
290
O e-podręczniku
Rozdział 4. O e-podręczniku
Cele kształcenia - wymagania ogólne:
CEL-E3-GIM-FIZ-1.0-I: Wykorzystanie wielkości fizycznych do opisu poznanych zjawisk lub rozwiązania prostych zadań
obliczeniowych.
CEL-E3-GIM-FIZ-1.0-II: Przeprowadzanie doświadczeń i wyciąganie wniosków z otrzymanych wyników.
CEL-E3-GIM-FIZ-1.0-III: Wskazywanie w otaczającej rzeczywistości przykładów zjawisk opisywanych za pomocą
poznanych praw i zależności fizycznych.
CEL-E3-GIM-FIZ-1.0-IV: Posługiwanie się informacjami pochodzącymi z analizy przeczytanych tekstów (w tym popularnonaukowych).
Moduł: Elektrostatyka / Ładunki elektryczne i ich oddziaływanie. Ładunek elementarny
Autor: Magdalena Grygiel
Licencja: CC BY 3.0
Kontakt: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/iZVh6qXNiT/contact
Wersja WWW: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/iZVh6qXNiT
Hasła podstawy programowej:
E3-GIM-FIZ-1.0-4.2: opisuje jakościowo oddziaływanie ładunków jednoimiennych i różnoimiennych;
E3-GIM-FIZ-1.0-4.5: posługuje się pojęciem ładunku elektrycznego jako wielokrotności ładunku elektronu
(elementarnego);
E3-GIM-FIZ-1.0-8.4: przelicza wielokrotności i podwielokrotności (przedrostki mikro-, mili-, centy-, hekto-, kilo-, mega-);
przelicza jednostki czasu (sekunda, minuta, godzina, doba);
291
O e-podręczniku
Informacje o licencjach osadzonych obiektów (w kolejności występowania w treści modułu):
Glass Lass (https://www.flickr.com): Okładka [Licencja: CC BY 2.0]
desertdutchman (http://foter.com/): Naelektryzowane włosy [Licencja: CC BY 2.0]
Tomorrow Sp.z o.o.: Oddziaływanie elektrostatyczne balonów i swetra [Licencja: CC BY 3.0]
Prelinger Archives (http://archive.org): Katastrofa sterowca „Hindenburg” [Licencja: CC0]
Marcin Sadomski: Atom wodoru [Licencja: CC BY 3.0]
Michał Szymczak: Układ okresowy pierwiastków [Licencja: CC BY 3.0]
Krzysztof Jaworski: Dodatni jon sodu [Licencja: CC BY 3.0]
Krzysztof Jaworski: Jon chloru [Licencja: CC BY 3.0]
Michał Szymczak: Siła Coulomba [Licencja: CC BY 3.0]
ArtMechanic (http://commons.wikimedia.org): Charles Augustin de Coulomb [Licencja: CC0]
Moduł: Elektrostatyka / Elektryzowanie ciał przez tarcie, dotyk i indukcję
Licencja: CC BY 3.0
Kontakt: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/ig00Zd2elj/contact
Wersja WWW: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/ig00Zd2elj
E3-GIM-FIZ-1.0-4.4: stosuje zasadę zachowania ładunku elektrycznego;
(elementarnego);
Hans (https://pixabay.com): Maszyna elektrostatyczna [Licencja: public domain]
Tomorrow Sp.z o.o.: Elektryzowanie włosów przez tarcie [Licencja: CC BY 3.0]
Krzysztof Jaworski, Ingwik (http://commons.wikimedia.org): Obieg wody w przyrodzie [Licencja: CC BY SA 3.0]
Jp Marquis (http://commons.wikimedia.org): Błyskawica [Licencja: CC BY SA 3.0]
Tomorrow Sp.z o.o.: Elektryzowanie ciał przez dotyk [Licencja: CC BY 3.0]
AhNinniah (http://openclipart.org), Krzysztof Jaworski: Instalacja odgromowa [Licencja: CC BY 3.0]
Marcin Sadomski, Magdalena Grygiel: Elektryzowanie przez indukcję [Licencja: CC BY 3.0]
Krzysztof Jaworski, Halfdan (http://commons.wikimedia.org), Indolences, Rainer Klute (http://commons.wikimedia.org),
(http://commons.wikimedia.org): Dipol elektryczny [Licencja: CC BY SA 3.0]
Krzysztof Jaworski, Halfdan (http://commons.wikimedia.org), Indolences (http://commons.wikimedia.org), Liquid_2003
(http://commons.wikimedia.org), Rainer Klute (http://commons.wikimedia.org): Dipol elektryczny [Licencja: CC BY SA
3.0]
Joseph-Siffrein Duplessis (http://commons.wikimedia.org): Portret Beniamina Franklina [Licencja: CC BY 3.0]
Moduł: Elektrostatyka / Przewodniki i izolatory prądu elektrycznego. Przepływ prądu w przewodnikach
292
O e-podręczniku
Licencja: CC BY 3.0
Kontakt: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/iZBhyQyGKl/contact
Wersja WWW: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/iZBhyQyGKl
E3-GIM-FIZ-1.0-4.3: odróżnia przewodniki od izolatorów oraz podaje przykłady obu rodzajów ciał;
E3-GIM-FIZ-1.0-4.6: opisuje przepływ prądu w przewodnikach jako ruch elektronów swobodnych;
Thermos (https://commons.wikimedia.org): Izolator ceramiczny wysokonapięciowy [Licencja: CC BY SA 3.0]
RobertKuhlmann (http://commons.wikimedia.org): Miedź [Licencja: CC BY SA 3.0]
Marekich (http://commons.wikimedia.org), Krzysztof Jaworski: Przekrój przewodu domowej instalacji elektrycznej
[Licencja: CC BY SA 3.0]
Pumbaa, Greg Robson (http://commons.wikimedia.org), edycja: Krzysztof Jaworski: Miedź [Licencja: CC BY SA 2.0]
Krzysztof Jaworski: Elektrony swobodne w przewodniku miedzianym [Licencja: CC BY 3.0]
Thorton (https://commons.wikimedia.org): Kabel elektryczny [Licencja: CC BY 4.0]
epodreczniki.pl: Przewodnictwo jonowe [Licencja: własność prywatna]
Tomorrow Sp.z o.o.: Przewodnictwo jonowe [Licencja: CC BY 3.0]
Luc Viatour (http://commons.wikimedia.org): Korona słoneczna [Licencja: CC BY SA 3.0]
Krzysztof Jaworski: Akumulator [Licencja: CC BY 3.0]
KOJI (http://commons.wikimedia.org), edycja: Krzysztof Jaworski: Zastosowanie krzemu w elementach elektronicznych
nn. (http://commons.wikimedia.org): Karol Olszewski [Licencja: public domain]
Moduł: Elektrostatyka / Zasada zachowania ładunku elektrycznego
Licencja: CC BY 3.0
Kontakt: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/igVNTrEiMs/contact
Wersja WWW: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/igVNTrEiMs
E3-GIM-FIZ-1.0-4.1: opisuje sposoby elektryzowania ciał przez tarcie i dotyk; wyjaśnia, że zjawisko to polega na
przepływie elektronów; analizuje kierunek przepływu elektronów;
(elementarnego);
293
O e-podręczniku
Ludwig Schneider (https://commons.wikimedia.org): Bursztyn [Licencja: CC BY SA 3.0]
Marcin Sadomski: Zasada zachowania ładunku [Licencja: CC BY 3.0]
Krzysztof Jaworski: Instrukcja do doświadczenia, rysunek 1 [Licencja: CC BY 3.0]
Marcin Sadomski: Elektryzowanie ciał przez tarcie [Licencja: CC BY 3.0]
Marcin Sadomski: Elektryzowanie ciał przez dotyk [Licencja: CC BY 3.0]
Marcin Sadomski: Elektryzowanie ciał przez indukcję [Licencja: CC BY 3.0]
Krzysztof Jaworski: Pierwsze prawo Kirchhoffa [Licencja: CC BY 3.0]
Marcin Sadomski, Kevin MacLeod (http://incompetech.com), Krzysztof Jaworski, Tomorrow Sp. z o.o.: Anihilacja pary
elektron-pozyton [Licencja: CC BY 3.0]
Moduł: Elektrostatyka / Podsumowanie wiadomości z elektrostatyki
Autor: Helena Nazarenko-Fogt
Licencja: CC BY 3.0
Kontakt: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/iJXJjt4mEC/contact
Wersja WWW: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/iJXJjt4mEC
(elementarnego);
E3-GIM-FIZ-1.0-9.6: demonstruje zjawisko elektryzowania przez tarcie oraz wzajemnego oddziaływania ciał
naładowanych;
BirnWeins (https://pixabay.com): Powtórzenie wiadomości [Licencja: public domain]
Tomorrow Sp.z o.o.: Zdjęcie elektryzujących się włosów [Licencja: CC BY 3.0]
wizetux (https://www.flickr.com), edycja: Krzysztof Jaworski: Zdjęcie wyładowania iskrowego [Licencja: CC BY NC 2.0]
ContentPlus: Zdjęcie (rysunek) sił coulombowskich dla różnych kombinacji znaków ładunku [Licencja: CC BY 3.0]
ContentPlus: Elektron [Licencja: CC BY 3.0]
PublicDomainPictures (http://pixabay.com): Zdjęcie materiałów przewodzących (metali) i izolatorów (plastik) [Licencja:
public domain]
294
O e-podręczniku
Moduł: Elektrostatyka / Sprawdzian wiadomości – elektrostatyka
Licencja: CC BY 3.0
Kontakt: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/iVDsLtbiRE/contact
Wersja WWW: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/iVDsLtbiRE
(elementarnego);
E3-GIM-FIZ-1.0-9.6: demonstruje zjawisko elektryzowania przez tarcie oraz wzajemnego oddziaływania ciał
naładowanych;
Moduł: Elektryczność / Prąd elektryczny i jego natężenie
Autorzy: Magdalena Grygiel i Ryszard Nych
Licencja: CC BY 3.0
Kontakt: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/isCdF9pTt4/contact
Wersja WWW: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/isCdF9pTt4
E3-GIM-FIZ-1.0-4.7: posługuje się pojęciem natężenia prądu elektrycznego;
E3-GIM-FIZ-1.0-8.5: rozróżnia wielkości dane i szukane;
295
O e-podręczniku
espensorvik (https://www.flickr.com): Wtyczka elektryczna, standard europejski [Licencja: CC BY 2.0]
ContentPlus: Przekrój poprzeczny [Licencja: CC BY 3.0]
Benjamin Crowell (http://commons.wikimedia.org), edycja: Krzysztof Jaworski: Portret André-Marie Ampera [Licencja:
public domain]
Siyavula Education (https://www.flickr.com), Krzysztof Jaworski: Mierniki pomiarowe [Licencja: CC BY 3.0]
ContentPlus: Wykres zależności I(t) [Licencja: CC BY 3.0]
ContentPlus: Wykres zależności I(t) - ćwiczenie aktywizujące [Licencja: CC BY 3.0]
Moduł: Elektryczność / Napięcie elektryczne
Licencja: CC BY 3.0
Kontakt: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/iAVHpdF1Cy/contact
Wersja WWW: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/iAVHpdF1Cy
E3-GIM-FIZ-1.0-4.8: posługuje się (intuicyjnie) pojęciem napięcia elektrycznego;
E3-GIM-FIZ-1.0-8.12: planuje doświadczenie lub pomiar, wybiera właściwe narzędzia pomiaru; mierzy: czas, długość,
masę, temperaturę, napięcie elektryczne, natężenie prądu.
Pavel Yudaev (https://www.flickr.com): Gniazdko elektryczne w koreańskim hotelu [Licencja: CC BY 2.0]
Krzysztof Jaworski: Napięcie elektryczne [Licencja: CC BY 3.0]
Anton Fomkin (https://www.flickr.com), edycja: Krzysztof Jaworski: Bateria 1,5 V („paluszek”) [Licencja: CC BY 2.0]
brudix (https://pixabay.com/), edycja: Krzysztof Jaworski: Bateria o napięciu 4,5V (tzw. bateria „płaska”) [Licencja: CC BY
3.0]
Evan-Amos (http://commons.wikimedia.org), edycja: Krzysztof Jaworski: Akumulator do telefonu komórkowego o
napięciu 3,7 V (widok dwustronny) [Licencja: CC BY 3.0]
Jenud (https://www.flickr.com), Becky Stern (https://www.flickr.com): Woltomierze [Licencja: CC BY SA 2.0]
Luigi Chiesa (https://commons.wikimedia.org): Alessandro Volta [Licencja: public domain]
Moduł: Elektryczność / Badanie zależności między natężeniem prądu a napięciem elektrycznym w obwodzie
Licencja: CC BY 3.0
Kontakt: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/i0nzwbccs4/contact
296
O e-podręczniku
Wersja WWW: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/i0nzwbccs4
E3-GIM-FIZ-1.0-4.12: buduje proste obwody elektryczne i rysuje ich schematy;
E3-GIM-FIZ-1.0-9.7: buduje prosty obwód elektryczny według zadanego schematu (wymagana jest znajomość symboli
elementów: ogniwo, opornik, żarówka, wyłącznik, woltomierz, amperomierz);
h080 (https://www.flickr.com/): Schemat elektryczny nadajnika i urządzenie zbudowane na podstawie tego schematu
edycja: Krzysztof Jaworski ???? (wànlǐ máo shū), http://commons.wikimedia.org/: Schemat budowy zasilacza [Licencja: CC
BY 3.0]
Krzysztof Jaworski: Elementy obwodu elektrycznego i ich symbole [Licencja: CC BY 3.0]
Anna Jasnos: Obwód elektryczny 5 [Licencja: własność prywatna]
Krzysztof Jaworski: Schemat prostego obwodu elektrycznego [Licencja: CC BY 3.0]
Moduł: Elektryczność / Prawo Ohma i jego zastosowanie. Opór elektryczny
Licencja: CC BY 3.0
Kontakt: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/i0L27PN8AQ/contact
Wersja WWW: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/i0L27PN8AQ
E3-GIM-FIZ-1.0-4.9: posługuje się pojęciem oporu elektrycznego, stosuje prawo Ohma w prostych obwodach
elektrycznych;
E3-GIM-FIZ-1.0-8.1: opisuje przebieg i wynik przeprowadzanego doświadczenia, wyjaśnia rolę użytych przyrządów,
wykonuje schematyczny rysunek obrazujący układ doświadczalny;
E3-GIM-FIZ-1.0-8.6: odczytuje dane z tabeli i zapisuje dane w formie tabeli;
E3-GIM-FIZ-1.0-8.7: rozpoznaje proporcjonalność prostą na podstawie danych liczbowych lub na podstawie wykresu
oraz posługuje się proporcjonalnością prostą;
E3-GIM-FIZ-1.0-8.8: sporządza wykres na podstawie danych z tabeli (oznaczenie wielkości i skali na osiach), a także
odczytuje dane z wykresu;
E3-GIM-FIZ-1.0-9.8: wyznacza opór elektryczny opornika lub żarówki za pomocą woltomierza i amperomierza;
297
O e-podręczniku
Robert Anders (https://www.flickr.com): Linia wysokiego napięcia [Licencja: CC BY 2.0]
Krzysztof Jaworski: Opór [Licencja: CC BY 3.0]
Brak autora (https://commons.wikimedia.org): Georg Simon Ohm [Licencja: public domain]
Krzysztof Jaworski: Wskazówka [Licencja: CC BY 3.0]
Krzysztof Jaworski: Zadanie 3 [Licencja: CC BY 3.0]
Moduł: Elektryczność / Połączenie szeregowe odbiorników
Licencja: CC BY 3.0
Kontakt: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/iO3AqHsNcl/contact
Wersja WWW: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/iO3AqHsNcl
elektrycznych;
E3-GIM-FIZ-1.0-8.11: zapisuje wynik pomiaru lub obliczenia fizycznego jako przybliżony (z dokładnością do 2-3 cyfr
znaczących);
Jarosław Zachwieja: Komora zasilania lampy błyskowej [Licencja: CC0]
Krzysztof Jaworski: Opór zastępczy w połączeniu szeregowym [Licencja: CC BY 3.0]
Moduł: Elektryczność / Połączenie równoległe odbiorników
298
O e-podręczniku
Licencja: CC BY 3.0
Kontakt: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/ime5s9ZIxT/contact
Wersja WWW: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/ime5s9ZIxT
elektrycznych;
znaczących);
Nik Stanbridge (https://www.flickr.com/): Oświetlenie sali konferencyjnej [Licencja: CC BY NC ND 2.0]
Krzysztof Jaworski: Prawo Kirchhoffa [Licencja: CC BY 3.0]
Krzysztof Jaworski: Połączenie równoległe oporników [Licencja: CC BY 3.0]
Krzysztof Jaworski: Prawo Kirchhoffa [Licencja: CC BY 3.0]
Krzysztof Jaworski: Połączenie równoległe - opór zastępczy [Licencja: CC BY 3.0]
Krzysztof Jaworski: Połączenie równoległe [Licencja: CC BY 3.0]
QWerk (http://commons.wikimedia.org): Gustaw Robert Kirchhoff [Licencja: public domain]
Moduł: Elektryczność / Praca prądu elektrycznego
Licencja: CC BY 3.0
Kontakt: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/i0UuWFTPxG/contact
Wersja WWW: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/i0UuWFTPxG
299
O e-podręczniku
E3-GIM-FIZ-1.0-4.11: przelicza energię elektryczną podaną w kilowatogodzinach na dżule i dżule na kilowatogodziny;
znaczących);
Nick Hubbard (https://www.flickr.com): Licznik energii elektrycznej, wskazanie zużycia prądu [Licencja: CC BY 2.0]
Henry Roscoe (https://commons.wikimedia.org): James Prescoult Joule [Licencja: public domain]
Moduł: Elektryczność / Moc prądu elektrycznego
Licencja: CC BY 3.0
Kontakt: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/iJK7EVohsp/contact
Wersja WWW: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/iJK7EVohsp
elektrycznych;
E3-GIM-FIZ-1.0-4.10: posługuje się pojęciem pracy i mocy prądu elektrycznego;
znaczących);
Jarosław Zachwieja: Tabliczka znamionowa elektrycznej piły łańcuchowej [Licencja: CC0]
Krzysztof Jaworski: Moc prądu w obwodzie [Licencja: CC BY 3.0]
Krzysztof Jaworski: Moc żarówki [Licencja: CC BY 3.0]
Kamil Porembiński (http://commons.wikimedia.org): Moc prądu w obwodzie [Licencja: CC BY SA 2.0]
Moduł: Elektryczność / Wyznaczanie oporu elektrycznego i mocy wydzielanej w oporniku zasilanym z baterii.
Niepewności pomiarów
300
O e-podręczniku
Licencja: CC BY 3.0
Kontakt: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/i1D0weIoYU/contact
Wersja WWW: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/i1D0weIoYU
elektrycznych;
E3-GIM-FIZ-1.0-8.10: posługuje się pojęciem niepewności pomiarowej;
znaczących);
E3-GIM-FIZ-1.0-9.9: wyznacza moc żarówki zasilanej z baterii za pomocą woltomierza i amperomierza;
Dennis van Zuijlekom (https://www.flickr.com): Zestaw badawczy i kontrolny z multimetrem [Licencja: CC BY SA 2.0]
Moduł: Elektryczność / Podsumowanie wiadomości o elektryczności
Licencja: CC BY 3.0
Kontakt: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/iSD2gR2mbd/contact
Wersja WWW: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/iSD2gR2mbd
301
O e-podręczniku
elektrycznych;
znaczących);
Chris Ford (https://www.flickr.com): Burza nocna nad Nowym Jorkiem [Licencja: CC BY NC 2.0]
ContentPlus: Uproszczony rysunek symbolizujący mikroskopowy obraz prądu elektrycznego [Licencja: CC BY 3.0]
ContentPlus: Symbol wysokiego napięcia elektrycznego [Licencja: CC BY 3.0]
ContentPlus: Rysunek ilustrujący w sposób zabawny ale poprawny merytorycznie treść prawa Ohma [Licencja: CC BY
3.0]
ContentPlus: Rysunek przedstawia jakościowe charakterystyki prądowo-napieciowe dwóch oporników omowych o
oporach R1 i R2 , przy czym R1 < R2.. [Licencja: CC BY 3.0]
Tomorrow Sp.z o.o.: Zdjęcie prostego obwodu elektrycznego [Licencja: CC BY 3.0]
ContentPlus: Rysunek schematu elektrycznego [Licencja: CC BY 3.0]
Krzysztof Jaworski: Elementy obwodu elektrycznego i ich symbole [Licencja: CC BY 3.0]
ContentPlus: Uproszczony schemat kilku oporników połączonych szeregowo [Licencja: CC BY 3.0]
ContentPlus: Uproszczony schemat kilku oporników połączonych równolegle [Licencja: CC BY 3.0]
Hans (https://pixabay.com), Krzysztof Jaworski: Zdjęcie urządzenia elektrycznego wraz z napisem informującym o jego
mocy [Licencja: CC BY 3.0]
Mike1024 (https://commons.wikimedia.org), edycja: Krzysztof Jaworski: Zdjęcie fragmentu licznika energii elektrycznej
[Licencja: CC BY 3.0]
jeff_golden (https://www.flickr.com/): Zdjęcie oporników [Licencja: CC BY SA 2.0]
GLammel (https://commons.wikimedia.org): Zdjęcie żarówki dużej mocy [Licencja: CC BY SA 3.0]
Moduł: Elektryczność / Sprawdzian wiadomości o elektryczności
302
O e-podręczniku
Licencja: CC BY 3.0
Kontakt: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/iePRbilFI1/contact
Wersja WWW: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/iePRbilFI1
elektrycznych;
znaczących);
Moduł: Magnetyzm i elektromagnetyzm / Oddziaływania magnetyczne
Licencja: CC BY 3.0
Kontakt: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/iAzYAhMRSl/contact
Wersja WWW: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/iAzYAhMRSl
303
O e-podręczniku
E3-GIM-FIZ-1.0-5.1: nazywa bieguny magnetyczne magnesów trwałych i opisuje charakter oddziaływania między nimi;
E3-GIM-FIZ-1.0-5.3: opisuje oddziaływanie magnesów na żelazo i podaje przykłady wykorzystania tego oddziaływania;
Nate Weigle (https://www.flickr.com): Ferrofluid oddziałujący z namagnesowaną metalową śrubą [Licencja: CC BY NC
ND 2.0]
Ryan Somma (https://www.flickr.com): Zdjęcie magnetytu [Licencja: CC BY SA 2.0]
daynoir (https://www.flickr.com), edycja: Krzysztof Jaworski: Linie pola magnetycznego wokół magnesu sztabkowego
[Licencja: CC BY NC SA 2.0]
Anita Mowczan: Pole magnetyczne wokół Ziemi [Licencja: CC BY 3.0]
Anita Mowczan: Pasy Van Allena [Licencja: CC BY 3.0]
Eric Gaba (http://commons.wikimedia.org): Arystoteles [Licencja: CC BY SA 2.5]
Ernst Wallis et al (http://commons.wikimedia.org): Tales z Miletu [Licencja: public domain]
Moduł: Magnetyzm i elektromagnetyzm / Pole magnetyczne wokół przewodnika z prądem. Elektromagnesy i ich
zastosowanie
Licencja: CC BY 3.0
Kontakt: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/ic1Ezp5YEk/contact
Wersja WWW: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/ic1Ezp5YEk
E3-GIM-FIZ-1.0-5.4: opisuje działanie przewodnika z prądem na igłę magnetyczną;
E3-GIM-FIZ-1.0-5.5: opisuje działanie elektromagnesu i rolę rdzenia w elektromagnesie;
E3-GIM-FIZ-1.0-8.2: wyodrębnia zjawisko z kontekstu, wskazuje czynniki istotne i nieistotne dla wyniku doświadczenia;
E3-GIM-FIZ-1.0-9.10: demonstruje działanie prądu w przewodzie na igłę magnetyczną (zmiany kierunku wychylenia przy
zmianie kierunku przepływu prądu, zależność wychylenia igły od pierwotnego jej ułożenia względem przewodu);
Saruno Hirobano (https://commons.wikimedia.org): Superszybki pociąg magnetyczny L0 Maglev podczas testów
Tomorrow sp.z o.o.: Oddziaływanie na odległość [Licencja: CC BY 3.0]
UniServeScienceVIDEO (https://www.youtube.com), Krzysztof Jaworski, Kevin MacLeod (http://incompetech.com),
Tomorrow Sp. z o.o.: Pole magnetyczne [Licencja: CC BY 3.0]
Krzysztof Jaworski: Budowa elektromagnesu [Licencja: CC BY 3.0]
Nico-dk (https://commons.wikimedia.org): Hans Christian Oersted [Licencja: public domain]
304
O e-podręczniku
Moduł: Magnetyzm i elektromagnetyzm / Działanie silnika elektrycznego prądu stałego
Autor: Ryszard Nych
Licencja: CC BY 3.0
Kontakt: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/iK4r1Uta7c/contact
Wersja WWW: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/iK4r1Uta7c
E3-GIM-FIZ-1.0-5.6: opisuje wzajemne oddziaływanie magnesów z elektromagnesami i wyjaśnia działanie silnika
elektrycznego prądu stałego.
S.J. de Waard (https://en.wikipedia.org): Silnik elektryczny w przekroju [Licencja: CC BY SA 3.0]
Krzysztof Jaworski: Badanie siły elektrodynamicznej [Licencja: CC BY 3.0]
Krzysztof Jaworski: Kierunek i zwrot siły elektrodynamicznej [Licencja: CC BY 3.0]
Krzysztof Jaworski: Zasada budowy i działania silnika elektrycznego [Licencja: CC BY 3.0]
Moduł: Magnetyzm i elektromagnetyzm / Wzbudzanie przepływu prądu elektrycznego
Licencja: CC BY 3.0
Kontakt: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/iaXGEN9qoy/contact
Wersja WWW: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/iaXGEN9qoy
305
O e-podręczniku
yum9me (https://www.flickr.com): Zasilacz do komputera przenośnego wraz z okablowaniem i akumulatorem [Licencja:
CC BY NC ND 2.0]
Tagishsimon (https://commons.wikimedia.org): Michael Farady [Licencja: public domain]
ContentPlus: Indukcja [Licencja: CC BY 3.0]
Mathew Brady or Levin Handy (https://commons.wikimedia.org): Joseph Henry [Licencja: public domain]
ContentPlus: Dynamo [Licencja: CC BY 3.0]
Zátonyi Sándor (https://commons.wikimedia.org), BillC (https://commons.wikimedia.org), Krzysztof Jaworski:
Transformator [Licencja: CC BY SA 3.0]
ContentPlus: Przesył energii [Licencja: CC BY 3.0]
Moduł: Magnetyzm i elektromagnetyzm / Podział fal elektromagnetycznych oraz ich zastosowanie
Licencja: CC BY 3.0
Kontakt: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/iRyWbwyOEA/contact
Wersja WWW: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/iRyWbwyOEA
E3-GIM-FIZ-1.0-7.9: opisuje zjawisko rozszczepienia światła za pomocą pryzmatu;
E3-GIM-FIZ-1.0-7.12: nazywa rodzaje fal elektromagnetycznych (radiowe, mikrofale, promieniowanie podczerwone,
światło widzialne, promieniowanie nadfioletowe i rentgenowskie) i podaje przykłady ich zastosowania.
Georgie Sharp (https://www.flickr.com): Światło widzialne również jest pewnym rodzajem fal elektromagnetycznych
[Licencja: CC BY NC 2.0]
Krzysztof Jaworski: Fale [Licencja: CC BY 3.0]
Lars Lindberg Christensen (https://commons.wikimedia.org): Radioteleskop APEX [Licencja: CC BY SA 4.0]
NASAblueshift (https://www.flickr.com): Rodzące się gwiazdy w mgławicy [Licencja: CC BY 2.0]
Krzysztof Jaworski: Spektrum światła widzialnego [Licencja: CC BY 3.0]
ContentPlus: Czułość oka ludzkiego na poszczególne kolory [Licencja: CC BY 3.0]
luisjromero (https://www.flickr.com): Lampa kwarcowa [Licencja: CC BY 2.0]
Linforest (https://commons.wikimedia.org), Stephen Curry (https://www.flickr.com), Aaavendano
(https://commons.wikimedia.org), Leanne (https://www.flickr.com), Krzysztof Jaworski: Zastosowanie promieniowania
rentgenowskiego [Licencja: CC BY NC SA 3.0]
McZusatz (https://commons.wikimedia.org): Wilhelm Roentgen [Licencja: public domain]
Moduł: Magnetyzm i elektromagnetyzm / Podsumowanie wiadomości o magnetyzmie
306
O e-podręczniku
Licencja: CC BY 3.0
Kontakt: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/iDz1RLUPYk/contact
Wersja WWW: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/iDz1RLUPYk
E3-GIM-FIZ-1.0-5.2: opisuje zachowanie igły magnetycznej w obecności magnesu oraz zasadę działania kompasu;
E3-GIM-FIZ-1.0-7.9: opisuje zjawisko rozszczepienia światła za pomocą pryzmatu;
Dugald Caleb (https://www.flickr.com): Ilustracja z podręcznika o naturze zjawisk magnetycznych i ich wykorzystywaniu
wydrukowanego w 1919 roku. [Licencja: CC0]
Anita Mowczan: Zdjęcie magnesu sztabkowego z oznaczonymi biegunami [Licencja: CC BY 3.0]
oskay (https://www.flickr.com): Linie pola magnetycznego [Licencja: CC BY 2.0]
Anita Mowczan: Pole magnetyczne wokół Ziemi [Licencja: CC BY 3.0]
ben_osteen (https://www.flickr.com): Zdjęcie drobnych przedmiotów (spinaczy, szpilek) przyciągniętych przez magnes
Tomorrow Sp. z o.o.: Doświadczenia Oersteda [Licencja: CC BY 3.0]
UniServeScienceVIDEO (https://www.youtube.com): Zdjęcie linii pola magnetyczne wokół przewodnika liniowego
Krzysztof Jaworski: Linie pola magnetycznego zwojnicy [Licencja: CC BY 3.0]
Pearson Scott Foresman (https://commons.wikimedia.org): Elektromagnes [Licencja: public domain]
Luigi Chiesa (https://commons.wikimedia.org): Zdjęcie modelu silnika na prąd stały [Licencja: CC BY SA 3.0]
Krzysztof Jaworski: Zdjęcie typowego zestawu do wzbudzania prądu indukcyjnego [Licencja: CC BY 3.0]
Mtodorov 69 (https://commons.wikimedia.org): Zdjęcie transformatora lub jego modelu [Licencja: CC BY SA 3.0]
ContentPlus: Szereg 6 symboli charakteryzujących różne typy fal elektromagnetycznych [Licencja: CC BY 3.0]
Krzysztof Jaworski: Przewodnik umieszczony pomiędzy biegunami magnesu [Licencja: CC BY 3.0]
Moduł: Magnetyzm i elektromagnetyzm / Sprawdzian wiadomości o magnetyzmie
Licencja: CC BY 3.0
Kontakt: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/ivSZCukV7h/contact
307
O e-podręczniku
Wersja WWW: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/ivSZCukV7h
E3-GIM-FIZ-1.0-5.2: opisuje zachowanie igły magnetycznej w obecności magnesu oraz zasadę działania kompasu;
Moduł: Definicje
Moduł wygenerowany przez platformę
Licencja: CC BY 3.0
Kontakt: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/140589_13_glossary/contact
Wersja WWW: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/140589_13_glossary
Moduł: Pojęcia
Licencja: CC BY 3.0
Kontakt: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/140589_13_concept/contact
Wersja WWW: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/140589_13_concept
Krzysztof Jaworski, Halfdan (http://commons.wikimedia.org), Indolences (http://commons.wikimedia.org), Liquid_2003
(http://commons.wikimedia.org), Rainer Klute (http://commons.wikimedia.org): Dipol elektryczny [Licencja: CC BY SA
3.0]
Moduł: Biogramy
308
O e-podręczniku
Licencja: CC BY 3.0
Kontakt: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/140589_13_biography/contact
Wersja WWW: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/140589_13_biography
Eric Gaba (http://commons.wikimedia.org): Arystoteles [Licencja: CC BY SA 2.5]
ArtMechanic (http://commons.wikimedia.org): Charles Augustin de Coulomb [Licencja: CC0]
Joseph-Siffrein Duplessis (http://commons.wikimedia.org): Portret Beniamina Franklina [Licencja: CC BY 3.0]
Nico-dk (https://commons.wikimedia.org): Hans Christian Oersted [Licencja: public domain]
Mathew Brady or Levin Handy (https://commons.wikimedia.org): Joseph Henry [Licencja: public domain]
QWerk (http://commons.wikimedia.org): Gustaw Robert Kirchhoff [Licencja: public domain]
Tagishsimon (https://commons.wikimedia.org): Michael Farady [Licencja: public domain]
nn. (http://commons.wikimedia.org): Karol Olszewski [Licencja: public domain]
McZusatz (https://commons.wikimedia.org): Wilhelm Roentgen [Licencja: public domain]
Ernst Wallis et al (http://commons.wikimedia.org): Tales z Miletu [Licencja: public domain]
Luigi Chiesa (https://commons.wikimedia.org): Alessandro Volta [Licencja: public domain]
Moduł: Bibliografia
Licencja: CC BY 3.0
Kontakt: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/140589_13_bibliography/contact
Wersja WWW: http://www.epodreczniki.pl/reader/c/140589/v/13/t/student-canon/m/140589_13_bibliography
Lista licencji
309
O e-podręczniku
E-podręczniki 1.0 http://www.epodreczniki.pl/licenses/e-podreczniki/1.0
domena publiczna http://www.epodreczniki.pl/licenses/domena-publiczna/1.0
tylko do użytku edukacyjnego http://www.epodreczniki.pl/licenses/tylko-do-uzytku-edukacyjnego/1.0
tylko do użytku edukacyjnego na epodreczniki.pl http://www.epodreczniki.pl/licenses/tylko-do-uzytku-edukacyjnego-naepodreczniki_pl/1.0
tylko do użytku niekomercyjnego http://www.epodreczniki.pl/licenses/tylko-do-uzytku-niekomercyjnego/1.0
CC 0 1.0 http://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/legalcode
CC BY 1.0 https://creativecommons.org/licenses/by/1.0/legalcode
CC BY 2.0 https://creativecommons.org/licenses/by/2.0/pl/legalcode
CC BY 2.5 https://creativecommons.org/licenses/by/2.5/pl/legalcode
CC BY 3.0 http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/pl/legalcode
CC BY 4.0 https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/legalcode
CC BY SA 1.0 https://creativecommons.org/licenses/by-sa/1.0/legalcode
CC BY SA 2.0 https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/pl/legalcode
CC BY SA 4.0 https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/legalcode
CC BY ND 1.0 https://creativecommons.org/licenses/by-nd/1.0/legalcode
CC BY ND 2.0 https://creativecommons.org/licenses/by-nd/2.0/pl/legalcode
CC BY ND 4.0 https://creativecommons.org/licenses/by-nd/4.0/legalcode
CC BY NC 1.0 https://creativecommons.org/licenses/by-nc/1.0/legalcode
CC BY NC 2.0 https://creativecommons.org/licenses/by-nc/2.0/pl/legalcode
CC BY NC 4.0 https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/legalcode
CC BY NC ND 2.0 https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.0/pl/legalcode
CC BY NC ND 4.0 https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/legalcode
CC BY NC SA 1.0 https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/1.0/legalcode
CC BY NC SA 2.0 https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.0/pl/legalcode
CC BY NC SA 4.0 https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/legalcode
310

Świat pod lupą - Epodreczniki.pl

Transkrypt

Podobne dokumenty

Prąd elektryczny