Dane INFORMACYJNE

Dane INFORMACYJNE • Nazwa szkoły: • Zespół Szkół Ponadgimnazjalnych im. Franciszka Ratajczaka w Kościanie • ID grupy: 97/45_MF_G1 • Opiekun: Anna Berlińska • Kompetencja: Matematyczno - fizyczna • Temat projektowy: Gdy płynie prąd • Semestr/rok szkolny: • Semestr drugi / rok szkolny 2010/2011

wstęp • W drugim semestrze zajęć projektu „AS KOMPETENCJI” jako temat naszej pracy w wybraliśmy „Gdy płynie prąd”. • Zainteresowaliśmy się przepływem prądu między innymi dlatego, że realizowany przez naszą szkołę program nauczania zagadnienia związane w prądem omawia w klasie drugiej, do której obecnie uczęszczamy. Dzięki temu tematowi mogliśmy się bardziej zagłębić w istotę prądu oraz poznać bliżej zjawiska związane z jego przepływem. • Celem naszego przedsięwzięcia było poznanie praw fizycznych związanych z przepływem prądu, udowodnienie tych praw, poznanie skutków przepływu prądu przez różne materiały oraz obserwacja skutków przepływu prądu.

wstęp • Dzięki dostarczonemu do szkoły sprzętowi doświadczalnemu byliśmy w stanie przeprowadzić szereg doświadczeń, które pomogły nam zrozumieć zachodzące zjawiska związane z przepływem prądu. • Prace prowadziliśmy w grupach – każdy miał swoje wyznaczone zadania i staraliśmy się je w pełni realizować. • Podzieleni byliśmy na dwie główne grupy : jedna zajmowała się przygotowaniem i przeprowadzaniem doświadczeń, druga opracowaniem wyników pomiarów i ich interpretacją. Prezentację opracowywaliśmy wspólnie w zależności od wcześniejszych zadań.

wstęp • Prezentacja ta obejmuje zagadnienia związane z przepływem prądu stałego. • Omawiamy w niej pojęcia takie jak natężenie prądu, napięcie, opór właściwy, przewodnik, półprzewodnik, izolator, praca i moc prądu elektrycznego. • Jednym z elementów tej prezentacji jest także opis związanego z przepływem prądu pola magnetycznego. • Staraliśmy się, aby ta praca odzwierciedlała nasze działania podejmowane przy tym projekcie. Mamy nadzieję że nam się udało. • Zapraszamy na prezentację.

Podstawy teoretyczne – prąd elektryczny • Prąd elektryczny jest to uporządkowany ruch ładunków elektrycznych. Ładunki poruszają się pod wpływem siły elektrycznej. • Szybkość takiego przepływu ładunków opisuje nam wielkość nazywana natężeniem prądu: • Powyższy wzór służy do wyprowadzenia jednostki natężenia prądu jaką jest amper:

Podstawy teoretyczne – prąd elektryczny • Dokładna definicja natężenia prądu brzmi następująco: • Natężenie prądu jest to stosunek ładunku przepływającego przez przekrój poprzeczny przewodnika do czasu jego przepływu. • W metalach prąd tworzy ruch elektronów, w cieczach z kolei ruch jonów, zaś gazach ruch zarówno jonów jak i swobodnych elektronów. • Jako kierunek rozchodzenia prądu elektrycznego umownie przyjmuje się kierunek poruszania się ładunków dodatnich. W zamkniętym obwodzie elektrycznym, jest to kierunek od plusa do minusa.

Podstawy teoretyczne – prąd elektryczny • Kolejną wielkością opisującą przepływ prądu jest napięcie prądu. • Jest to różnica potencjałów pomiędzy dwoma punktami, która określa przepływ prądu elektrycznego w obwodzie, im większe napięcie tym większy będzie przepływ prądu elektrycznego. Napięcie elektryczne oznaczamy jako U i mierzymy je w woltach[V]. • Jednostkę definiujemy : • Co wynika ze wzoru:

Podstawy teoretyczne – prąd elektryczny • Każdy ośrodek cechuje się oporem. Opór elektryczny jest to wielkość charakteryzująca przeciwdziałanie przepływowi prądu elektrycznego ze strony elementu przewodzącego prąd. Zależy on od tzw. oporu właściwego substancji a jego wartość jest różna dla różnych materiałów. • Zależność oporu od oporu właściwego wyraża się wzorem: • R –opór ρ-opór właściwy S – pole przekroju poprzecznego elementu, l – długość elementu.

Podstawy teoretyczne – prąd elektryczny • Opory możemy ze sobą łączyć szeregowo: • Wówczas opór zastępy całego układu wynosi:

Podstawy teoretyczne – prąd elektryczny • Opory możemy też łączyć równolegle – wtedy to opór układy maleje: • I wyznaczamy go następująco:

Podstawy teoretyczne – prąd elektryczny • Ze względu na opór właściwy ciała dzieli się na następujące grupy: • -Metale będące bardzo dobrymi przewodnikami (opór właściwy rzędu 10−8 Ω·m), • -półprzewodniki (opór właściwy rzędu 10−6 Ω·m), • - izolatory (opór właściwy rzędu 1010 - 1016 Ω·m). • Granice te są umowne, w różnych dziedzinach techniki i fizyki używa się różnych.

Podstawy teoretyczne – prąd elektryczny • Podział ten można także opisać następująco: • -przewodniki – ciała, w których ładunki elektryczne mogą łatwo przenosić się z miejsca na miejsce • -dielektryki (izolatory)- ciała, w których nie występują elektrony swobodne, ani jony dodatnie czy ujemne, które mogłyby się swobodnie poruszać w ich wnętrzu, • - półprzewodniki- substancje zachowujące się w pewnych warunkach jak dielektryk, a w innych jak przewodnik.

Podstawy teoretyczne – prąd elektryczny • W wyniku przepływu prądu przewodnik nagrzewa się - bierze się to stąd, że prąd który przepływa przez przewodnik wykonuje pewną pracę. Zmienia się wówczas energia wewnętrzna przewodnika i jednocześnie jego temperatura wzrasta. Efekt ten wykorzystywany jest w takich urządzeniach jak czajniki, żelazka oraz grzejniki elektrycznych. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta opór przewodnika : • RT = RO(1 + αΔT) • RT - rezystancja w temperaturze T [Ω], R0 - rezystancja w temperaturze odniesienia T0 [Ω], α - temperaturowy współczynnik rezystancji [K-1], ΔT - zmiana temperatury równa T-T0 [K],

Podstawy teoretyczne – prąd elektryczny • W półprzewodnikach wraz ze wzrostem temperatury opór maleje. Im wyższa temperatura tym lepiej będą przewodzić prąd. • W niektórych materiałach w pewnej temperaturze, zwanej temperaturą przejścia, opór właściwy spada gwałtownie do zera, przechodzą one w stan nadprzewodnictwa. • Zależność taka jest typowa dla bardzo wielu metali i stopów. Temperatura ta zależy od rodzaju (składu chemicznego i struktury) materiału, a także od czynników zewnętrznych – ciśnienia i pola magnetycznego.

Podstawy teoretyczne – prąd elektryczny • Skupimy się głównie na przepływie prądu w ciałach stałych, choć najbardziej widowiskowy jest przepływ prądu w gazach. Możemy go zaobserwować podczas burzy , gdyż pioruny to nic innego jak prąd elektryczny. Piorun sam w sobie jest przepływem energii elektrycznej. Pioruny w przyrodzie powstają przez gromadzenie się ładunków elektrycznych w chmurach.

Podstawy teoretyczne – prąd elektryczny • W pierwszej fazie powstawania piorunu następuje gromadzenie się ładunków w dolnej części chmury na skutek zderzeń kryształków lodu znajdujących się wewnątrz chmury. Napięcie zapłonu jest rzędu 1000000V.Taki potencjał chmura wytwarza w ciągu pół godziny dzięki silnym, wstępującym i zstępującym prądom powietrza.

Podstawy teoretyczne – prąd elektryczny • W chmurze burzowej występują duże krople deszczu, bryłki gradu i lodu. Wędrują one, zderzają się, a rozpadając się na mniejsze wytwarzają ładunki elektryczne. Cząstki spadające zyskują ładunek ujemny, zaś unoszące się - ładunek dodatni.

Podstawy teoretyczne – prąd elektryczny W związku z tym, ładunki ujemne gromadzą się w dolnej części chmury, z kolei dodatnie w górnej. Zgodnie z regułami fizyki, w polu elektrycznym ujemne elektrony przesuwają się w kierunku źródła ładunków dodatnich, zaś dodatnio naładowane jądra wolą np. elektrodę, ziemię lub część chmury naładowaną ujemnie.

Podstawy teoretyczne – prąd elektryczny • Jeżeli ładunki natrafią na przeszkodę gromadzą się aż powstała różnica potencjałów pozwoli uzyskać na tyle dużą energię by przebić się przez przeszkodę.

Podstawy teoretyczne – prąd elektryczny • Może to być wyładowanie pomiędzy różnymi chmurami, między różnymi obszarami jednej chmury, ziemią lub wodą. Elektrony zaczynają poruszać się w kierunku ziemi tworząc tzw. wyładowanie pilotujące (to wyładowanie porusza się małymi odcinkami rzędu 30 metrów). Jeżeli jest wystarczająco duże natężenie pola elektrycznego to nastąpi rozwój wyładowania głównego.

Podstawy teoretyczne – prąd elektryczny • Po przebyciu kilkudziesięciu metrów wyładowanie zatrzymuje się na mikrosekundy, pokonuje kolejne kilkadziesiąt metrów, zatrzymuje się itd. Strumień ten jonizuje powietrze przed sobą, by zmniejszyć elektryczny opór powietrza.

Podstawy teoretyczne – prąd elektryczny • Początek 'pilota' porusza się z prędkością 10-100 tys. km/s i nie dosięga zwykle ziemi. Następnie po tym samym kanale, co wyładowanie pilotujące, od chmury wybiega wyładowanie określane jako wstępne. Porusza się ono też przerywanym ruchem, ale z prędkością ok. 10 000 km/s.

Podstawy teoretyczne – prąd elektryczny • Świecenie kanału jest teraz intensywne. To wyjątkowo jasne wyładowanie zaczyna biec kanałem w górę i przenosi do chmury prądy dodatnie zwane powrotnymi. Następują kolejne wyładowania wstępne oraz powrotne. Cykl powtarzany jest kilkakrotnie w ciągu ułamka sekundy, dopóki ładunki w chmurze nie zostaną zobojętnione.

Podstawy teoretyczne – prąd elektryczny • Po połączeniu następuje przepływ prądu elektrycznego w kanale wyładowania głównego od ziemi do chmury. Powietrze rozdziera błysk pioruna przelatującego z prędkością 100 000 km/h. Natężenie płynącego prądu może sięgać dziesiątek tysięcy amperów i stanowi śmiertelne zagrożenie. Przy pomocy satelity badawczego BS6651 zbadano średnie natężenie prądu płynącego przez błyskawicę:- 1% uderzenia ponad 200kA- 10% uderzenia ponad 80kA- 50% uderzenia ponad 28kA- 90% uderzenia ponad 8kA- 99% uderzenia ponad 3kA

Podstawy teoretyczne – prąd elektryczny • Jak już wcześniej wspomnieliśmy – przepływ prądu w postaci błyskawic jest bardzo widowiskowy - podobnie jak przepływ prądu w kuli plazmowej… • Po krótkim opisie wielkości opisujących prąd oraz po charakterystyce ośrodków ze względu na ich właściwości przejdźmy do praw fizycznych rządzących przepływem prądu.

Podstawy teoretyczne – prąd elektryczny • Z zasady zachowania ładunku wynika, że nie może on „zniknąć”. • Ma to swoje odzwierciedlenie w pierwszym prawie Kirchhoffa, które mówi nam , że: • Suma natężeń prądów wpływających do rozgałęzienia, równa jest sumie natężeń prądów wypływających z tego rozgałęzienia. • Czyli: I1+I2=I3+I4+I5

Podstawy teoretyczne – prąd elektryczny • W przypadku, gdy opór przewodnika nie zależy od napięcia ani od natężenia prądu wówczas spełnione jest Prawo Ohma:Stosunek natężenia prądu płynącego przez przewodnik do napięcia pomiędzy jego końcami jest wielkością stałą, niezależną od napięcia i natężenia prądu. • U - napięcie między końcami przewodnika [V],I - natężenie prądu [A], R- opór przewodu [Ω]

Podstawy teoretyczne – prąd elektryczny • Wcześniejszy wzór jest słuszny dla pewnego odcinka przewodu. Inaczej sytuacja ma się dla zamkniętego obwodu. Pojawia się wówczas źródło napięcia posiadające własny opór wewnętrzny i siłę elektromotoryczną. Natężenie prądu w obwodzie zależeć musi zatem od obu tych wielkości. • I-natężenie prądu R- opór obwodu r- opór wewnętrzny źródła ε- siła elektromotoryczna źródła

Podstawy teoretyczne – prąd elektryczny • II prawo Kirchhoffa • Drugie prawo Kirchhoffa jest uzupełnieniem pierwszego prawa Kirchhoffa - odnosi się do spadków napięć na elementach obwodu. Wynika ono ze zrozumienia faktu, że napięcia w obwodzie nie biorą się znikąd. Jeżeli gdzieś na oporniku jest jakieś napięcie, to znaczy, że musi też gdzieś istnieć źródło które wywołało prąd przepływający przez opornik. I wszystkie napięcia pochodzące od źródeł muszą sumować się z napięciami odkładającymi się na opornikach. • W obwodzie zamkniętym suma spadków napięć na wszystkich odbiornikach prądu musi być równa sumie napięć na źródłach napięcia.

Podstawy teoretyczne – prąd elektryczny • W oczku prąd suma spadków napięć na wszystkich odbiornikach prądu musi być równa zeru. • Σ Ui = 0 • Dla pierwszego małego (górnego) oczka: E1 – I1 ∙ r1 + I2 ∙ R2 – E2 + I2 ∙ r2 = 0 • Dla drugiego małego (dolnego) oczka: E2 – I2 ∙ r2 – I2 ∙ R2 – I3 ∙ R1 = 0 • Dla dużego oczka: E1 – I1 ∙ r1 – I3 ∙ R1 = 0

Podstawy teoretyczne – prąd elektryczny • Prąd elektryczny płynie w obwodzie zamkniętym po przyłożeniu napięcia elektrycznego U. Pod wpływem tego napięcia w obwodzie płynie prąd o natężeniu I. Prąd wywołuje różne skutki energetyczne czyli wykonuje pracę. Dla napięcia stałego wywołującego prąd o stałym natężeniu pracę prądu elektrycznego można obliczyć z prostej zależności

Podstawy teoretyczne – prąd elektryczny • Wzór na pracę możemy wyprowadzić następująco: • Z powyższych przekształceń mamy jasny obraz tego skąd „ się bierze” wzór na pracę prądu stałego – z pracy w polu elektrycznym.

Podstawy teoretyczne – prąd elektryczny • Moc definiowana jest jako stosunek wykonanej pracy do czasu w jakim została ona wykonana: • Moc dowolnego odbiornika w układzie prądu stałego jest obliczana jako: • gdzie: • P – moc, U – stałe napięcie elektryczne, I – stały prąd elektryczny.

Podstawy teoretyczne – prąd elektryczny • Z powyższego równania wynika zatem, że tę samą moc (a więc i energię) można przesłać przy różnych wartościach napięcia i prądu. • Przepływający prąd stały powoduje powstawanie strat cieplnych w przewodniku, których wartość jest wprost proporcjonalna do kwadratu wartości natężenia prądu. Dlatego też przy układach o wyższej mocy dąży się do zasilania jak najwyższym napięciem, co prowadzi do obniżenia wartości natężenia prądu (dla tej samej wymaganej mocy).

Podstawy teoretyczne – Pole magnetyczne prądu • Pole magnetyczne jest wytwarzane przez magnesy: • Stałe pole magnetyczne jest wywoływane także przez ładunki elektryczne znajdujące się w ruchu jednostajnym. Dlatego też, przepływ prądu (który też jest ruchem ładunków elektrycznych) wytwarza pole magnetyczne.

Podstawy teoretyczne – Pole magnetyczne prądu • Pole magnetyczne jeżeli rozchodzi się w próżni lub powietrzu opisywane jest wektorem natężenia pola magnetycznego H. W każdym innym ośrodku za pomocą wektora indukcji magnetycznej B. • Indukcja magnetyczna B i natężenie pola magnetycznego H są związane zależnością : • B = 0r H • 0 – przenikalność magnetyczna bezwzględna • r – przenikalność magnetyczna względna, zależy od ośrodka • Jednostką H jest [A/m]. • Jednostką B jest Tesla [T]= [N/(Am)]

Podstawy teoretyczne – Pole magnetyczne prądu • Jako najprostszy przypadek przedstawimy pole magnetyczne wytworzone przez nieskończenie długi prostoliniowy przewodnik, przez który płynie prąd elektryczny o natężeniu I . • Przewodnik taki wytwarza wirowe pole magnetyczne, którego linie sił pola są okręgami o wspólnym środku.

Podstawy teoretyczne – Pole magnetyczne prądu • Kierunek pola magnetycznego z kierunkiem prądu kojarzy reguła prawoskrętnej śruby : Jeżeli wyprostowany kciuk prawej dłoni wskazuje kierunek prądu w przewodniku, to zgięte palce prawej dłoni wskazują zwrot linii sił pola wokół przewodnika prostoliniowego.

Podstawy teoretyczne – Pole magnetyczne prądu • Drugim podstawowym przypadkiem jest pole magnetyczne przewodnika kołowego. • Jak widać, pole magnetyczne wytworzone przez przewodnik kołowy ma konfigurację podobną do pola magnetycznego magnesu sztabkowego, dlatego też przewodnik kołowy z prądem traktujemy jako dipol magnetyczny.

Podstawy teoretyczne – Pole magnetyczne prądu • Pojedynczy przewodnik kołowy wytwarza stosunkowo słabe pole magnetyczne. Efekt ten można powiększyć, stosując układ przewodników kołowych połączonych w szereg. Uzyskujemy w ten sposób zwojnicę (solenoid) .

Podstawy teoretyczne – Pole magnetyczne prądu • SIŁA LORENTZA • Siłę działającą na ładunek poruszający się w polu magnetycznym nazywamy siłą Lorentza . • Rozpatrzmy dodatni ładunek q przepływający w elemencie przewodnika o długości l, który umieszczono w polu magnetycznym o indukcji B , prostopadle do tego pola.

Podstawy teoretyczne – Pole magnetyczne prądu • Widzimy, że siła działająca na ładunek poruszający się w polu magnetycznym jest zawsze prostopadła zarówno do kierunku wektora jego prędkości, jak i do kierunku wektora indukcji magnetycznej. Zwrot tej siły zależny jest od znaku poruszającego się ładunku. • Wartość siły Lorentza zależy zgodnie z własnością iloczynu wektorowego od kąta między wektorem prędkości ładunku i wektorem indukcji magnetycznej: • F = q · v · B · sinα • Jeżeli cząstka wpada w pole magnetyczne prostopadle do niego to mamy α=90° czyli sinα=1.

Podstawy teoretyczne – Pole magnetyczne prądu • Siła elektrodynamiczna jest to siła oddziaływania pola magnetycznego na przewodnik z prądem. Siła elektrodynamiczna jest prostopadła do wektora indukcji pola magnetycznego oraz jest prostopadła do przewodnika z prądem.

Podstawy teoretyczne – Pole magnetyczne prądu • Jej wartość wyznaczamy ze wzoru: • F = I · l · B · sinα • Kierunek wyznaczamy zgodnie z regułą lewej dłoni: Jeżeli lewą dłoń ustawi się tak, aby linie pola magnetycznego zwrócone były prostopadle ku wewnętrznej powierzchni dłoni, a wszystkie palce - z wyjątkiem kciuka - wskazywały kierunek płynącego prądu, to odchylony kciuk wskaże kierunek i zwrot siły elektrodynamicznej działającej na dodatni ładunek elektryczny umieszczony w tym polu.

Gdy płynie prąd • Przejdźmy teraz do opisu wykonywanych przez nas doświadczeń oraz analizy uzyskanych wyników obserwacji i pomiarów. • Wykonaliśmy następujące doświadczenia i obserwacje: • -Obserwacje linii pola magnetycznego wokół przewodnika prostoliniowego, kołowego i zwojnicy. • -Badanie I prawa Kirchhoffa – łączenie szeregowe i równoległe oporników • -Badanie prawa Ohma dla przewodnika i dla diody • -Badanie zależność oporu od temperatury.

Gdy płynie prąd - 0bserwacja linii pola magnetycznego • Przygotowanie. • Do doświadczenia , użyliśmy zasilacza prądu stałego, baterii, przewodów, zwojnicy, cienkiego miedzianego drucika oraz magnesu i opiłków żelaza. • Drucik odpowiednio uformowaliśmy aby uzyskać przewód prostoliniowy, kołowy i zwojnicę. • Odpowiedni przewodnik „przebiliśmy” przez kartkę papieru, na którą posypaliśmy, po podłączeniu przewodnika do prądu, opiłkami metalu. • Za pomocą magnesu staraliśmy się określić kierunek linii pola magnetycznego.

Gdy płynie prąd - 0bserwacja linii pola magnetycznego • 1) Przewodnik prostoliniowy. • Zdjęcie przedstawia ułożenie opiłków • metalu wokół przewodnika, przez • który płynie prąd stały. • Opiłki ustawiają koliście wokół • przewodnika.

Gdy płynie prąd - 0bserwacja linii pola magnetycznego • Na kolejnym zdjęciu • nanieśliśmy kierunek • przepływu prądu oraz • kierunek linii pola • magnetycznego.

Gdy płynie prąd - 0bserwacja linii pola magnetycznego 2) Przewodnik kołowy Zdjęcie przedstawia w jaki sposób linie opiłki żelaza układają się gdy przewodnik jest w kształcie koła. Opiłki ustawiają się koliście wokół obu końców przewodu przechodzących przez kartkę.

Dane INFORMACYJNE