Dane INFORMACYJNE

Dane INFORMACYJNE • Nazwa szkoły: • ZESPÓŁ SZKÓŁ IM. KAROLA MARCINKOWSKIEGO • ID grupy: • 98/33_MF_G1 • Kompetencja: • MATEMATYCZNO - FIZYCZNA • Temat projektowy: • ŁADUNKI WOKÓŁ NAS • Semestr/rok szkolny: • 4/ 2011/2012

wprowadzenie • Żyjemy w świecie, w którym zjawiska związane z elektrostatyką pełnią istotną funkcję. Aby je zrozumieć przedstawimy Wam zjawiska leżące u samych podstaw elektrostatyki. • Zjawiska elektrostatyczne są to wszystkie zjawiska uwarunkowane przez nieruchome ciała obdarzone nie zmieniającymi się w czasie ładunkami elektrycznymi. • Ładunek elektryczny ciała (lub układu ciał) to fundamentalna własność materii. Ładunek elektryczny ciała może być dodatni lub ujemny. Dwa ładunki jednego znaku odpychają się, a pomiędzy ładunkiem dodatnim i ujemnym działa siła przyciągająca.

Geneza badań nad elektrostatyką • Przygoda człowieka z elektrycznością zaczęła się już w VI w. p.n.e. Wówczas to Tales z Miletu odkrył, że potarty bursztyn przyciąga drobne przedmioty. Wszystkie ciała mające takie same własności jak potarty bursztyn nazywa się ciałami naelektryzowanymi. Dziś wiemy, że naelektryzować można wiele ciał w bardzo ławy sposób, jednakże dla Starożytnych było to odkrycie przypadkowe i przez wieki stanowiło tylko ciekawostkę.

Geneza badań nad elektrostatyką – c.d. • Dopiero William Gilbert, angielski lekarz żyjący w XVI wieku, zauważył, że podobne właściwości wykazuje wiele innych ciał. To właśnie Gilbert wprowadził termin „elektryczność” (z gr. elektron — bursztyn). Wyniki swych wieloletnich badań opublikował w 1600r. Wynalazł też prosty przyrząd, za którego pomocą badał przyciąganie się ciał naładowanych (był to rodzaj "kompasu elektrycznego").

Geneza badań nad elektrostatyką – c.d. • Badania Gilberta kontynuował Otto von Guericke, który ok. 1663 wynalazł prostą maszynę elektrostatyczną (była to kula z siarki umocowana na szklanym pręcie, którą elektryzowało się przez tarcie). Guericke pierwszy zauważył, że za pomocą struny metalowej można stan naelektryzowania kuli siarkowej przenieść na inne przedmioty i że ciała naelektryzowane w ten sposób odpychają się.

Geneza badań nad elektrostatyką – c.d. • Maszynę elektrostatyczną Guerickego znacznie udoskonalił w 1705 F.Hawksbee. Stan naelektryzowania, jaki osiągnął, umożliwił już obserwowanie wyładowań elektrycznych i innych efektów, co wzmogło zainteresowanie wciąż tajemniczymi zjawiskami elektrostatycznymi. • W 1729 S.Gray rozszerzył wyniki obserwacji Guerickego o spostrzeżenie, że istnieją dobre i złe przewodniki elektryczności. Używając przewodów metalowych odkrył, że osoba połączona drutem z ciałem silnie naelektryzowanym doznawała silnego wstrząsu. Od tego momentu elektryczność stała się modna i poczęła budzić powszechne zainteresowanie.

Geneza badań nad elektrostatyką – c.d. • W 1733 Ch.F. de Cisternay Du Fay zauważył, że istnieją dwa rodzaje naelektryzowania. Dla ich odróżnienia wprowadził on nazwy: elektryczność żywiczna i elektryczność szklana. Na tej podstawie wysunął hipotezę, że w przyrodzie istnieją dwa fluidy elektryczne. • Znaczny postęp w badaniach doświadczalnych spowodowało wynalezienie pierwszego kondensatora - tzw. butelki lejdejskiej. Wynalazek narodził się w swej pierwotnej wersji w 1745 za sprawą E.J. Kleista i niezależnie P. van Musschenbroeka, umożliwiając magazynowanie elektryczności.

Geneza badań nad elektrostatyką – c.d. • Wielkie znaczenie dla początkowego rozwoju elektrostatyki miały prace doświadczalne i teoretyczne Benjamina Franklina. Doświadczenia nad wyładowaniami atmosferycznymi doprowadziły go z jednej strony do wykazania, że pioruny są natury elektrycznej, co w konsekwencji umożliwiło mu wynalezienie piorunochronu, z drugiej zaś – do zasadniczych wniosków teoretycznych. Prace Franklina w zasadzie kończą pierwszy, niejako zapoznawczy okres badań nad zjawiskami elektrostatycznymi.

Rodzajeładunkówelektrycznych • Istnieją dwa rodzaje ładunku elektrycznego: dodatni i ujemny. Neutron jest cząstką, która nie posiada ładunku, więc jest elektrycznie obojętny. Ładunek protonu i elektronu są sobie równe, co do wartości bezwzględnej. Wartość ich ładunków nosi nazwę ładunku elementarnego.Ciała, w których znajdują się te same ilości protonów i elektronów (które się wzajemnie zobojętniają), są elektrycznie obojętne.Jeżeli ciało jest naelektryzowane, oznacza to, że nastąpiło zachwianie równowagi pomiędzy ilością ładunków poszczególnych elektronów.

Rodzajeładunkówelektrycznych – c.d. • Ładunki elektryczne oddziaływują na siebie wzajemnie. Rodzaj tego oddziaływania (przyciąganie lub odpychanie) zależy od znaku oddziaływującychna siebie ładunków. • Przyciąganie będzie występowało wtedy, gdy ładunki mają przeciwne znaki (ładunki różnoimienne). • Odpychanie będzie występować wtedy, gdy ładunki mają te same znaki (ładunki jednoimienne).

pole elektryczne • Pole elektryczne to przestrzeń, w której na umieszczone w niej ładunki elektryczne działają siły elektryczne. Ładunek elektryczny, wokół którego powstaje pole elektryczne nazywamy źródłem pola. • Rodzaje pól elektrostatycznych: • pole centralne pochodzi od jednego ładunku i linie pola rozchodzą się promieniście do lub od jego położenia; • pole jednorodne uzyskujemy między równolegle ułożonymi względem siebie naładowanymi metalowymi płytami, linie pola są równoległe.

Napięcie pola elektrycznego • Napięcie elektryczne to różnica potencjałów elektrycznych między dwoma punktami pola elektrycznego. Symbolem napięcia jest U. Napięcie elektryczne jest to stosunek pracy wykonanej podczas przenoszenia ładunku elektrycznego między punktami, dla których określa się napięcie, do wartości tego ładunku. Wyraża to wzór: • U = W/q

natężenie pola elektrycznego • Natężenie pola elektrycznego E definiuje się jako stosunek siły F działającej na dodatni ładunek próbny qₒ, do wartości tego ładunku. • E = F/qₒ • Natężenie pola elektrycznego jest wektorem. W każdym punkcie przestrzeni wektor E może mieć inną wartość i inny kierunek.

potencjał elektryczny • Potencjałem elektrycznym φ w dowolnym punkcie P pola nazywa się stosunek pracy W wykonanej przez siłę elektryczną przy przenoszeniu ładunku q z tego punktu do nieskończoności, do wartości tego ładunku: • Φ = W/q. • Jednostką potencjału jest 1 V (wolt) równy 1 J / 1 C (dżulowi na kulomb).

elektroskop • Elektroskop to aparat do wykrywania ładunku elektrycznego, a właściwie napięcia elektrycznego. Prosty elektroskop listkowy składa się z pionowego metalowego pręta, na którego końcu są przymocowane przegubowo dwa prostokątne listki z cienkiej i lekkiej folii przewodzącej prąd. Wykorzystuje zjawisko odpychania się jednoimiennych ładunków elektrycznych. Przy zetknięciu pręta z obiektem naładowanym elektrycznie część ładunku przepływa z tego obiektu do elektroskopu, listki folii odpychają się, wielkość odchylenia listków zależy od zgromadzonego na nich ładunku.

elektroskop – c.d. • Jak zrobić elektroskop? • Do zrobienia elektroskopu domowym sposobem potrzebne są: słoik z nakrętką, gwóźdź, pasek z folii aluminiowej, taśma klejąca • oraz narzędzia takie jak: młotek lub wkręt o ostrym zakończeniu, nożyczki. • Robimy otwór w nakrętce, wkładamy gwóźdź, do którego końca przyczepiamy za pomocą taśmy klejącej pasek z folii aluminiowej. Gotowe!

elektryzowanie ciał • Elektryzowanie ciał to proces przekazywania im ładunku. Polega on na dodaniu, lub odebraniu elektronów z tego ciała. • Wyróżniamy trzy sposoby elektryzowania: przez tarcie, dotyk i indukcję. • Elektryzowanie przez tarcie polega na przepływie elektronów z jednego ciała do drugiego podczas pocierania ich jedno o drugie. W ten sposób jedno ciało posiada ładunek dodatni, a drugie ujemny.

elektryzowanie ciał – c.d. • Elektryzowanie przez tarcie - zdjęcia

Elektryzowanie ciał – c.d. • Indukcja elektrostatyczna jest to zjawisko przemieszczania się ładunku elektrycznego w obrębie ciała pod wpływem ciała naelektryzowanego. Każde ciało naelektryzowane przyciąga ciało elektrycznie obojętne. Dzieje się tak, dlatego, że w każdym ciele elektrony mają większą lub mniejszą zdolność przemieszczania się. Zbliżając ciało naelektryzowane do ciała obojętnego siły elektryczne mogą powodować przesunięcie się elektronów w obrębie tego ciała.

Elektryzowanie ciał – c.d. • Elektrofor to generator ładunku elektrycznego. W jego działaniu wykorzystuje się zjawisko indukcji elektrostatycznej. Skonstruowany został po raz pierwszy przez szwedzkiego fizyka Johana Wilckego a udoskonalony i spopularyzowany w roku 1775 przez włoskiego fizyka Alessandra Voltę. • Elektrofor składa się z dwóch płyt. Pierwsza nieruchoma płyta jest wykonana z dielektryka (pierwotnie był to wosk lub naturalna żywica, obecnie - tworzywo sztuczne). Druga płyta jest metalowa. Jest ona wyposażona w uchwyt odizolowany od płyty. Celem działania elektroforu jest naładowanie ładunkiem elektrycznym metalowej płyty.

Elektryzowanie – c.d. • Generator Van de Graaffa – generator elektrostatyczny wysokiego napięcia wynaleziony w 1929 roku przez fizyka amerykańskiego Roberta J. Van de Graaffa. • Generatory tego typu mogą wytworzyć napięcie do 5 MV.

Maszyna elektrostatyczna • Maszyna elektrostatyczna jest to urządzenie służące do wytwarzania i gromadzenia ładunków elektrycznych (na jednej elektrodzie dodatnich, a na drugiej ujemnych). • Maszyna elektrostatyczna jest rodzajem prostego generatora elektrostatycznego, działającego na zasadzie indukcji elektrostatycznej. W procesie indukcji elektrostatycznej powodowany jest rozdział ładunków w danym ciele poprzez zbliżenie doń innego ciała naładowanego, które są następnie przenoszone elektryzując dane miejsce ciała.

Elektryzowanie ciał – c.d. • Naelektryzowaną ujemnie laskę ebonitową, na której jest nadmiar elektronów, zbliżamy do obojętnej metalowej kuli elektroskopu. Po zetknięciu się dwóch ciał elektrony z laski ebonitowej przepłyną na metalową kulę. Laska ebonitowa nadal będzie naładowana ujemnie, ale już ładunek ten będzie mniejszy. Natomiast obojętna dotychczas kula zostanie naelektryzowana ujemnie.

polaryzacja • Polaryzacja jest to zjawisko, w którym pod wpływem ciała naelektryzowanego następuje rozsunięcie ładunku w obrębie atomu lub cząsteczki i powstają tzw. dipole. • Przewodniki i izolatory naelektryzowane pod wpływem innego ciała naelektryzowanego zawsze przyciągają się do tego ciała.

Zasada zachowania ładunku • W układzie ciał izolowanych elektrycznie od otoczenia całkowity ładunek (suma ładunków dodatnich i ujemnych) nie ulega zmianie. Ładunek może jedynie przemieszczać się z jednego ciała (lub jego części) do innego ciała (lub jego części). • Z zasady zachowania ładunku wynika, że całkowity ładunek obecny we wszechświecie jest stały, ale nie daje ona odpowiedzi na pytanie, jaka jest wartość tego ładunku. Nie zaobserwowano jednak żadnych zjawisk, które mogłyby świadczyć o tym, że jest różny od zera.

prawo Coulomba • Dwa nieruchome ładunki elektryczne oddziałują ze sobą siłami wprost proporcjonalnymi do iloczynu wartości tych ładunków i odwrotnie proporcjonalnymi do kwadratu odległości między nimi.

Przewodniki i izolatory • Przewodniki są to substancje przewodzące ładunek elektryczny (organizmy żywe, elektrolity, grafit, metale, zjonizowane gazy). • Dobre przewodniki to: grafit, żelazo, stal, aluminium, złoto, miedź, srebro. • Nośnikami ładunku elektrycznego w przewodnikach są: - elektrony swobodne - w metalach i graficie, • - jony dodatnie i ujemne - w elektrolitach, • - jony dodatnie i ujemne oraz elektrony swobodne w zjonizowanych gazach.

Przewodniki i izolatory – c.d. • Izolatory to ciała, w których nie występują elektrony swobodne, ani jony dodatnie czy ujemne, które mogłyby się swobodnie poruszać w ich wnętrzu. Dobrymi izolatorami prądu elektrycznego są: szkło, drewno, porcelana, papier, guma, gips.

Rozkład ładunku na powierzchni przewodnika • Najczęściej do czynienia mamy z ładunkami rozmieszczonymi na przewodniku liniowym czy powierzchni. Dlatego też stosuje się pojęcie liniowej gęstości ładunku lub powierzchniowej gęstości ładunku: • gdzie l to długość przewodnika - liniowa gęstość ładunku, natomiast A to powierzchnia na której rozmieszczony jest ładunek w przypadku powierzchniowej gęstości ładunku.

Rozkład ładunku na powierzchni przewodnika – c.d. • Do badania rozkładu ładunku na powierzchni służy nam elektroskop i metalowa kulka umieszczona na izolowanym uchwycie. Dzięki tej kulce możemy zbierać ładunek z badanej powierzchni. • Gęstość powierzchniowa ładunku jest największa na bardziej zakrzywionej powierzchni.

kondensatory • Kondensator - jest to element elektryczny (elektroniczny), zbudowany z dwóch przewodników (okładek) rozdzielonych dielektrykiem. Doprowadzenie napięcia do okładek kondensatora powoduje zgromadzenie się na nich ładunku elektrycznego. Po odłączeniu od źródła napięcia, ładunki utrzymują się na okładkach siłami przyciągania elektrostatycznego.

Kondensatory – c.d. • Kondensator charakteryzuje pojemność określająca zdolność kondensatora do gromadzenia ładunku: • C = Q/U • C – pojemność, w faradach • Q – ładunek zgromadzony na jednej okładce, w kulombach • U – napięcie elektryczne między okładkami, w woltach. • Pojemność wyrażana jest w faradach.

Kondensatory – c.d. • Na schematach układów elektrycznych i elektronicznych kondensatory oznacza się następującymi symbolami: • zwykły kondensator niespolaryzowany • kondensator spolaryzowany (elektrolityczny) • kondensator zmienny, strojeniowy (trymer)

Kondensatory – c.d. • Szeregowe łączenie kondensatorów na schematach:

Kondensatory – c.d. • Równoległe łączenie kondensatorów na schematach:

Kondensatory – c.d. • Kondensatory, wraz z rezystorami, należą do podstawowych elektronicznych elementów pasywnych. W zasilaczach i stabilizatorach napięcia kondensatory pozwalają na podtrzymanie wartości chwilowej napięcia w przerwach pomiędzy kolejnymi impulsami prądu dopływającego z prostownika. W układach wytwarzających zakłócenia związane z szybkimi skokami pobieranego prądu (takich, jak silniki elektryczne, iskrowniki, tyrystorowe układy sterujące) kondensatory są elementami filtrów ograniczających przedostawanie się zakłóceń do sieci energetycznej oraz powstawanie zakłóceń radiowych. Kondensator można wykorzystać do przenoszenia sygnału pomiędzy różnymi fragmentami układu.

Kondensatory – c.d. • Kondensatory sprzęgające ułatwiają projektowanie analogowych układów elektronicznych. Kondensatory są podstawowymi elementami analogowych filtrów pasywnych i aktywnych, służących do kształtowania charakterystyki częstotliwościowej określonych części układów (np. wzmacniaczy). W niektórych lampach wyładowczych (np. lampach błyskowych i stroboskopach) oraz iskrownikach kondensator jest połączony równolegle z układem, w który pobór prądu narasta w bardzo krótkim czasie od zera do dużej wartości związanej z odbywającym się wyładowaniem. Kondensatory mają też zastosowanie w sieciach elektroenergetycznych do kompensacji mocy biernej.

Kondensatory – zadanie 1 • Zadanie: Połączono równolegle trzy kondensatory o pojemnościach: 10 nF, 22 nF i 100 nF. Oblicz pojemność powstałego połączenia. • Rozwiązanie: • C₂ = 10nF + 22nF + 100nF = 132 nF • Odpowiedź: Pojemność powstałego połączenia wynosi 132 nF.

Kondensatory – zadanie 2 • Zadanie: Na okładkach kondensatora zgromadzony jest ładunek 2C. Napięcie między okładkami tego kondensatora wynosi 4 V. Jaka jest pojemność tego kondensatora? • Rozwiązanie: • C = 2C / 4V = 0,5 F • Odpowiedź: Pojemność tego kondensatora wynosi 0,5 F.

Wyładowania elektryczne - burza • Chmura burzowa wywołuje bardzo silne tzw. indukcyjne oddziaływanie na powierzchnię ziemi. Polega to na tym, że chmura posiadająca ładunek ujemny przyciąga ładunki dodatnie. To oddziaływanie przyciągające działa najsilniej w miejscu bezpośrednio pod chmurą. Na obszarze terenu pod chmurą i na wszystkich znajdujących się tam przedmiotach gromadzą się ładunki dodatnie (właściwie to odpychane są jedyne ruchliwe ładunki - ujemne, czyli elektrony, a dodatnie ładunki pozostają na swoich miejscach; powstaje tym samym przewaga ładunków dodatnich nad ujemnymi - elektryzacja dodatnia). Ładunek ten (i indukawany obszar) podąża wraz z chmurą. Stara się on wypłynąć ku górze w celu wyrównania potencjałów elektrycznych. Gdy przesuwający się ładunek (umawiamy się dla uproszczenia, że porusza się ładunek dodatni) natrafi na wystającą formę terenu np. drzewo, maszt, powoduje powstanie snopiącego wyładowania elektrycznego.

Wyładowania elektryczne – burza – c.d. • Człowiek od wieków bał się piorunów i niestety również niejednokrotnie ponosił śmierć rażony jego niszczycielską siłą. Tak jest niestety do dziś. Ludzie giną od piorunów, albo też zostają przez nie porażeni. Moc pioruna budzi przerażenie swoją ogromna wartością, sięgającą nawet setek tysięcy megawatów. Może spowodować zatrzymanie akcji serca, zaburzenia pracy innych organów wewnętrznych, a nawet rozległe udary cieplne, do spopielenia włącznie. Zazwyczaj po uderzeniu pioruna uszkodzone są czasowo oczy, a od grzmotu pękają bębenki.

Wyładowania elektryczne – burza – c.d. • Piorunochron to instalacja chroniąca obiekty przed porażeniami wynikłymi z wyładowań piorunowych. Stosowana najczęściej w budownictwie mieszkalnym. W wyniku swych badań nad elektrycznością atmosferyczną w latach 1746-1752 i stwierdzenia elektrycznej natury pioruna Benjamin Franklin zaczął instalować pierwsze piorunochrony własnego pomysłu w czerwcu lub lipcu 1752 roku. • Najprostszy piorunochron to zaostrzony metalowy pręt, ustawiony pionowo w najwyższym punkcie zabezpieczanego obiektu, połączony z ziemią przewodem o znacznym przekroju poprzecznym.

Wyładowania elektryczne – burza – c.d. • Jak zachowywać się w czasie burzy? • bez konieczności nie opuszczać domu • oddalić się na znaczną odległość od metalowych przedmiotów i urządzeń • należy wyłączyć wszystkie urządzenia produkujące fale elektromagnetyczne • nie wolno chować się pod drzewami, gdyż mogą przewodzić prąd • zakończyć pracę z urządzeniami elektrycznymi • unikać stania w grupach, należy jak najbardziej się rozproszyć

Wyładowania elektryczne – burza – c.d. • Jak zachowywać się w czasie burzy? • w czasie podróży samochodem, pozostać w środku, gdyż samochód bardzo dobrze zapewnia bezpieczeństwo w czasie burzy • gdy burza zaskoczy nas na otwartej przestrzeni należy kucnąć, ale tak aby mieć jak najmniejszy kontakt z ziemią, nie wolno na niej siadać, ani się kłaść; bardzo ważne jest, aby odsunąć się od wszystkich wysokich obiektów • odsunąć się od okien, kominków i otworów wentylacyjnych • zawsze jak najszybciej szukać schronienia w zagłębieniach terenu (dolina, fosa), w pomieszczeniach czy nawet niszach skalnych • chronić dostęp do łatwopalnych materiałów.

Zorza polarna • Zorza polarna to zjawisko świetlne, które zachodzi wysoko na niebie (powyżej 50 km nad ziemią), głównie za kołem okołobiegunowym. Naładowane cząsteczki ze Słońca, transmitowane wiatrem słonecznym w kierunku Ziemi, zostają odpychane nad biegunami przez pole magnetyczne. Wtedy właśnie zachodzi barwne zjawisko. W Europie najczęściej zorzę polarną można obserwować w Islandii, Norwegii, Laponii. Tam niebo rozbłyska kolorowymi falami około 100 razy w roku. W sprzyjających warunkach zorzę niekiedy da się także zobaczyć w naszej szerokości geograficznej, w Polsce i w Niemczech.

bioluminescencja • Bioluminescencja to świecenie żywych organizmów, jeden z rodzajów chemiluminescencji. Występuje u wielu bakterii, protistów, grzybów, morskich jamochłonów, gąbek, mięczaków (głównie głowonogów), skorupiaków, owadów, osłonic, ryb. • Bioluminescencja może być też zjawiskiem ubocznym towarzyszącym innym procesom chemicznym, jak np. u grzybów.

elektroluminescencja • Elektroluminescencja – zjawisko luminescencji w ciałach stałych i gazach pod wpływem przepływu prądu, wyładowania elektrycznego, pola elektrycznego, fali elektromagnetycznej. • Zjawisko elektroluminescencji w gazach wykorzystano przy budowie lamp jarzeniowych.

Układ nerwowy • Podstawowym elementem układu nerwowego jest komórka nerwowa z odchodzącymi od niej wypustkami, zwana neuronem. Neuron składa się z bańkowatego ciała komórkowego z jądrem i odchodzących od ciała licznych wypustek. Wypustki te tworzą drzewkowate rozgałęzienia zwane dendrytami. • Układ nerwowy zbudowany jest z olbrzymiej liczby neuronów, (ok. 25 miliardów). Z tego tylko około 25 milionów znajduje się na obwodzie, natomiast reszta skupiona jest w ośrodkowym układzie nerwowym.

Dane INFORMACYJNE