DANE INFORMACYJNE

2. DANE INFORMACYJNE Temat: Rozwijanie elektryczności z magnetyzmu Kompetencja - Fizyka i Matematyka Gimnazjum w Gołuchowie - 98/81_MF_G1 Gimnazjum nr 7 im. Sybiraków w Szczecinie – 98/64_MF_G2 MGP Semestr V

3. UCZESTNICY GRUPY PODSTAWOWEJ Gimnazjum nr 7 im. Sybiraków w Szczecinie – 98/64_MF_G2 Opiekun: Angelika Pawelec • Drążkiewicz Jakub • Kalinowski Robert • Kicuń Karolina • Kilian Kamil • Olech Dariusz • Ruchlicka Julia • Sargsyan Jan • Wyremba Patrycja • Zuzaniuk Konrad • Baranowska Daria • Fenger Monika • Pacholczyk Bartosz • Wesołowski Mateusz • Szarpak Emila • Majchrzak Przemysław

4. UCZESTNICY GRUPY PODSTAWOWEJ Gimnazjum w Gołuchowie 98_81_mf_g1 Opiekun: Monika Piękna • Konstancja Balcer • Monika Duczka • Anna Filipowicz • Joanna Klaczyńska • Klaudia Składnikiewicz • Mateusz Pływaczyk • Magdalena Urbaniak • Mateusz Walendowski • Aleksandra Walerowicz • Błażej Wasiewicz

5. PLAN PREZENTACJI 1. Ogniwo Volty 2. Opór elektryczny i jego natura 3. Obwód elektryczny 4. Bezpieczniki 5. Napięcie 6. Zasady pracy z prądem 7. Uziemienie 8. Przepływ prądu 9. Plusy i minusy prądu 10. Historia odkryć fizycznych XIX wieku

6. PLAN PREZENTACJI 11. Zorza polarna 12. Elektrodiagnostyka 13. Przykłady obniżania i podwyższania energii 14. Biomagnetyzm 15. Doświadczenia i zadania 16. Prąd przemienny 17. Indukcja elektromagnetyczna 18. Transformator 19. Dynamo

7. 1.OGNIWO VOLTY Ogniwo Volty – są to płytki: cynkowa i miedziana, zanurzone w roztworze wodnym kwasu siarkowego (VI). Tworzą obwód zamknięty. Należy do jednych z najstarszych ogniw galwanicznych. Siła elektromotoryczna ogniwa wynosi około 1,1 V.

8. 1.OGNIWO VOLTY • Wydawać się może iż budowa takiego ogniwa jest skomplikowana. W rzeczywistości nie jest to nic trudnego. • Aby zbudować potrzebujemy: • płytki: cynkowa i miedziana, zanurzone w roztworze wodnym kwasu siarkowego (VI) • Kwas siarkowy występuje w roztworze w formie zdysocjowanej: • H2SO4 + 2 H2O → 2 H3O+ + SO42- • Na elektrodzie cynkowej zachodzi utlenianie jej materiału do kationów Zn2+, które przechodzą do roztworu, gdzie przeciwjonami dla nich są aniony siarczanowe SO42-, pochodzące z dysocjacji kwasu siarkowego Na elektrodzie miedzianej zachodzi reakcja redukcji jonów hydroniowych do gazowego wodoru. • Sumarycznie procesy zachodzące na elektrodach sprowadzają się do: • * elektroda cynkowa: Zn → Zn2+ + 2e • * elektroda miedziana: 2 H+ + 2e → H2 • Jony siarczanowe nie uczestniczą w procesie, spełniając tylko rolę przeciwjonów dla jonów hydroniowych i cynkowych.

9. 1.OGNIWO VOLTY • Wykonanie poprzedniego ogniwa jest proste, ale istnieje jeszcze łatwiejszy sposób… • Wystarczy wbić w ziemniaka i cebulę dwie metalowe elektrody wykonane z miedzi i aluminium.

10. 2.OPÓR ELEKTRYCZNY I JEGO NATURA

11. 3.OBWÓD ELEKTRYCZNY • Obwód elektryczny – zespół elementów wykonanych z przewodników prądu, tworzących dla niego zamkniętą drogę. W skład obwodu elektrycznego wchodzą: źródło prądu, odbiornik, przewody i inne elementy (np. wyłącznik, woltomierz).

12. 3.ELEMENTY OBWODU ELEKTRYCZNEGO

13. 3.OBWÓD SZEREGOWY • Jednym ze sposobów łączenia odbiorników w obwodzie elektrycznym jest łączenie szeregowe. Odbiorniki tak połączone mogą pracować tylko równocześnie (np. lampki na choince).

14. 3.OBWÓD RÓWNOLEGŁY • Odbiorniki można też połączyć równolegle. Tak połączone odbiorniki mogą pracować niezależnie od pozostałych (np. obwód elektryczny w mieszkaniu)

15. 4.BEZPIECZNIKI • Bezpiecznik- zabezpieczenie elektryczne instalacji elektrycznej i odbiorników elektrycznych przed ich uszkodzeniem z powodu wystąpienia nadmiernego natężenia prądu.

16. 5.NAPIĘCIE

17. 6.ZASADY BEZPIECZEŃSTWA PRZY PRACY Z PRĄDEM ELEKTRYCZNYM Odpowiednio wysokie napięcie elektryczne przy kontakcie z ciałem ludzkim, które jest dobrym przewodnikiem prądu, może spowodować bardzo poważnie konsekwencje, z nieodwracalnymi uszkodzeniami organizmu i śmiercią włącznie. Napięcia występujące w domowych sieciach elektrycznych to napięcia rzędu 220 - 230 Voltów, co oznacza, że mogą one bez trudu spowodować śmierć człowieka. Do częstych przyczyn zgonów należy zarówno nieostrożne obchodzenie się z prądem podczas prób samodzielnych napraw, jak i eksperymenty dzieci pozbawionych nadzoru, jak na przykład próba wetknięcia nożyczek do gniazdka. Podejmując się usuwania wszelkich usterek, zarówno sieci, jak i należących do niej przewodów i urządzeń, należy przede wszystkim przestrzegać następujących zasad: - Ostrożności nigdy nie jest za wiele, - Zanim zaczniesz rozkręcać urządzenie (telewizor, komputer, radio itd.), upewnij się, czy jest ono odłączone od kontaktu.

18. 7.UZIEMIENIE Uziemienie – przewód wykonany z przewodnika łączący ciało naelektryzowane z ziemią. W wyniku połączenia ciało naelektryzowane oddaje lub przyjmuje odpowiednią liczbę ładunków ulegając zobojętnieniu (staje się elektrycznie obojętne). W elektrotechnice i elektronice – połączenie określonego punktu obwodu elektrycznego z ziemią, celem zapewnienia bezpiecznej i prawidłowej pracy urządzeń elektrycznych. W skład urządzenia uziemiającego (w skrócie uziemienia) wchodzą następujące części: - uziom lub uziomy (układ uziomowy), - przewody uziomowe, - przewody łączące (w układach uziomowych) - zacisk uziomowy probierczy, - przewód uziemiający główny (szyna uziemiająca), - przewody uziemiające

19. 8.SPRAWDZENIE MAGNETYCZNYCH SKUTKÓW PRZEPŁYWU PRĄDU ELEKTRYCZNEGO • PRĄD ELEKTRYCZNY - uporządkowany ruch ładunków elektrycznych, w metalach-elektronów, w cieczach-jonów, a w gazach-jonów i elektronów swobodnych. Nie tylko metale są przewodnikami prądu. Każda substancja posiadająca swobodne ładunki (nośniki prądu) jest przewodnikiem. Przewodnikami są również elektrolity (wodne roztwory kwasów i zasad). Nośnikami prądu w cieczach są jony dodatnie (kationy) i ujemne (aniony). W wyniku przepływu jonów powstała w nich energia chemiczna zamienia się na elektryczną, co znalazło zastosowanie w ogniwach i akumulatorach. Wielkością charakteryzującą prąd elektryczny jest jego natężenie. W przewodnikach poruszają się elektrony, jednakże umownie za kierunek przepływu prądu elektrycznego przyjmuje się kierunek ruchu ładunków dodatnich. Wszystkie urządzenia, w których prąd elektryczny wykonuje pracę nazywamy odbiornikami energii elektrycznej.

20. Prąd płynący w różnych odbiornikach prąd elektryczny w tym samym czasie wykonuje różne prace. Aby je porównać posługujemy się pojęciem mocy. Wielkość ta informuje nas o tym jaką pracę wykonał prąd w jednostce czasu. Na każdym odbiorniku (urządzeniu elektrycznym), którym posługujemy się w domu jest podana tzw. moc znamionowa (tj. moc jaką posiada ten odbiornik jeśli włączymy go do elektrycznej sieci domowej).

21. 8.ENERGIA ELEKTRYCZNA • Jest to energia układu ładunków elektrycznych: • - elektrodynamiczna, jeśli się one poruszają, • - elektrostatyczna, jeśli pozostają w spoczynku.

22. 8.SKUTKI PRZEPŁYWU PRĄDU • Skutkiem przepływu prądu elektrycznego jest nagrzewanie się przewodnika – prąd płynący przez przewodnik wykonuje pracę, czyli zmienia się energia wewnętrzna i wzrasta jego temperatura (W=DEw) wykorzystuje się to w czajnikach, żelazkach, grzejnikach elektrycznych. • Innym skutkiem przepływu prądu elektrycznego jest praca mechaniczna (gdy w obwodzie znajduje się np. silnik). Przepływający prąd może wprawić w ruch na przykład elementy silnika, co wykorzystywane jest w wielu urządzeniach mechanicznych. • Następnym skutkiem jest powstawanie energii promieniowania. Co znalazło zastosowanie przy produkcji świetlówek, żarówek.

23. Jeszcze innym efektem przepływu prądu jest powstawanie energii chemicznej w procesie elektrolizy. Kwasy, zasady i sole w środowisku wodnym ulegają dysocjacji jonowej, tj. rozpadowi na jony dodatnie (kationy) i jony ujemne (aniony), które są nośnikami prądu elektrycznego. Wykorzystano to przy budowie ogniw i akumulatorów. Kolejnym efektem przepływu prądu przez przewodniki metalowe jest wytwarzanie się pola elektromagnetycznego co wykorzystuje się na dużą skalę do produkcji elektromagnesów. Oprócz przewodników istnieją półprzewodniki – pierwiastki german lub krzem. Półprzewodniki stosuje się dziś do produkcji diod krystalicznych i tranzystorów co znalazło zastosowanie w produkcji komputerów, baterii słonecznych, jednym słowem całej współczesnej elektroniki.

24. 9.„PLUSY” PRĄDU • Gazy są na ogół dobrymi izolatorami i nie przewodzą prądu pod normalnym ciśnieniem i bez czynnika jonizującego. Gazy można zjonizować przez ogrzewanie, promienie Roentgena i ciała promieniotwórcze, promieniowanie kosmiczne oraz wysokie napięcie. • Dzięki przepływowi prądu elektrycznegomamy światło, ciepłą wodę, możemy słuchać muzyki, grać na komputerze, korzystać z rozmaitych rzeczy które działają tylko dzięki przepływowi prądu, które tak naprawdę są dowodem cywilizacji.

25. 9.„MINUSY” PRĄDU • Ale prąd elektryczny nie zawsze pozytywnie wpływa na nas i nasze otoczenie. Z przeprowadzonych badań i zebranych wyników obserwacji wynika, że najpoważniejsze skutki przepływu prądu elektrycznego przez organizm ludzki, to: • - skurcze mięśni, szczególnie mięśni zginających,- oparzenia zewnętrzne i wewnętrzne,- utrata świadomości,- zatrzymanie oddychania,- zakłócenia pracy serca, występujące najostrzej przy prądach o częstotliwościach 40-60 Hz, które powodują migotanie komór serca.

26. Skutki działania prądu elektrycznego na organizm człowieka można rozpatrywać jako fizyczne (np. cieplne), chemiczne (np. zmiany elektrolityczne) lub biologiczne (np. zaburzenia czynności). Prąd stały działa na człowieka inaczej niż prąd zmienny. Prądy przemienne o dużej częstotliwości nie wywołują zaburzeń przewodnictwa w nerwach, skurczów mięśni i zaburzeń w czynnościach mięśnia sercowego, mogą jednak doprowadzić do uszkodzeń wskutek wytwarzania ciepła na drodze przepływu przez ciało. Prądy o bardzo dużych częstotliwościach (kilka tysięcy Hz) mają stosunkowo małą zdolność do przenikania w głąb tkanek. Im częstotliwości są większe, tym działanie jest bardziej powierzchniowe. W praktyce najbardziej niebezpieczne dla człowieka są prądy przemienne o częstotliwości 50, 60Hz, a więc częstotliwości przemysłowej.

27. 10.HISTORIA ODKRYĆ FIZYCZNYCH XIX WIEKU

28. Prąd bez baterii • Prąd z ziemniaków • Do tej pory energia elektryczna pozyskiwana z ziemniaków była przedmiotem jedynie szkolnych lub domowych eksperymentów. Naukowcy postanowili zbadać ukryty potencjał ziemniaka na poważnie. Wykorzystując proste ogniwo galwaniczne naukowcom z Jerozolimy udało się pokazać, że gotowane ziemniaki mogą być całkiem wydajnym źródłem prądu.

29. Prąd bez baterii • Wytworzenie energii elektrycznej z ziemniaków możliwe jest dzięki połączeniu ich w tak zwane ogniwo galwaniczne. Są nim dwie elektrody (metale) zanurzone w elektrolicie, czyli substancji zdolnej do przenoszenia ładunku między elektrodami. Kiedy zachodzą reakcje między elektrodą, a elektrolitem produkowany jest prąd.

30. Ligi Galvani prowadził obserwacje produkcji prądu z tkanek zwierzęcych już w latach 80. XVIII wieku. Nazywał to wtedy „zwierzęcym prądem”. Dopiero Aleksandro Volta odkrył, że nie jest to kwestia organizmu żywego, a elektrolitu, którym mogą być np. soki warzyw lub owoców. Ciekawostkę stanowi fakt, że Volta sprawdzał wytworzone napięcie własnym językiem.

31. Do sporządzenia tradycyjnej ziemniaczanej baterii wystarczą jedynie dwa ziemniaki, dwa ocynkowane gwoździe, dwie miedziane monety, trzy kable i urządzenie na baterie np.

32. Nowy projekt opiera się  na dokładnie tej samej zasadzie działania, z kilkoma małymi różnicami. Okazało się bowiem, że ugotowanie ziemniaków pozwala na uzyskanie 10 razy więcej prądu niż w przypadku surowych bulw. Aby maksymalnie zwiększyć wydajność baterii pokrojono ziemniaki w prostopadłościenne bloki o wymiarach 29mm x 50 mm x 90mm.

33. Tak przygotowany kawałek ziemniaka znajdował się pomiędzy dwiema płaskimi elektrodami (cynkowa i miedziana), przyłożonymi do największych ścian. Podczas eksperymentów zasilano w ten sposób dwie diody elektroluminescencyjne (ang. light-emittingdiode – LED).Wyniki testów były zaskakujące. Napięcie nominalne baterii z ziemniaka to ok. 0.79V, a czas działania dochodził nawet do kilku dni. Dla porównania, alkaliczna bateria AA (popularny ”paluszek”) generuje napięcie rzędu 1.51V. Mimo, że ziemniaczana bateria daje o połowę mniej prądu jest dużo bardziej ekonomiczna.

34. 11.ZORZA POLARNA • Zorze polarne powstają na skutek burz magnetycznych na Słońcu. Powstają wtedy silne rozbłyski i z powierzchni Słońca wyrzucane są ogromne ilości naładowanych cząstek (głównie protonów i elektronów) o wysokiej energii. Tworzą one tak zwany wiatr słoneczny, który stanowi przedłużenie atmosfery słonecznej, Wiatr słoneczny sięga aż do skrajów Układu Słonecznego. Kiedy wiatr słoneczny dotrze w pobliże Ziemi, oddziałowuje z polem magnetycznym Ziemi. Na skutek tego elektrony poruszają się ruchem spiralnym wzdłuż linii ziemskiego pola magnetycznego i w końcu zderzają się w pobliżu biegunów magnetycznych z cząsteczkami azotu i tlenu wzbudzając je, które wracając do stanu podstawowego wypromieniowują energię w postaci kwantów światła.

35. Zorza pojawia się w postaci kolorowych łuków, promieni, pasm, serpentyn i draperii. Naukowcy wciąż jednak nie rozumieją, w jaki sposób zorza przyjmuje obłe kształty albo dlaczego jej kurtyna bywa pofałdowana jak wstążka na wietrze. Dlaczego wreszcie nie jest jednolitą ścianą światła, lecz często składa się z osobnych pasm, jakby tworzyły ją wiązki światła z równolegle ustawionych reflektorów. Jest kilka hipotez wyjaśnienia tych faktów. Może jakieś pola elektryczne w ziemskiej atmosferze muszą tak przyspieszać elektrony, że skupiają się one w wiązki. Niektórzy z badaczy sądzą, że jest to wynik stałych napięć elektrycznych, które tworzą się pomiędzy różnymi warstwami atmosfery.

37. 12.ELEKTRODIAGNOSTYKA Naukowa metoda zapisu i analizy biologicznych potencjałów elektrycznych z centralnego, obwodowego i autonomicznego układu nerwowego i mięśni jest szeroko stosowaną metodą badania pacjentów z chorobami i urazami układu nerwowo-mięśniowego.

38. Celem elektrodiagnostyki (EDX) jest wykazanie zmian pobudliwości zachodzących w układzie nerwowo-mięśniowym w różnych stanach chorobowych.

39. Jej ogólne założenia przetrwały do dnia dzisiejszego, a podstawową zasadą tego typu badań jest ocena wzrokowa rodzaju i siły skurczu mięśnia szkieletowego wywołanego bodźcem, jakim jest impuls prądu stałego o określonym natężeniu (mA) lub napięciu (mV), i czasie trwania (ms).

40. Włókna nerwowe jak i włókna mięśniowe w prawidłowych warunkach fizjologicznych utrzymują spoczynkowy potencjał elektryczny w przedziale – 82,8mV (+- 3,2mV), który w czasie pobudzenia ulega odwróceniu aż do powstania potencjału dodatniego przekraczającego 15mV. Czas trwania potencjału czynnościowego wynosi 5-10 ms, a całość reakcji zachodzących w czasie jego trwania nazywana jest sprzężeniem elektromechanicznym.

41. 13.PRZYKŁADY OBNIŻANIA ENERGII • Wystarczy pamiętać o prostych czynnościach : • Dzięki wyjęciu wtyczki z gniazdka i nie pozostawianiu telewizora i komputera w stanie czuwania można oszczędzić ok. 30 zł rocznie. • Dzięki wyjęciu ładowarki z kontaktu po naładowaniu telefonu komórkowego lub elektrycznej szczoteczki do zębów można oszczędzić ok. 20 zł rocznie. • Dzięki zastąpieniu jednej żarówki 100 W świetlówką kompaktową można oszczędzić ok. 25 zł rocznie. • Dzięki wymianie jednej żarówki na energooszczędną można oszczędzić ok. 50 zł rocznie. • Dzięki wymianie lodówki na energooszczędną można oszczędzić ok. 90 zł rocznie.

42. 13.PRZYKŁADY PODWYŻSZANIA ENERGII: • Piecyk Elektryczny • Mikrofalówka • Bojlery elektryczne ( podgrzewające wodę) • Stare żelazka ( aż 2000 Kw , największy pobór energii z pośród wszystkich urządzeń ele.) • Czajnik elektryczny • Oraz inne urządzenia działające na prąd np. Kuchenka elektryczna

44. 14.BIOMAGNETYZM • Biomagnetyzm to zjawisko polegające na wytwarzaniu pola magnetycznego przez organizmy żywe . • Jego podstawowym źródłem są bioprądy w komórkach narządów wewnętrznych (np. serca, mózgu), a także prądy objętościowe przepływające w tkankach całego ciała; celem badań nad biomagnetyzmem jest wyjaśnienie podstawowych zjawisk fizjologicznych oraz wykorzystanie ich w nieinwazyjnej diagnostyce medycznej (np. lokalizacja ognisk padaczkowych).

45. 14.REZONANS ELEKTRO-MAGNETYCZNY Badanie rezonansem magnetycznym jest obecnie jedną z najdokładniejszych form diagnostycznych w medycynie. Jest ono niezastąpione przy wykrywaniu nowotworów, przerzutów, zmian chorobowych w tkankach różnych okolic ciała. Ze względu na wysoki koszt badania, jest ono przeprowadzane stosunkowo rzadko, w większości sytuacji, gdy inne formy diagnostyki nie są wystarczające.

46. Badanie rezonansem magnetycznym (w skrócie nazywane MR lub MRI) wykorzystuje oddziaływanie fal o częstotliwości radiowej na protony, które znajdują się w polu magnetycznym i rejestruje związane z tym zjawiska energetyczne. Procesy te w czasie obrazowania ciała ludzkiego, dotyczą głównie protonów wodoru. Posługiwanie się badaniami MR w przypadku oceny budowy ciała ludzkiego jest znacznie trudniejsze niż stosowanie innych technik diagnostycznych.

47. 14.ZAGROŻENIA Jeśli pacjent otrzymuje środek cieniujący, istnieje niewielkie ryzyko wystąpienia reakcji alergicznej. Ale jest ono mniejsze niż w wypadku substancji kontrastowych zawierających jod i powszechnie stosowanych podczas zdjęć rentgenowskich oraz tomografii komputerowej. Poza tym nie stwierdzono innych zagrożeń dla zdrowia pacjenta. Ponieważ jednak badanie to wiąże się z oddziaływaniem silnego pola magnetycznego, może nie być wskazane u tych, którym wszczepiono różnego rodzaju aparaty lub metalowe implanty.

48. 15.OPÓR ELEKTRYCZNY - ZADANIE • Oblicz opór elektryczny energooszczędnej żarówki o mocy 20. W przystosowaną do pracy pod napięciem 230V Żarówka według zapewnień producenta może świecić 8000 godzin. • Dane: P = 20 W U = 230V • Szukane: R = ? • Rozwiązanie: 20W = 20V∙A R = U : I P = U ∙ I I = P : U podstawiając: R = U : (P : U) R = U² : PR = (230V) ² : 20VA =  52900 V² : 20 VA = 2645 Ω • Odp.: Opór elektryczny żarówki wynosi 2645 Ω.

49. 15.OBSERWACJA POLA MAGNETYCZNEGO Do zbadania właściwości przestrzeni wokół magnesu, czyli pola magnetycznego, można użyć igiełek magnetycznych lub opiłków żelaza, które zachowują się jak małe magnesiki. Jeśli pod szklaną szybą umieścimy magnes, a na szybie rozsypiemy opiłki żelaza, to opiłki ustawią się tak, jak na zdjęciach: