Z elektrycznością stykasz się wszędzie. Poznajesz coraz więcej skutków jej oddziaływania. Na przykład, pierwotnych ludzi przerażała błyskawica, uderzenie pioruna, jego niszczycielskie skutki. Te wielkie wyładowania elektryczne nam już są dobrze znane. Boimy się burzy, ale wiemy, że choć moc elektryczna wyładowań atmosferycznych jest olbrzymia, to jednak - ze względu na krótki czas tych wyładowań - ich energia nie jest duża. Nie opłaca się nawet korzystać z tego naturalnego źródła energii elektrycznej. Musimy natomiast coraz lepiej zapobiegać negatywnym skutkom wyładowań elektrycznych. Pierwszy zadbał o to Benjamin Franklin w roku 1752, instalując na wieży kościoła piorunochron. Uczeni ciągle odkrywają coś nowego z zakresu elektryczności i dają tym podstawy do konstruowania coraz to lepszych urządzeń. Świadectwem tego jest bardzo szybki rozwój elektroniki, komputerów, różne­go sprzętu elektronicznego i elektrycznego. Na pewno chcesz, żeby urządzenia, z którymi stykasz się na co dzień, nie były Ci obce, nieprzyjazne, a nawet czasem niebezpieczne. Musisz wiedzieć, że ta pożyteczna elektryczność, która jest w domu, w każdym gniazdku elektrycznym, dostępna dla każdego, może człowieka porazić. Doprowadzona do urządzenia duża energia pomaga Ci pracować, uwalnia od fizycznego wysiłku. Ale czasem wymyka się spod Twojej kontroli, zwłaszcza wtedy, kiedy popełnisz błąd w obsłudze sprzętu elektrycznego. Tylko wiedza i umiejętności praktyczne z zakresu elektrotechniki mogą Cię ustrzec przed wypadkiem. Wiedzę tę będziesz czerpał z różnych źródeł. Na lekcjach fizyki poznasz fizyczne podstawy elektrotechniki i elektroniki, a na lekcjach techniki zetkniesz się z różnymi sytuacjami, w których zjawiska te będą miały zastosowanie praktyczne. Na zajęciach z techniki będziesz poznawał elektrotechnikę począwszy od przewodników i izolatorów, potem dowiesz się, jak się wytwarza energię elektryczną. Poznasz sposoby korzystania z tej energii. Zadania praktyczne będą dotyczyły obsługi urządzeń, montażu bardzo prostych przedmiotów technicznych i projektowania elementarnych układów lub zmian w układach. Pomiary elektryczne będą związane głównie z zadaniami praktycznymi, a zagadnienia bhp, ekonomii i ekologii będą powiązane z różnymi tematami zajęć. PRZEWODNIKI ELEKTRYCZNOŚCI I IZOLATORY W elektrotechnice stosuje się wiele różnych materiałów. Ogólnie można je podzielić na trzy grupy: przewodzące prąd elektryczny (przewodniki), nie przewodzące prądu elektrycznego (izolatory), półprzewodniki. Do materiałów przewodzących prąd elektryczny należą metale, np. srebro, miedź, aluminium, mosiądz, stal i stopy oporowe. Do materiałów nie przewodzących prądu elektrycznego należą np. ceramika, jedwab, papier, oleje, powietrze. Sądzę, że podasz jeszcze więcej przykładów tych materiałów. Może też wyróżnisz z nich takie materiały, które przewodzą prąd elektryczny bardzo dobrze i takie, które przewodzą gorzej, a także bardzo dobre izolatory Przewodniki elektryczności Z materiałów przewodzących prąd elektryczny na pewno wyróżniłeś miedź i jej stopy, gdyż ze względu na swoje cenne właściwości (przede wszystkim małą oporność właściwą) należą one do materiałów najszerzej stosowanych w przemyśle elektrotechnicznym. Około połowy światowego zużycia miedzi przeznaczone jest na cele tego przemysłu. Każdy materiał przewodzący prąd elektryczny ma swoją określoną rezystancję (w fizyce stosuje się określenie: oporność elektryczna). Jednak wartość tej rezystancji rośnie w funkcji temperatury. Na przykład rezystywność (oporność właściwa) wolframu wynosi w temperaturze 20 °C - 0,055 [Omm2/m], w temperaturze 1200 °C - 0,4[Omm2/m],a w temperaturze 2400 °C - 0,85[Omm2/m]. W temperaturach bardzo niskich, bliskich zeru bezwzględnemu, nie­które ciała tracą rezystancję. Stają się nadprzewodnikami. Prowadzi się badania naukowe w zakresie nadprzewodnictwa w celu wykorzystania tego zjawiska w technice. Elektrotechników interesują nie tylko materiały o małej rezystywności. Wykorzystują oni również materiały, które mają wyższe od miedzi rezystywności, np. konstantan (Cu 55% i Ni 45%) - 0,458[Omm2/m], Konstantan i inne materiały oporowe stosowane są w różnych grzejnikach. Materiały oporowe, ze względu na różne temperatury pracy dzieli się na trzy grupy. Do pierwszej grupy należą materiały o niskiej temperaturze pracy (do 500 °C),do drugiej - o średniej (500-s-lOOO °C) i trzeciej - o wysokiej temperaturze pracy (powyżej 1000 °C). Na przykład stosowana w grzejnikach chromonikielina (Ni 80% i Cr 20%) ma temperaturę topnienia 1400 °C, a najwyższą temperaturę zastosowania 1150 °C. i gorsze izolatory. Tkaniny grzejne stosowane na poduszki i kołdry elektryczne zawierają cienki drut oporowy z konstantatu lub chromonikieliny owinięty śrubowo na nici szklanej. Pytania i zadania 1. Czy znasz metale lepiej przewodzące prąd elektryczny niż miedź? 2. Na jakie grupy możesz podzielić materiały oporowe? 3. Wymień urządzenia elektryczne, w których są zastosowane materiały oporowe. 4. Jaką moc mają urządzenia w Twoim domu, w których zastosowano grzałki elektryczne? Izolatory Znaczenie materiałów izolacyjnych w elektrotechnice jest ogromne, ponieważ mają one za zadanie przeciwdziałać przepływowi prądu elektrycznego w niepożądanym kierunku. W gospodarstwie domowym lekceważymy często izolacyjne elementy urządzeń elektrycznych i z tego powodu dochodzi do wielu wypadków, porażeń prądem elektrycznym, poparzeń i pożarów. Istnieje wiele materiałów izolacyjnych pochodzenia roślinnego, zwierzęcego i mineralnego, również z tworzyw syntetycznych. Ich klasyfikację można przeprowadzić na podstawie różnych kryteriów. Ze względu na stan skupienia oraz pochodzenie materiały te można podzielić na: gazowe, płynne i stałe. Inny sposób klasyfikacji opiera się na odporności materiałów izolacyjnych na temperaturę. Okres trwałości właściwości izolacyjnych zależy bowiem od rodzaju materiału i od temperatury pracy. Na przykład obniżenie temperatury pracy o 8 °C - w stosunku do temperatury znamionowej - dla izolacji bawełnianej, papierowej nasyconej lakierami olejowymi podwaja czas trwania izolacji; gdy podwyższymy o 8 °C temperaturę, to czas trwania izolacji skraca się o połowę. Pamiętaj o tym, że nawet tak odporne na temperaturę materiały, jak ceramika, szkło mają ograniczoną najwyższą temperaturę pracy ciągłej. Pamiętaj również o tym, że w każdym materiale nie przewodzącym prądu elektrycznego może dojść do przepływu prądu w określonych warunkach (wysoka temperatura, silne pole elektryczne, wilgoć). Każdy materiał izolacyjny posiada bowiem wolne elektrony lub jony, które w pewnych warunkach mogą przewodzić prąd. Tylko w próżni nie ma zupełnie nośników elektrycznych. Jakość izolatorów określa się na podstawie ich właściwości elektrycznych. Jedną z nich jest wytrzymałość na napięcie (przebicie). Przebicie powietrza pomiędzy elektrodami płaskimi odległymi o 1 cm wynosi ponad 30000 V (30,2-31,6 kV). Wytrzymałość na przebicie rośnie proporcjonalnie wraz z ciśnieniem atmosferycznym. Pytania i zadania 1. Wymień urządzenia elektryczne, w których zastosowano izolację z tworzyw sztucznych i materiałów pochodzenia mineralnego. 2. Które urządzenia domowe zawierają układ wysokiego napięcia? Określ w przybliżeniu wysokość napięcia. 3. Czym grozi przebicie izolacji w układzie wysokiego napięcia? 4. W jakich warunkach części izolacyjne domowych urządzeń elektrycznych mogą przewodzić prąd? Czy bezpieczne jest ko­rzystanie w łazience z suszarki do włosów? WYTWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ Prądnice Obecnie najwięcej energii elektrycznej powstaje w uzwojeniach różnych prądnic. Dowiesz się z lekcji fizyki, że w przewodniku powstaje napięcie elektryczne wtedy, kiedy ten przewodnik znajduje się w zmiennym polu magnetycznym. Są możliwe takie sytuacje, że przewodnik porusza się w polu magnetycznym, np. trwałego magnesu, lub odwrotnie - trwały magnes porusza się i wtedy pole magnetyczne zmienia się wokół stojącego przewodnika. Możliwa jest też trzecia sytuacja, że ani magnes, ani przewód nie poruszają się. Dzieje się tak, gdy trwały magnes zastąpimy elektromagnesem i jego uzwojenie jest zasilane zmieniającym się prądem (zmienia się kierunek lub wartość). Wtedy między biegunami elektromagnesu powstanie zmienne pole magnetyczne, które indukuje napięcie elektryczne w nieruchomym przewodzie znajdującym się w tym polu. Według takiej zasady działają transformatory: podwyższają lub obniżają napięcie przemienne. Według pierwszej lub drugiej zasady działają prądnice, i ta mała w Twoim rowerze, i ta wielka w elektrowni. Wiesz na pewno, że każdy samochód musi mieć swoją prądnicę. We współczesnych samochodach prądnice prądu przemiennego zwane są alternatorami. W alternatorach prąd jest wytwarzany w uzwojeniach stojana, tj. w elementach nieobracających się. Natomiast wirnik jest magnesem lub elektromagnesem, do którego prąd elektryczny o małym natężeniu doprowadzany jest przez pierścienie i małe węglowe szczotki. W zależności od obciążenia alternatora, wartość tego prądu jest zmieniana regulatorem elektronicznym. Jest on przymocowany do konstrukcji alternatora, w którego obudowie znajduje się też elektroniczny, diodowy prostownik. Elektroniczne elementy obu tych układów są wrażliwe na zbyt wysokie napięcie. Alternator w swej budowie jest podobny do wielkich prądnic (generatorów) w elektrowniach. Z jego uzwojeń otrzymuje się prąd trójfazowy, tak jak z generatora elektrowni. Silnik sprzężony z prądnicą nazywa się agregatem prądotwórczym, a w elektrowni turbogeneratorem. Same prądnice w czasie swojej pracy nie zanieczyszczają naturalnego środowiska, nie licząc promieniowania elektromagnetycznego, które zawsze towarzyszy przepływowi prądu przemiennego. Natomiast zanieczyszczają środowisko silniki napędzające prądnice. Najbardziej te silniki, dla których nośnikiem energii jest węgiel. Czyste, ekologiczne są elektrownie wykorzystujące energię wiatru, wody i słońca. W naszym kraju w niewielkim stopniu korzysta się z tych źródeł. Pytania i zadania 1. Rozbierz zepsutą prądnicę rowerową, żeby zobaczyć, co się w tej prądnicy obraca: magnes czy cewki. Opisz, jak jest odprowadzone napięcie z cewki prądnicy rowerowej. 2. Czy miniaturowy silnik do zabawek może wytwarzać napięcie przy obracaniu jego wirnika? Jak możesz to sprawdzić praktycznie? 3. Czy prądnica rowerowa wytwarza napięcie przemienne czy stale? Jak możesz to sprawdzić? 4. Czy prądnica prądu stałego może też pełnić funkcję silnika? Ogniwa galwaniczne W 1786 roku Luigi Galvani dokonał słynnego odkrycia, że przy jed­noczesnym dotknięciu mięśnia wypreparowanej kończyny żaby dwoma różnymi metalami połączonymi ze sobą jednym końcem - mięsień kurczy się. Od jego nazwiska wywodzą się nazwy związane z procesa­mi galwanicznymi, np. ogniwo galwaniczne. Pierwszym źródłem energii elektrycznej, które miało praktyczne zastosowania, było źródło chemiczne. Aleksander Volta zbudował w 1800 roku ogniwo galwaniczne, do którego użył kwasu siarkowego jako elektrolitu, a płytek cynkowych i miedzianych jako elektrod. Badał za pomocą tego ogniwa wpływ bodźców elektrycznych na różne narządy. Od jego nazwiska pochodzi nazwa jednostki napięcia elektry­cznego volt (V). Ogniwo, które zbudował, miało napięcie równe 1,1 V. Ogniwo Volty nie miało większego zastosowania w praktyce. Duże zastosowanie praktyczne znalazło dopiero ogniwo Leclanchego. Nazwa pochodzi od nazwiska francuskiego wynalazcy Georgesa Leclanchego, który opatentował je w 1866 roku. W ogniwie Leclanchego elektrodą dodatnią jest specjalnie spreparowany węgiel, elektrodą ujemną cynk, elektrolitem zaś jest roztwór chlorku amonu (salmiaku). Jest to najprostszy, a zarazem najstarszy rodzaj ogniwa stosowany do dziś. Współczesną jego konstrukcję przedstawia rysunek 10. W ogni­wie tym zachodzą procesy chemiczne między cynkiem, chlorkiem amonu i dwutlenkiem manganu, powodując powstanie siły elektromotorycznej (SEM) o wartości 1,5 V. Cechą charakterystyczną ogniwa jest jego pojemność elektryczna mierzona w amperogodzinach. Pojemnością elektryczną ogniwa nazywamy ilość energii elektrycznej, którą może wytworzyć ogniwo na drodze przemian chemicznych aż do chwili jego wyczerpania. Kolejnym parametrem ogniwa jest jego rezystancja wewnętrzna wyrażona w omach. Ogniwo Leclanchego należy do grupy ogniw nieodnawialnych, tzn. że nie można go naładować prądem, tak jak akumulatora. Próba ładowa­nia ogniwa jest niebezpieczna, bowiem grozi wybuchem gazów. Do ogniw nieodnawialnych należą alkaliczne ogniwa manganowe po­wszechnie stosowane jako popularne ogniwa o długim czasie życia (ryc. 11). SEM tego ogniwa wynosi 1,5 V, jego czas życia i pojemność są kilkakrotnie większe niż ogniwa Leclanchego. Inne ogniwa nieodnawialne to: * tlenkowo-srebrowe - stabilne SEM o wartości 1,5 V, drogie; stoso­wane w zegarkach i aparatach słuchowych, * litowe - SEM od 3,8 do 3,0 V, mające bardzo dobry stosunek magazynowanej energii do rozmiarów, długi czas magazynowania (90% pojemności po 5 latach); stosowane jako baterie podtrzymujące (back up batteries) w pamięciach komputerowych o małym poborze mocy. Baterie Bateria jest zbudowana z jednakowych ogniw połączonych szeregowo w celu uzyskania większego napięcia. Na przykład płaska bateria do latarki jest złożona z trzech połączonych szeregowo ogniw Leclanchego. Jej napięcie wynosi 3 x 1,5 V = 4,5 V, a pobór prądu nie powinien przekraczać 0,5 A. Napięcie na zaciskach baterii równa się sumie napięć ogniw. Gdy czerpany prąd jest większy od znamionowego, może powstać gwałtowny spadek napięcia na zaciskach baterii. Szeregowo można łączyć zarówno odnawialne, jak i nieodnawialne źródła energii elektrycznej. Na przykład w akumulatorze samochodowym (odnawialny) jest połączonych szeregowo sześć ogniw kwasowo-ołowiowych, co daje na zaciskach akumulatora 6x2V= 12 V. Rezystancje wewnętrzne ogniw połączonych szeregowo też sumują się tak, jak ich napięcia. Czasami łączy się ogniwa równolegle w celu zwiększenia wydajności prądowej i pojemności bez zwiększania napięcia. Rezystancja dwóch jednakowych ogniw połączonych równolegle równa jest połowie rezystancji jednego ogniwa. Pytania i zadania 1. Opisz budowę wybranego ogniwa galwanicznego. 2. Dlaczego ogniwa nieodnawialne nie mogą być ładowane prądem? 3. Do jakich urządzeń stosujesz baterie? Podaj parametry tych baterii. 4. Od czego zależy pojemność elektryczna baterii, a od czego napięcie? 5. Jak można wykonać baterię 12-woltową z pojedynczych ogniw? 6. W naszym kraju nie zbiera się zużytych baterii w celu ich wykorzystania jako surowca wtórnego. Jakie rozwiązanie zaproponowałbyś, aby zapobiec zatruwaniu środowiska przez zużyte baterie?