Mąkolice 2024/2025

Przewodniki i izolatory

---

W przyrodzie wyróżniamy: przewodniki i izolatory. Przewodniki w swojej budowie mają swobodne elektrony na ostatniej powłoce (walencyjna) które mogą się poruszać swobodnie między atomami. Izolatory – nie mają swobodnych elektronów.

Przykłady przewodników: woda, metale (złoto, srebro, miedź, aluminium), grafit. Przykłady izolatorów: woda (destylowana), guma, szkło, tworzywo sztuczne, drewno, papier.

Opór elektryczny

---

Wielkością charakterystyczną dla odbiornika jest jego opór. Opór z reguły jest wielkością stałą, oznaczany dużą literą R. Jednostką jest OM.

Są trzy sposoby pomiaru (odczytu) oporu elektrycznego:

Zadanie 1

W tabeli podano nazwy urządzeń elektrycznych dostosowanych do napięcia 230 V.

1. Oblicz natężenie prądu płynącego przez: pralkę, czajnik, telewizor. Przez które z tych urządzeń płynie prąd o największym natężeniu?
2. Oblicz natężenie prądu płynącego przez licznik energii elektrycznej, gdy równocześnie włączymy do sieci wszystkie odbiorniki wymienione w tabeli. Czy bezpiecznik 16 A „wytrzyma” takie obciążenie?
3. Oblicz miesięczny (30 dni) koszt oświetlenia żarówką o mocy 60 W zakładając, że korzystamy z niej przeciętnie przez 4 h dziennie, a cena 1kWh wynosi 70 gr.

Zadanie 2

Oblicz koszt miesięcznego oświetlenia Naszej klasy wiedząc, że lamp na suficie jest 8 a w każdej z nich jest po 4 żarówki 18W. Dla uproszczenia przyjmiemy, że dni roboczych w tygodniu jest 5 a w miesiącu tygodni 4. W dniu w którym jesteśmy w klasie żarówki świecą 7 h. Na koniec przyjmujemy, że 1kWh kosztuje 70gr.

Zadanie 3

W jakim czasie zagotuje się jeden litr wody w czajniku o mocy 2000 W. Zakładamy, że temperatura początkowa wody wynosiła 20 °C.

Domowa instalacja elektryczna
W skład domowej instalacji elektrycznej wchodzą m.in. gniazdka, wyłączniki, liczniki energii elektrycznej, bezpieczniki. Przewody elektryczne zwykle są umieszczone w ścianach (czasami biegną przy powierzchni ściany). Domowa sieć elektryczna jest zbudowana tak, że we wszystkich gniazdkach oraz końcówkach, do których podłącza się oświetlenie, jest takie samo napięcie równe 230V. Oznacza to, że jeżeli włączysz równocześnie kilka odbiorników, to przez każdy z nich popłynie prąd o natężeniu zależnym od oporu odbiornika, a w przewodach doprowadzających prąd do mieszkania - o natężeniu równym sumie natężeń prądów płynących przez poszczególne odbiorniki. Duże natężenie prądu powoduje wydzielanie się dużej ilości energii w formie ciepła, co może powodować przepalanie się przewodów.

Instalacje elektryczne a bezpieczeństwo
Przy codziennym korzystaniu z domowych urządzeń elektrycznych należy pamiętać o przestrzeganiu zasad bezpieczeństwa. Takie urządzenia jak lampy, miksery, roboty kuchenne, żelazka, odkurzacze, suszarki, prostownice powinny być przechowywane i użytkowane w miejscach suchych, bez dostępu wody. W czasie kąpieli nie wolno używać suszarki do włosów, ponieważ woda dobrze przewodzi prąd elektryczny - wpadnięcie suszarki do wody spowoduje porażenie prądem. Ciało człowieka składa się w przeważającej części z wody, w której rozpuszczone są sole mineralne, jest więc dobrym przewodnikiem elektryczności.

• Magnesy zwrócone do siebie biegunami różnoimiennymi przyciągają się, a zwrócone biegunami jednoimiennymi - odpychaja się.
• Ziemia zachowuje się tak, jakby w jej wnętrzu był olbrzymi magnes.
• Biegun N igły kompasu wskazuje północny kierunek geograficzny, a biegun S - południowy.
• Ferromagnetyk wskazuje silne właściwości magnetyczne. Jest substancją w której występują domeny magnetyczne. Zaliczamy takie pierwiastki jak: żelazo, kobalt, nikiel i neodym.
• Domeny magnetyczne to bardzo małe obszary namagnesowania wewnątrz ferromagnetyku.
• Magnes trwały to ferromagnetyk po uporządkowaniu domen magnetycznych.
• Namagnesowanie to stan uporządkowania domen magnetycznych w ferromagnetykach

• Przewodniki, przez które płynie prąd elektryczny, mają właściwości magnetyczne.
• Przewodnik kołowy, przez który płynie prąd, ma bieguny magnetyczne, podobnie jak sztabkowy magnes trwały.
• Ułożenie biegunów kołowych przewodnika z prądem zależy od kierunku przepływu prądu.
• Przewodnik, w którym prąd płynie w tę samą stronę, przyciągają się, a te, w którym prąd płynie w przeciwnych kierunkach - odpychają się.

Elektromagnes - budowa, działanie, zastosowanie

---

Elektromagnes składa się ze zwojnicy i umieszczonego w niej rdzeniu wykonanego z ferromagnetyku. Elektromagnesy działają jak magnesy. Ich działanie można także wzmocnić zwiększając liczbę zwojów nawiniętych na rdzeń lub poprzez wartość natężenia prądu płynącego przez zwojnicę.

• Siła magnetyczna (elektrodynamiczna) to siła działająca na przewodnik, w którym płynie prąd i który jest umieszczony w pobliżu magnesu lub innego przewodnika z prądem.
• Silniki elektryczne działają dzięki wzajemnemu oddziaływaniu magnesów z elektromagnesami (lub elektromagnesów z elektromagnesami), czyli wykorzystaniu oddziaływania magnetycznego.

Wahadło matematyczne to punkt materialny, zawieszony na nieważkiej i nierozciągliwej nici, wykonujący cykliczne wahania wokół położenia równowagi, przy czym czas wykonania jednego pełnego cyklu nie zależy od wielkości wychylenia, ale od długości nici, nie zależy też od zawieszonej masy.

Wahadło sprężynowe jest to ciało zawieszone na sprężynie, które może wykonywać drgania swobodne pod wpływem działającej na ciało sprężyny. Im większa masa wahadła sprężynowego, tym dłuższy okres jego drgań.

Wykres ruchu drgającego. Przemiany energii

---

W poziomym ruchu drgającym obciążnika przymocowanego do sprężyny następują cykliczne zmiany energii potencjalnej sprężystości w energię kinetyczną obciążnika i odwrotnie.

Energia potencjalna sprężystości w położeniu równowagi (sprężyna nierozciągnięta) jest równa zero, a największa jest przy maksymalnym wydłużeniu (sprężyna rozciągnięta) i maksymalnym skróceniu sprężyny (sprężyna ściśnięta).

Energia kinetyczna obciążnika jest równa zero przy maksymalnym wydłużeniu i maksymalnym skróceniu sprężyny, a największą wartość przyjmuje podczas przejścia przez położenie równowagi.

• Ruch drgający można przedstawić na wykresie zależności wychylenia od czasu. Z takiego wykresu można odczytać okres i amplitudę drgań.
• Podczas drgań wahadła następują okresowe przemiany energii.
• W przypadku obciążnika przymocowanego do sprężyny i drgającego w poziomie energia potencjalna sprężystości zamienia się okresowo w energię kinetyczną. W położeniu równowagi takie wahadło ma największą energię kinetyczną, a przy maksymalnym wychyleniu ma największą energię potencjalną sprężystości.

Odległość, którą fala przebywa w czasie, gdy dowolnie wybrana cząsteczka ośrodka wykonuje jedno pełne drganie, nosi nazwę długość fali. Czas, w którym cząsteczka ośrodka pobudzona do drgań wykonuje jedno pełne drganie, nosi nazwę okresu fali.

Źródłem fali jest drgające ciało. Rozchodzące się w ośrodku zaburzenie (odkształcenie) nosi nazwę fali mechanicznej. Fala może rozchodzić się na duże odległości, choć cząsteczki ośrodka nie przemieszczają się wraz z nią, a jedynie wykonują drgania.

Zadanie

Pewnego dnia odległość między grzbietami fali na morzu wynosiła 2,5 m. Najkrótszy czas pomiędzy najniższym a najwyższym położeniem łodzi unoszącej się na powierzchni wody wynosił 0,625 s. Oblicz okres i prędkość tej fali.

Fale dźwiękowe

---

Źródłem dźwięku jest drgające ciało. Każde źródło dźwięku wywołuje drgania warstw cząsteczek otaczającego je ośrodka sprężystego (np. powietrza), które są przekazywane kolejnym cząsteczkom. Powoduje to chwilowe zagęszczenie i rozrzedzenia ośrodka, które rozchodząc się, tworzy falę dźwiękową, czyli akustyczną.

Fala dźwiękowa rozprzestrzenia się w różnych ośrodkach, np. powietrzu, wodzie czy też szkle. Z reguły jest tak, że im ośrodek jest gęstszy tym dźwięk rozchodzi się szybciej. Rozchodzenie się fali dźwiękowej polega na rozprzestrzenianiu się drgań warstw cząsteczek ośrodka. Drgania są przenoszone przez cząsteczki tych ośrodków.

Dźwięk, ani żadna inna fala mechaniczna nie rozchodzi się w próżni.

Zadania:

• Oblicz górną granicę długość fali dźwiękowej dla infradźwięków poruszających się w powietrzu z prędkością 340 m/s.
• Oblicz długość fal radiowych dla częstotliwości 97,8 MHz.

Wysokość i głośność dźwięku

---

Ucho ludzkie może rejestrować dźwięki tylko wtedy, gdy częstotliwość fali dźwiękowej mieści się w granicach od około 16 Hz do około 20 000 Hz. Dźwięki takie nazywa się dźwiękami słyszalnymi. Dźwięki o częstotliwości niższej od 16 Hz nazywa się infradźwiękami, a o częstotliwości wyższej od 20 000 Hz - ultradźwiękami.

Większość nietoperzy do echolokacji używa dźwięków w zakresie 20 kHz - 80 kHz, ale zdarzają się gatunki wykorzystujące częstotliwość powyżej 200 kHz. Delfiny wydają dźwięki o częstotliwości od 500 Hz do około 200 kHz. Są one bardzo zróżnicowane i złożone. Słonie porozumiewają się za pomocą infradźwięków czyli drgań o częstotliwości niższej od 16 Hz.

Środki transportu, maszyny i urządzenia nagłaśniające zamieniają ogromne ilości energii na energię akustyczną. Zbyt głośne, nieprzyjemne i drażniące dźwięki są nazywane hałasem. Hałas, zwłaszcza długotrwały, jest szkodliwy dla zdrowia.

Wrażenie głośności dźwięku zależy od amplitudy drgań ośrodka drgającego. Im większa amplituda, tym głośniejszy jest dźwięk. Wrażenie wysokości dźwięku zależy od częstotliwości drgan. Im większa amplituda, tym głośniejszy dźwięk (tym większe są energie i natężenie fali).

Cechy dźwięku:

Wszystkie fale elektromagnetyczne mają taką samą naturę. Ich właściwości zależą jedynie od długości fali.

• Fale radiowe znajdują bardzo szerokie zastosowanie w telekomunikacji, radiofonii, telewizji, radioastronomii i wielu innych dziedzinach nauki oraz techniki.
• Mikrofale. W zależności od metody wytwarzania niekiedy mikrofale są zaliczane do fal radiowych, albo do podczerwieni. Podstawowe zastosowania mikrofal to łączność (na przykład telefonia komórkowa, radiolinie, bezprzewodowe sieci komputerowe) oraz technika radarowa.
• Promieniowanie podczerwone jest nazywane również cieplnym, szczególnie gdy jego źródłem są nagrzane ciała. Każde ciało o temperaturze większej od zera bezwzględnego emituje takie promieniowanie
• Światło widzialne. Światło (promieniowanie widzialne) to ta część widma promieniowania elektromagnetycznego, na którą reaguje zmysł wzroku człowieka. Różne zwierzęta mogą widzieć w nieco różnych zakresach. Światło jest tylko w niewielkim stopniu absorbowane przez atmosferę ziemską i przez wodę. Ma to duże znaczenie dla organizmów żywych, zarówno wodnych, jak i lądowych.
• Promieniowanie ultrafioletowe jest zaliczane do promieniowania jonizującego, czyli ma zdolność odrywania elektronów od atomów i cząsteczek. W dużym stopniu określa to jego właściwości, szczególnie oddziaływanie z materią i na organizmy żywe. Słońce emituje ultrafiolet w szerokim zakresie spektralnym, ale górne warstwy atmosfery ziemskiej (warstwa ozonowa) pochłaniają większość promieniowania z krótkofalowej części spektrum.
• Promieniowanie rentgenowskie (promieniowanie X) jest promieniowaniem jonizującym. Promieniowanie rentgenowskie jest wykorzystywane do wykonywania zdjęć rentgenowskich do celów diagnostyki medycznej.
• Promieniowanie gamma towarzyszy reakcjom jądrowym, wysyłane jest przez substancje promieniotwórcze. Posiada najkrótsze długości fal z wyżej wymienionych - poniżej 1nm.

Światło i jego właściwości

---

Światło rozchodzi się po linii prostej, w każdym ośrodku przezroczystym. Jest to fala elektromagnetyczna widzialna z zakresu od 350nm do 650nm.

Cień to obszar, do którego światło nie dochodzi z powodu nieprzezroczystej przeszkody znajdującej się na drodze promieni świetlnych. Jeżeli przedmiot oświetlony jest dwoma źródłami światła, to półcień, jest obszarem, na który pada światło tylko z jednego z nich.

Do zaćmienia Słońca dochodzi, gdy Księżyc znajduje się między Słońcem a Ziemią. Do zaćmienia Księżyca natomiast dochodzi, gdy Ziemia znajduje się między Słońcem a Księżycem.

Rozróżniamy następujące źródła światła: