Wykaz zagadnień do działu: Przepływ prądu elektrycznego przez materię

Pytania sprawdzające:

1. Co to jest prąd elektryczny? Wymień znane Ci rodzaje przewodników i określ obecne w nich nośniki prądu.

2. Jak określamy natężenie prądu ? W jakich jednostkach je wyrażamy? ( Jak natężenie prądu zależy od gęstości ładunku ?)

3. Co głosi pierwsze prawo Kirchhoffa? Jakie jest jego uzasadnienie?

4. Co nazywamy charakterystyką prądowo-napięciową odbiornika ? Jaki jest jej związek z oporem elektrycznym ?

5. Co głosi prawo Ohma dla odcinka obwodu oraz dla obwodu zamkniętego ?

6. Od czego (i w jaki sposób) zależy opór przewodnika?

7. Jak połączone są ze sobą odbiorniki w domowej instalacji elektrycznej? Jakie zalety ma takie połączenie?

8. Jak określa się SEM czyli siłę elektromotoryczną źródła prądu? Jaki jest jej związek z napięciem na zaciskach źródła prądu?

9. Od czego zależy wartość prądu zwarcia? Dlaczego należy unikać „krótkiego spięcia” ?

10. Co to jest natężenie skuteczne pradu przemiennego ? Jaki jest jego związek z maksymalnym natężeniem prądu ?

11. Podaj treść drugiego prawa Kirchhoffa dla oczka sieci.

12. W jaki sposób obliczyć zastępczy opór elektryczny dla odbiorników połączonych:

1. szeregowo,

2. równolegle,

13. Wzory na moc cieplną (Joule'a) rezystorów mają postać P=RI² lub P= U²/R. Pierwszy z nich zdaje się sugerować, że im większy opór tym moc większa, a drugi odwrotnie. Wyjaśnij pozorną sprzeczność.

14. Która żarówka ma mniejszy opór 20 W czy 100 W ? Odpowiedź uzasadnij.

15. W jaki sposób należy włączać do obwodu amperomierz i woltomierz ? Jaki opór winien posiadać idealny amperomierz i woltomierz ?

Zadania :

1. Jaki ładunek przepływa w czasie 1 minuty przez przewodnik o oporze R = 4 Ω podłączony do źródła prądu o napięciu 12 V ? Jaka ilość ciepła się wydzieli ? Jaka będzie moc tego przewodnika ?

(Odp. I = 3A, Q = 180 C, P = 36 W, W = 2160 J )

2. Ogniwo o SEM równej 1,5 V i oporze wewnętrznym 0,5 Ω spięto oporem 10 Ω. Oblicz natężenie prądu w obwodzie i napięcie na oporze zewnętrznym.

(Odp. I=1/7 A, U=10/7 V)

3. Oblicz energię i moc wyładowania atmosferycznego wiedząc, że średnie natężenie prądu podczas uderzenia pioruna wynosi 50 000 A przy napięciu między chmurą a Ziemią 10⁸ V, a czas wyładowania wynosi około 1 ms. Dlaczego nie wykorzystuje się energii wyładowań atmosferycznych?

( Odp. P=5∙ 10 ⁶ MW, W = 5∙ 10 ⁹ J = 1400 kWh )

4. W oporniku o oporze 3Ω płynie prąd o natężeniu 2A. Jaki prąd popłynie w oporniku dołączonym do niego równolegle o oporze 2Ω ? ( Odp. I=3A )

5. Oblicz opór elektryczny żarówki do reflektora samochodowego o mocy 30 W przy napięciu 12 V. (Odp. 4,8 Ω).

6. Po podłączeniu do baterii o SEM 12V oporu 2 Ω w obwodzie płynie prąd 5A. Jakie byłoby natężenie prądu zwarcia tej baterii.

(Odp. r = 2/5 Ω, I_z = 30 A )

7. Oblicz opór drutu miedzianego o długości 2m i średnicy 0,2 mm jeżeli opór właściwy miedzi wynosi 1,72 · 10^-8 Ω ·m.

(Odp. R = (3,44/π) Ω )

Wykaz zagadnień do działu: Magnetyzm

Tematy	Wymagania podstawowe	Wymagania ponadpodstawowe
Źródła pola magnetycznego. Oddziaływania magnetyczne.	zna pojęcia: pole magnetyczne, linie pola, pole jednorodne i niejednorodne, elektromagnes, cewka indukcyjna (zwojnica, solenoid) wie, że Ziemia jest magnesem o południowym biegunie na północy wie, że źródłem pola magnetycznego są poruszające się ładunki elektryczne oraz niektóre cząstki elementarne opisuje pola magnetyczne wytwarzane przez magnes sztabkowy i podkowiasty, prostoliniowy przewodnik i cewkę indukcyjną określa kierunek i zwrot linii pola magnetycznego	zna pojęcia: przenikalność magnetyczna próżni, indukcja magnetyczna, tesla, zna i stosuje wzory na indukcję magnetyczną w solenoidzie i wokół prostoliniowego przewodnika, wie, że nie ma pojedynczych biegunów magnetycznych
Siła Lorentza i jej zastosowania. (Cyklotron, spekrtrograf masowy)	wie jak pole magnetyczne działa na naładowane elektrycznie cząstki i po jakich torach mogą się one poruszać w jednorodnym polu magnetycznym określa kierunek i zwrot siły Lorentza (elektrodynamicznej)	zna pojęcia: komora Wilsona i pęcherzykowa, spektrograf masowy, akcelerator wyprowadza wzór na promień okręgu po którym porusza się naładowana cząstka w polu magnetycznym
Siła elektrodynamiczna Silnik elektryczny, miernik prądu.	zna pojęcia: siła elektrodynamiczna omawia zasadę działania silnika elektrycznego	wymienia zastosowania siły elektrodynamicznej
Strumień magnetyczny. Indukcja elektromagnetyczna. Reguła Lenza a zasada zachowania energii.	zna sposoby wzbudzania prądu indukcyjnego zna przykłady zastosowań zjawiska indukcji elektromagnetycznej określa kierunek i zwrot prądu indukcyjnego	zna pojęcia: strumień pola magnetycznego (wzór) podaje i omawia prawo indukcji (Faraday'a)
Prądnica prądu przemiennego.	zna pojęcia: prądnica prądu przemiennego (generator) wyjaśnia zasadę działania pradnicy	zna pojęcia: stojan, twornica
Transformowanie napięcia. Przesyłanie energii elektrycznej na odległość.	wie jak działa transformator i jak zmienia się napięcie i natężenie transformowanego prądu zmiennego wie dlaczego przesyłamy prąd sieciami wysokiego napięcia	zna pojęcia: transformator, cewka pierwotna i wtórna, rdzeń transformatora, przekładnia transformatora rozwiązuje zadania dotyczące transformowania prądu
Substancje w polu magnetycznym.	zna pojęcia: dia-, para- i ferromagnetyk, wie, że magnes (elektromagnes) przyciąga żelazne przedmioty wie, że żelazo można trwale namagnesować a rdzeń żelazny silnie wzmacnia pole magnetyczne elektromagnesu	zna pojęcia: indukowane pole magnetyczne (własne), nadprzewodnik, domeny magnetyczne, temperatura Curie, krzywa histerezy ferromagnetyka wie jak magnesują się substancje magnetyczne w zewnętrznym polu magnetycznym podać zastosowania substancji magnetycznych

Pytania sprawdzające

1. Na czym polegało doświadczenie Oersteda? Jakie miało znaczenie dla dalszego rozwoju fizyki ?

2. Jakie znasz źródła pola magnetycznego ?

3. Jakie pole magnetyczne wytwarza wokół siebie magnes trwały (sztabkowy, podkowiasty) ?

4. Jakie pole magnetyczne wytwarza wokół siebie prostoliniowy przewodnik z prądem?

5. Jakie pole magnetyczne wytwarza wokół siebie solenoid?

6. Podaj definicję strumienia indukcji magnetycznej i jego jednostkę.

7. Jaka wielkość fizyczna określa pole magnetyczne ? Jak ją zmierzyć ? W jakich jednostkach ją wyrażamy ?

8. W jaki sposób pole magnetyczne działa na cząstki ? Podaj wzór na siłę Lorentza.

9. Po jakich torach mogą się poruszać cząstki w jednorodnym polu magnetycznym ?

10. Jakie znasz zastosowania pól magnetycznych ? Wymień kilka urządzeń a następnie opisz budowę i zasadę działania jednego z nich.

11. Jaką pracę wykonuje siła (Lorentza) z jaką pole magnetyczne działa na poruszającą się cząstkę ?

12. Jak dzielimy ciała ze względu na ich właściwości magnetyczne ? Opisz jeden rodzaj ciał magnetycznych.

13. Opisz w kilku zdaniach własności diamagnetyków.

14. Opisz w kilku zdaniach własności paramagnetyków.

15. Opisz w kilku zdaniach własności ferromagnetyków.

16. Opisz budowę i zasadę działania silnika prądu stałego, prądnicy i transformatora.

17. Jaki efekt wywołują siły elektrodynamiczne jeżeli przez zwojnicę płynie prąd elektryczny ? Odpowiedź uzasadnij.

18. Po jakim torze będzie się poruszał neutron wstrzelony do jednorodnego pola magnetycznego prostopadle do jego linii ?

19. Co można powiedzieć o własnościach magnetycznych nieznanej substancji, jeżeli swobodny pręcik z niej wykonany umieszczony w jednorodnym silnym polu magnetycznym ustawił się wzdłuż linii tego pola ?

20. W jaki sposób Faraday wzbudził prąd indukcyjny w obwodzie elektrycznym ?

21. Jakie znaczenie miało odkrycie zjawiska indukcji elektromagnetycznej ?

22. Od czego zależy SEM indukcji ?

23. Od czego zależy wartość natężenia prądu indukcyjnego w obwodzie zamkniętym ?

24. Co głosi reguła Lenza ?

25. Wyjaśnij dlaczego niezbędne jest transformowanie prądu zmiennego ?

26. Pętla z drutu porusza się ze stałą prędkością i nie indukuje się w niej żadna SEM. Czy to znaczy, że w przestrzeni, w której porusza się pętla, pole magnetyczne jest równe zeru ?

27. Czy szybkie wsuwanie blachy aluminiowej między bieguny silnego magnesu może wymagać siły ?

28. Żelazo jest przyciągane przez oba bieguny magnesu. Czy zatem elektromagnes używany do podnoszenia złomu żelaznego może być zasilany prądem przemiennym ?

29. Podaj przykłady zastosowania transformatora.

Zadania.

1. Jaki prąd powinien płynąć przez zwojnicę o długości 0,2 m zawierającą 2000 zwojów, o przekroju poprzecznym 10 cm² ,aby w jej wnętrzu indukcja magnetyczna osiągnęła wartość 0,02 T? Jaki strumień magnetyczny będzie wtedy przepływał przez zwojnicę ? ( Odp. 1,6 A, 2· 10^-5 Wb)

2. W jakiej odległości od prostoliniowego przewodnika z prądem o wartości 10 A jest wytwarzane pole magnetyczne o indukcji B= 0,5 T? ( Odp. 4 μm )

3. Jaką pracę wykonuje jednorodne pole magnetyczne o indukcji 1,5 T przy przesuwaniu przewodnika o długości 0,2 m, przez który płynie prąd o natężeniu 10 A, o odcinek

0,25 m? Przewodnik tworzy kąt 30˚ z kierunkiem pola, a przesuwanie przewodnika

następuje prostopadle do linii pola B. (Odp. 0,375 J )

4. W jednorodnym polu magnetycznym o indukcji 12 T na przewodnik z prądem działa siła 8 N. Jaka siła działać będzie na ten przewodnik gdy wartość tego pola zmaleje do

3 T? ( Odp. 2N )

5. Jaka siła działa na przewodnik o długości 2 m przewodzący prąd o natężeniu 2 A, umieszczony pod kątem 30˚ do linii pola magnetycznego o indukcji 2 T? ( Odp. 4 N )

6. Elektron porusza się w poprzek pola magnetycznego o indukcji 1 T z prędkością 10 m/s. Jaka siła działa na niego? Jaki jest promień okręgu po którym się porusza?

(Odp. F= 1,6 · 10^-18 N , r = 5,69· 10^-11 m)

7. Do zasilania lampy rentgenowskiej wymagane jest napięcie 44 000 V. Jaki musi być stosunek liczby zwojów w uzwojeniu wtórnym do liczby zwojów w uzwojeniu pierwotnym transformatora by można było korzystać z sieci prądu zmiennego o napięciu 220 V ? ( Odp. 200 )

8. Przekładnia transformatora wynosi n = 10. Oblicz napięcie i natężenie prądu na jego wyjściu, jeżeli na wejściu wprowadzamy prąd pod napięciem U = 12 V i o mocy

P = 6 W. ( Odp. 120 V; 0,05 A )

9. Pewna wieś potrzebuje mocy elektrycznej ok. 220 kW. Jakie byłyby straty mocy na ciepło Joule'a w linii energetycznej o długości 10 km wiedząc, że 1km tej linii ma opór 0,04 Ω, przy napięciu skutecznym w linii energetycznej a) 220 V oraz b) 22 000 V ? Odp. a) 400 kW, b) 40 W.

---