prad.pdf

(6929 KB) Pobierz

285010324 UNPDF

Partner konkursu

1.

Zjawisko przepływu prądu

elektrycznego

Atomowa teoria materii, stworzona przez N. Bohra (1908 r.), stanowi podstawę do wyjaśnienia

zjawisk elektrycznych. Pozwala opisać i zrozumieć charakter zjawisk, związanych z ruchem

ładunków elektrycznych, w stopniu dającym możliwość sprawdzenia zjawisk elektrycznych

w praktyce. Pomimo rozwoju teorii poznania materii, przedstawiony poniżej opis budowy ato-

mu, umożliwia w zadawalający sposób wyjaśnić charakter i cechy zjawisk związanych z ener-

gią elektryczną.

Atomowa budowa materii.

Rozpatrując każdą substancję, możemy wydzielić jej najmniejszą cząstkę, zdoną do samo-

dzielnego istnienia i zachowującą cechy tej substancji. Określamy ją jako cząsteczkę (mole-

kułę) danej substancji.

Materiały, których cząsteczki składają się z takich samych atomów lub stanowią pojedynczy

atom, określamy mianem pierwiastka.

Atom stanowi najmniejszą cząstkę pierwiastka, zdolną do samodzielnego

istnienia, której nie możemy podzielić bez zmiany jej własności.

W technice używamy pierwiastków takich jak miedź, srebro, glin (aluminium), ołów, żelazo.

W przypadku, gdy cząsteczka substancji składa się z różnych atomów, określamy wówczas

substancję jako związek chemiczny . Przykładem związku chemicznego będzie woda (H 2 O),

składająca się z dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu. Elektrolit akumulatora samo-

chodowego zawiera oprócz wody destylowanej, kwas siarkowy (H 2 SO 4 ). W tym przypadku

cząsteczka związku chemicznego zawiera dwa atomy wodoru, atom siarki i cztery atomy tlenu.

Budowa atomu.

Model budowy atomu pokazano na rysunku 101. Wewnątrz atomu znajduje się jądro, zawiera-

jące protony i neutrony. Cząstka zwana protonem posiada dodatni ładunek elektryczny, nato-

miast neutron jest cząstką elektrycznie obojętną. Wokół jądra krążą elektrony . Każdy elektron

obiega jądro i obraca się wokół swojej osi. Prędkość ruchu elektronu musi być na tyle duża,

aby pokonał on siły przyciągania elektrycznego jądra i zajął miejsce na określonej orbicie. Usy-

tuowanie elektronów w stosunku do jądra nie jest przypadkowe, lecz ściśle ustalone dla atomu

każdego pierwiastka.

Na przedstawionym modelu elektrony krążą po orbitach, których odległość od środka jądra

zwiększa się. Każda orbita może zawierać tylko pewną maksymalną liczbę elektronów, np. na

orbicie pierwszej - K, może się znajdować tylko maksymalnie dwa elektrony. Na orbicie drugiej

L może się znaleźć maksymalnie 8 elektronów, na orbicie M -18, na orbicie N - 32 elektrony itd.

285010324.067.png

285010324.078.png

285010324.088.png

285010324.099.png

285010324.001.png

285010324.012.png

285010324.021.png

285010324.022.png

285010324.023.png

285010324.024.png

285010324.025.png

285010324.026.png

285010324.027.png

285010324.028.png

285010324.029.png

285010324.030.png

285010324.031.png

285010324.032.png

285010324.033.png

285010324.034.png

285010324.035.png

285010324.036.png

Partner konkursu

Rys.101 .

Model budowy atomu germanu (Ge).

1. Elektron

2. Elektron walencyjny

3. Proton

4. Neutron

K, l, M, N, - oznaczenie orbit elektronów

Ładunek elektryczny zarówno elektronu jak i protonu jest równy tzw. ładunkowi elementarne-

mu „e”, a jego wartość bezwzględna wynosi

e = 1,60210 10 -19 C

Ładunek elementarny nie jest podzielny, stanowi

najmniejszą porcję energii elektrycznej .

Na zewnątrz atom jest elektrycznie obojętny, gdyż ładunki elektronów i protonów równoważą

się. W zależności od liczby protonów w jądrze zmieniają się właściwości pierwiastka. Istotny

wpływ na własności materiału pierwiastka ma również ilość elektronów położonych na tzw. or-

bicie walencyjnej - najdalej położonej od jądra atomu.

285010324.037.png

285010324.038.png

285010324.039.png

285010324.040.png

285010324.041.png

285010324.042.png

285010324.043.png

285010324.044.png

285010324.045.png

285010324.046.png

285010324.047.png

285010324.048.png

285010324.049.png

285010324.050.png

285010324.051.png

285010324.052.png

285010324.053.png

285010324.054.png

285010324.055.png

285010324.056.png

Partner konkursu

Dodatki:

Elektron

Elementarna cząstka materii o następujących własnościach:

- ładunek elektryczny - dodatni „e”

- wartość ładunku elektrycznego

e = 1,60210 x 10 -19 C

- masa protonu

1840 x masa elektronu

- umieszczony w jądrze, określa

własności pierwiastka. Ilość

protonów w jądrze równa się tzw.

liczbie atomowej pierwiastka

Proton

Elementarna cząstka materii o następujących własnościach:

- ładunek elektryczny - ujemny „e”

- wartość ładunku elektrycznego

e = 1,60210 x 10 -19 C

- masa elektronu

m = 9,1 x 10 -31 kg

- porusza się bezwładnie w powłoce,

obracając się wokół swojej osi

- utrzymywany siłą przyciągania

elektrycznego jądra w granicach

przestrzeni powłoki elektronowej.

285010324.057.png

285010324.058.png

285010324.059.png

285010324.060.png

285010324.061.png

285010324.062.png

285010324.063.png

285010324.064.png

285010324.065.png

285010324.066.png

285010324.068.png

285010324.069.png

285010324.070.png

285010324.071.png

285010324.072.png

285010324.073.png

285010324.074.png

285010324.075.png

285010324.076.png

285010324.077.png

285010324.079.png

285010324.080.png

285010324.081.png

Partner konkursu

Pierwiastek, posiadający na orbicie walencyjnej maksymalną dopuszczalną liczbę elektronów,

jest obojętny i nie wykazuje zdolności do tworzenia związków chemicznych (np. gazy szlachet-

ne). W przypadku, gdy orbita walencyjna nie posiada „kompletu” elektronów, pierwiastek wy-

kazuje zdolność do tworzenia związków chemicznych przez oddawanie lub przyjmowanie do

swojej powłoki elektronów z innego atomu.

Stwierdzono również fakt, że atomy pierwiastków posiadających na orbicie walencyjnej mniej

niż 4 elektrony, łatwo mogą je „zgubić”. Cechą tą obdarzone są atomy metali, np. żelazo (Fe)

posiada na ostatniej orbicie 2 elektrony, nikiel (Ni) 2 elektrony, miedź (Cu) 1 elektron oraz

aluminium (Al) 3 elektrony. Krążąc po ostatniej orbicie elektrony mogą, w sprzyjających oko-

licznościach łatwo opuścić atomy metali, pokonując przyciąganie elektryczne jądra. Elektrony

takie, zwane swobodnymi poruszają się w strukturze metalu tworząc tzw . gaz elektronowy.

.

Analizując budowę atomu warto przypomnieć charakterystyczne cechy budowy materii. Prawie

cała masa atomu skoncentrowana jest w jego jądrze. Protony i neutrony mają masę ok.1840

razy większą niż masa elektronu. Gęstość jądra osiąga gigantyczne wartości około 10 14 g/cm 3 . Dla

porównania najcięższy znany na ziemi pierwiastek uran posiada gęstość 18,7 g/cm 3 . Chmura

elektronów otaczająca jądro jest około 10 15 razy większa niż objętość jądra atomu.

Materia to swoista „pustka”.......

Elektrony swobodne w sieci krystalicznej metali

Rys.102.

Elektrony swobodne w sieci krystalicznej metalu.

1. Atomy sieci krystalicznej (rdzenie atomowe)

2. Elektrony swobodne tzw. „gaz elektronowy”

285010324.082.png

285010324.083.png

285010324.084.png

285010324.085.png

285010324.086.png

285010324.087.png

285010324.089.png

285010324.090.png

285010324.091.png

285010324.092.png

285010324.093.png

285010324.094.png

285010324.095.png

285010324.096.png

285010324.097.png

285010324.098.png

285010324.100.png

285010324.101.png

285010324.102.png

285010324.103.png

285010324.104.png

285010324.105.png

Partner konkursu

Na rys. 102 przedstawiono model sieci krystalicznej metalu. Atomy pierwiastka połączone są sztyw-

no w sieci krystalicznej. W narożnikach kryształów (dla uproszczenia w modelu zastosowano sześ-

cian) umieszczone są atomy pierwiastka. Według atomowej teorii budowy materii elektrony atomów

metali, osadzone w powłokach walencyjnych, są słabo powiązane z jądrem atomu.

Mogą one opuścić atom, stając się stając elektronami swobodnymi , uwięzionymi w sieci

krystalicznej metalu. Elektrony swobodne mogą przyłączyć się do powłoki innego atomu lub

poruszać się chaotycznym ruchem w sieci krystalicznej metalu.

Atom pozbawiony elektronu, uzyskuje ładunek elektryczny dodatni i nazywamy go jonem do-

datnim lub kationem . Atom, który przyjął na swoją powłokę elektron swobodny, określamy

jako jon ujemny lub anion .

Pomimo, zaburzenia lokalizacji ładunków elektrycznych w strukturze

metalu, każdy element metalowy nie wykazuje na zewnątrz żadnego

ładunku elektrycznego - pozostaje w skali makro obojętny elektrycznie.

Przepływ energii elektrycznej

Pomimo wszechstronnego opanowania zjawisk elektrycznych, w dalszym ciągu na etapie za-

poznawania nowego pokolenia z energią elektryczną, pojawia się ten sam problem - wyjaśnie-

nie zjawiska przepływu energii elektrycznej.

Niestety nie można bezpośrednio zaobserwować przepływu energii elektrycznej. Możemy

natomiast obserwować skutki tego zjawiska. Od wytwarzania ciepła (grzejniki elektryczne, za-

palniczka samochodowa), pola magnetycznego (elektromagnesy, przekaźniki samochodowe),

światła (żarówki ) do przesyłania informacji w postaci elektrycznych sygnałów. Powszechnie

znane pojęcie „prądu” elektrycznego, nasuwa analogię do możliwego do zaobserwowania zja-

wiska przepływu wody np. w rurze hydraulicznej. Okazuje się, że istnieje wiele wspólnych cech

charakteryzujących te zjawiska. Obserwując pracę dowolnego urządzenia elektrycznego, nie

sposób nie zauważyć, że podłączone jest ono do źródła „energii elektrycznej” przy pomocy

tzw. przewodów elektrycznych. Przez przewody „płynie” prąd elektryczny, dostarczając energii

urządzeniom.

Tylko w jakiej postaci?

Początkowo przypisywano energii elektrycznej ruch mistycznego „ﬂuidu” który transportował ener-

gię, poruszając się w przewodach elektrycznych. W XIX wieku J.C. Maxwell przyjął, że istnieje tzw.

elektryczność dodatnia , a prąd elektryczny stanowi ruch tej elektryczności od dodatniego do ujem-

nego bieguna źródła energii. Przyjęto wówczas, że prąd elektryczny przepływa od bieguna o wyż-

szym potencjale (dodatniego) do bieguna o niższym potencjale (ujemnego).

285010324.106.png

285010324.107.png

285010324.108.png

285010324.002.png

285010324.003.png

285010324.004.png

285010324.005.png

285010324.006.png

285010324.007.png

285010324.008.png

285010324.009.png

285010324.010.png

285010324.011.png

285010324.013.png

285010324.014.png

285010324.015.png

285010324.016.png

285010324.017.png

285010324.018.png

285010324.019.png

285010324.020.png

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin