HipotezaHipoteza

Czy żarnik w żarówce mógłby być wykonany z grafitu? Dlaczego rysik zaświeci po podłączeniu do źródła

prądu?

Pierwsze światło elektryczne rozbłysło w 1801r. kiedy to Anglik Humphry Davy podłączył do prądu platynowy drut. Niestety był to zły pomysł, ponieważ drut się szybko spalał, a platyna była droga. Uważa się, że pierwszą prawdziwą żarówkę zbudował Niemiec – Heinrich Gobel w 1854r. W zamkniętej szklanej bańce umieścił żarnik ze zwęglonego bambusa. Jego pomysł jednak nie nadawał się do codziennego użytku, gdyż świeciła zbyt krótko. Wreszcie w 1850r Joseph Wilson Swan wykonał żarówkę z żarnikiem z grafitu, było to bardzo duże odkrycie. Natomiast w 1879r. Thomas Alva Edison opatentował żarówkę o podobnej konstrukcji żarówki Swana, lecz do swojego wynalazku użył żarnika ze zwęglonego włókna bawełnianego. Dopiero w 1880r Aleksander Łodygin wykorzystał wolframowy drucik jako żarnik. W późniejszych latach Swan i Edison założyli firmę produkującą żarówki.

Joseph Wilson Swan Thomas Alva Edison

W żarówce wykorzystywano żarniki wykonane z materiałów posiadających duży opór elektryczny.

Opór elektryczny jest to odwrotność przewodności elektrycznej, czyli stosunek napięcia do natężenia prądu. Opór zawsze ma wartość stałą.

Każdy materiał posiada charakterystyczną oporność omową, czyli wielkość charakteryzującą reakcję ośrodka na przepływ prądu elektrycznego.

Opór przewodnika zależy od jego długości i pola powierzchni przekroju oraz rodzaju użytego materiału (jego oporu właściwego ς).

Aby na to odpowiedzieć przeprowadziłyśmy następujące doświadczenie:

Do doświadczenia użyliśmy następujących materiałów:

Rysiki z ołówka

Akumulator

Kable zapłonowe lub kable z głośnika

Miernik

Opis Doświadczenia Na początku rysik owinęłyśmy rozdwojonym

kablem zapłonowym. Następnie kabel podłączyłyśmy do akumulatora.

Zbadałyśmy miernikiem natężenie prądu przepływającego przez grafit oraz napięcie elektryczne występujące na jego końcach - na początku doświadczenia i w jego trakcie.

W wyniku przepływu prądu przez rysik, zaczął się on palić. Po przepaleniu ołówka bezpiecznie odłączyłyśmy kabel.

Obserwacje Po podłączeniu do akumulatora rysik zaczął

się palić i świecić. Wydobywał się z niego gaz, mający białą barwę i charakterystyczny zapach. Był to CO2 .

C + O2 → CO2 ↑ Po 10 s rysik się przepalił i został zwęglony.

Natężenie: I1 = 11,43A

I2 = 11,56A

Napięcie: U1 = 0,22V U2 = 0,18V

I1 , U1 - przy załączeniu I2 , U2 – przy rozżarzeniu

Różnica pomiędzy wartością pewnej wielkości uzyskaną w wyniku pomiaru a rzeczywistą wartością tej wielkości.

Niepewność pomiaru miernika uniwersalnego dla pomiaru natężenia 10 mA

Niepewność pomiaru miernika uniwersalnego dla pomiaru napięcia 100 µV

Pomiary mierzyłyśmy miernikiem firmy Master. Niepewność pomiaru dla długości rysika 1 mm

Wyniki pomiaru

Pomiary R (Ω) U (V) I (A) l (cm)

I pomiar 0,019

0,015

0,22

0,18

11,43

11,56

3

II pomiar 0,019

0,015

0,28

0,23

11,64

11,78

3

III pomiar 0,019

0,015

0,19

0,15

11,23

11,36

3

Średnia wyników

0,019

0,015

0,22

0,18

11,43

11,56

3

W = I ∙ U ∙ t

W = Eel

W1 = 11,43A ∙ 0,22V ∙ 10s = 25,146J

W2 =11,56A ∙ 0,18V ∙ 10s = 20,808J

R =

R1=

R2 =

R = ς ∙ /∙

ς = ∙ R

IU

11,43 A

0,22 V= 0,019Ω

11,56 A

0,18 V= 0,015Ω

I

s

I

s

s

I

ςC = ∙ 0,019Ω = 0,0023 Ω*mm

I = qt

/ ∙ t

q = I ∙ t

q = 11, 43A ∙ 10s = 114,3 C

W = U ∙ I ∙ t = U ( q

t) ∙ t

W = Eel

Eel = U ∙ q

E = 0,18V ∙ 114,3C = 20,574J

Eel = Ew

E w = 25,146J – 20,808J = 4,338J

37mm2

300mm

ςW = 0,00054 Ω*mm

Wnioski Rysik jest substancją słabo przewodzącą prąd. Przez rysik

przepływa prąd (Eel). Dzięki oporowi rysika 0,019Ω, zaczyna się nagrzewać, a następnie palić (Q), przez co Eel zmniejsza się, za to wzrasta Ew.

Energia elektryczna zmienia się w energię cieplną wysyłając fale elektromagnetyczne. Gdy atomy metali przez ogrzanie zostaną wprowadzone w stan pobudzenia, wtedy emitują promieniowanie o różnej długości fal. Jest to promieniowanie obejmujące szeroki zakres częstotliwości, przy czym maksimum widmowe w tym zakresie przypada na tym większe częstotliwości (mniejsze długości fal), im wyższa jest temperatura danego ciała. Człowiek widzi falę o częstotliwości 1014 – 1015Hz

Wszystkie ciała o temperaturze wyższej od 0 K emitują promieniowanie cieplne.

Światło emitowane jest kosztem Ew drucika rozgrzanego na skutek przepływu prądu elektrycznego.

Energia elektryczna przechodzi w energię cieplną. Grafit nie może zastąpić żarnika wykonanego z

wolframu, gdyż wolfram ma wysoką temp. topnienia (3665 K), niewielką prędkość parowania i korzystny skład widmowy emitowanego promieniowania, dzięki czemu żarówka wolniej się przepala niż w przypadku żarnika z grafitu (temp. Topnienia 1000K)

W żarówce żarnik szybko stygnie dzięki transportu ciepła przez promieniowanie.

Bibliografia: „Bardzo ilustrowana historia wynalazków” Anna Claybourne, Adam Larkum. Wyd.

Papilion, Poznań 2007 „Nowa Encyklopedia powszechna PWN” , wyd. PWN, Warszawa 1995 Fizyka dla szkół średnich, A. Czerwnińska, B. Sagnowska wydawnictwo ZamKor

Kraków 1999 Szkolny słownik fizyczny wydawnictwo Wideograf II Katowice wrzesień 2001

Krzysztof Wójcik i Jerzy Stasz Historia fizyki wydawnictwo naukowe PWN, Andrzej Kajetan Wróblewski warszawa

2006 fizyka i a astronomia dla każdego wydawnictwo ZamKor, pod redakcją Barbary

Sagnowskiej, Kraków 2007 www.info.fuw.edu.pl www.uczenzklasa.gazeta.pl/ www.sciaga.pl www.brasil.cel.agh.edu.pl http://www.fizykon.org

Dziękujemy za uwagę

Wykonały: Patrycja Szklarz, Agnieszka Harkabuz

Uczennice klasy IIa

Gimnazjum nr 1 im. Ojca Świętego Jana Pawła II

34-721 Raba Wyżna 65

Nauczyciel mgr Wiesława Wiatrak