Spis treści

Wprowadzenie

Przeczytaj

Film samouczek

Sprawdź się

Dla nauczyciela

Jaki prąd płynie w domowej instalacji elektrycznej?

Źródło: dostępny w internecie: https://pixabay.com/photos/plug-cable-management-electricity-2066842/ [dostęp 17.05.2022 r.].

Czy to nie ciekawe?

Wydawałoby się, że każdy wie, jaki prąd płynie w domowej instalacji elektrycznej. Nasza wiedza na ten temat jest jednak często jedynie potoczna. Jeśli chcesz dowiedzieć się, co dokładnie oznaczają różne parametry prądu elektrycznego w Twoim domu oraz jak przygotować się do wyjazdu za granicę, gdzie te parametry mogą być inne – koniecznie zapoznaj się z e-materiałem, który masz przed sobą.

Rys. a. Czy wiesz, że masz 50% szans na to, że gdy wetkniesz nieizolowany drut w gniazdo trzymając go w dłoni, to prąd cię nie porazi? Nie próbuj jednak tego sprawdzać!

Źródło: dostępny w internecie: https://pixabay.com/pl/vectors/elektryczny-gniazda-moc-wtyczka-161120/ [dostęp 20.05.2022 r.].

Twoje cele

- dowiesz się, jakie są parametry prądu elektrycznego w domowej instalacji;

- poznasz światową mapę stosowanych sieci elektrycznych;

- zrozumiesz, co oznaczają poszczególne parametry prądu sieciowego;

- zastosujesz poznaną wiedzę do rozwiązania zadań i problemów;

- przeanalizujesz, w jakich sytuacjach występuje konieczność stosowania uziemienia urządzeń elektrycznych.

Przeczytaj

Warto przeczytać

W domowej instalacji elektrycznej w Polsce płynie prąd przemienny, jednofazowy, o napięciu skutecznym 230 V i częstotliwości 50 Hz, a w miejscach szczególnie narażonych na porażenie prądem, instaluje się dodatkowy przewód uziemiający.

To zdanie zawiera wszystkie informacje, jakie chcemy Ci przekazać. Poniżej objaśniamy i rozwijamy każde zawarte w nim zagadnienie.

Prąd przemienny

Prąd przemienny płynie na przemian, raz w jedną, a raz w drugą stronę. Taki prąd najłatwiej wytworzyć w generatorach elektrowni, które działają na zasadzie indukcji elektromagnetycznej. Regularna zmienność umożliwia też łatwą zmianę napięcia, konieczną do przesyłu energii na duże odległości, w celu zminimalizowania strat. Wykres zmian napięcia wraz z upływem czasu pokazano na Rys. 1.

Rys. 1. Wykres zależności napięcia prądu w domowej instalacji elektrycznej od czasu jest sinusoidą.

Prąd jednofazowy

Z pewnością wiesz, że na słupach energetycznych zawieszone są trzy przewody.

Rys 2. Linie energetyczne składają się z trzech przewodów fazowych.

W każdym z nich płynie prąd taki, jak na Rys. 1, ale są one przesunięte w fazie, czyli w czasie. Pokazaliśmy to obrazowo na Rys. 3, na którym oś czasu jest rozciągnięta w porównaniu z Rys. 1.

Rys. 3. Trzy fazy prądu trójfazowego, zaznaczone różnymi kolorami.

Czwartym, zerowym „przewodem” jest ziemia. Jeden ze sposobów połączenia odbiorników do prądu trójfazowego pokazano na Rys. 4.

Rys. 4. Połączenie trójfazowe typu „gwiazda”.

Każdy z odbiorników jest podłączony do przewodu zerowego i jednej fazy, czyli każdy z nich jest zasilany prądem jednofazowym. Jeśli jednak odbiornik podłączyć na przykład do przewodów fazowych 1 i 3, można uzyskać większe napięcie i zasilić urządzenia większej mocy, na przykład w fabryce.

W domowym gniazdku elektrycznym, jedna dziurka podłączona jest do przewodu fazowego, a druga do zerowego. Możemy je odróżnić używając próbnika zawierającego neonówkę. Gdy przyłożymy go do przewodu zerowego, nic się nie wydarzy. Gdy przyłożymy go do przewodu fazowego i dotkniemy kciukiem do metalowego zakończenia, zmienne napięcie spowoduje zaświecenie się neonówki.

Napięcie skuteczne 230 V

W Polsce, w domowej instalacji elektrycznej panuje napięcie 230 V. Ale co to oznacza, skoro wiemy już, że jego wartość cały czas się zmienia? Otóż podawane napięcie prądu przemiennego, to napięcie skuteczne, czyli takie, jakie miałby prąd stały wykonujący tę samą pracę, co prąd zmienny (patrz Rys. 5.).

Rys. 5. Wartość napięcia skutecznego prądu przemiennego.

W niektórych państwach stosuje się inne wartości napięcia sieciowego. Na przykład w Ameryce Północnej i Środkowej – 110-120 V, a w Japonii i na Madagaskarze – 100 V.

Również gniazdka i wtyczki elektryczne mają różne kształty (patrz – Rys. 6.).

Rys. 6. Typy wtyczek i gniazdek na świecie.

Częstotliwość 50 Hz

Wielkość ta oznacza, że jeden pełny cykl zmienności napięcia, zaznaczony na Rys. 7., powtarza się 50 razy na sekundę.

Rys. 7. Jeden pełny cykl zmienności prądu przemiennego.

Na świecie spotyka się także prąd sieciowy o częstotliwości 60 Hz – w większości krajów amerykańskich oraz w zachodniej części Japonii.

Uziemienie

W miejscach szczególnie narażonych na porażenie prądem, na przykład w łazience i kuchni, gdzie urządzenia elektryczne mogą mieć kontakt z wodą, w gniazdkach instaluje się dodatkowe zabezpieczenie, zwane uziemieniem. Wystający bolec połączony jest przewodem bezpośrednio z ziemią. Jeżeli metalowa obudowa urządzenia jest uziemiona, mamy pewność, że nie pojawi się na niej napięcie elektryczne, nawet w przypadku awarii.

Słowniczek

napięcie skuteczne

(ang.: effective voltage) wielość określana dla prądu przemiennego, równa takiej wartości napięcia stałego, która spowoduje wydzielenie się na oporniku takiej samej ilości energii, jak dla prądu przemiennego.

zjawisko indukcji elektromagnetycznej

(ang.: electromagnetic induction) wytwarzanie prądu indukcyjnego (SEM indukcji) w obwodzie zamkniętym, podczas zmiany strumienia pola magnetycznego przechodzącego przez ten obwód.

prąd jednofazowy

(ang.: single-phase electric power) sposób doprowadzenia energii elektrycznej z wykorzystaniem jednego przewodu, który jest pod napięciem względem przewodu neutralnego. W instalacji jednofazowej energia elektryczna biegnie tylko pomiędzy dwoma przewodami: fazowym (L jak linia) i neutralnym (N jak neutralny).

przewód neutralny, zerowy

(ang. neutral conductor) przewód elektryczny, w którym napięcie względem ziemi wynosi 0 V.

przewód fazowy

(ang. phase conductor) przewód elektryczny będący w czasie normalnej pracy pod napięciem fazowym względem przewodu neutralnego służący do przesyłania energii elektrycznej w sieci elektroenergetycznej.

Film samouczek

Jaki prąd płynie w domowej instalacji elektrycznej?

Film samouczek opowiada o tym, jakie przewody podłączone są do domowych gniazdek elektrycznych i jaki prąd w nich płynie. Widz poznaje podstawowe własności i parametry domowej instalacji elektrycznej. Wiele stwierdzeń opiera się na obserwacjach i doświadczeniach widza, który z taką instalacją ma przecież do czynienia na co dzień.

Film dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/D1Bk6WtLL

Wysłuchaj alternatywnej ścieżki lektorskiej samouczka.

Polecenie 1

Połącz nazwy przewodów z kolorami ich izolacji.

neutralny

liniowy

ochronny

Polecenie 2

Co oznacza pojęcie prąd przemienny? Wybierz jedną właściwą odpowiedź.

Zaznacz prawidłową odpowiedź.

- Prąd płynie na przemian: raz w jedną, raz w drugą stronę.

- Prąd płynie w sposób powtarzalny, a wartość natężenia prądu przyjmuje na przemian wartości dodatnie i ujemne.

- Prąd podlega przemianie fazowej.

- Prąd przemienny to taki, który można przemienić na pracę.

Sprawdź się

Pokaż ćwiczenia:

Ćwiczenie 1

Połącz w pary nazwy wielkości fizycznych z ich wartością dla domowej instalacji elektrycznej w Polsce.

Częstotliwość

50 HzPołączony z: Częstotliwość

Napięcie skuteczne

230 VPołączony z: Napięcie skuteczne

Napięcie maksymalne

325 VPołączony z: Napięcie maksymalne

Ćwiczenie 2

Uzupełnij zdanie.

W domowej instalacji elektrycznej w Polsce płynie    prąd       prąd /    strumień       strumień    stały       stały /    zmienny       zmienny /    przemienny       przemienny ,    jednofazowy       jednofazowy /    trójfazowy       trójfazowy , o napięciu    maksymalnym       maksymalnym /    skutecznym       skutecznym    110 V       110 V /    230 V       230 V  i częstotliwości    50 Hz       50 Hz /    60 Hz       60 Hz , a w miejscach szczególnie narażonych na porażenie prądem, instaluje się dodatkowy przewód    zasilający       zasilający /    uziemiający       uziemiający .

Ćwiczenie 3

Spróbuj wyznaczyć wartość napięcia skutecznego w sieci, w której maksymalna wartość napięcia przemiennego wynosi 325 V. Wykorzystaj fakt, że energia wydzielona na oporniku równa jest polu pod wykresem mocy prądu od czasu. Wykorzystaj podpowiedź przedstawioną na poniższym rysunku.

UIndeks dolny sk =                V.

Pokaż podpowiedź

Pokaż rozwiązanie

Ćwiczenie 4

Ile razy w ciągu jednego cyklu zmian, chwilowe napięcie elektryczne w domowym gniazdku osiąga wartość:

380 V -

325 V -

230 V -

0 V -

Pokaż podpowiedź

Pokaż rozwiązanie

Ćwiczenie 5

Jak długo trwa jeden pełny cykl zmienności napięcia elektrycznego w Polsce?

T =                ms.

Pokaż podpowiedź

Pokaż rozwiązanie

Ćwiczenie 6

1.

Pytanie Jeśli skuteczne pomnożysz przezpierwiastek kwadratowy z dwa, otrzymasz szczytowe.Znak 1 z 8

Pytanie Jeśli skuteczne pomnożysz przezpierwiastek kwadratowy z dwa, otrzymasz szczytowe.Znak 2 z 8

Pytanie Jeśli skuteczne pomnożysz przezpierwiastek kwadratowy z dwa, otrzymasz szczytowe.Znak 3 z 8

Fragment hasła

Pytanie Jeśli skuteczne pomnożysz przezpierwiastek kwadratowy z dwa, otrzymasz szczytowe.Znak 4 z 8

Pytanie Jeśli skuteczne pomnożysz przezpierwiastek kwadratowy z dwa, otrzymasz szczytowe.Znak 5 z 8

Pytanie Jeśli skuteczne pomnożysz przezpierwiastek kwadratowy z dwa, otrzymasz szczytowe.Znak 6 z 8

Pytanie Jeśli skuteczne pomnożysz przezpierwiastek kwadratowy z dwa, otrzymasz szczytowe.Znak 7 z 8

Pytanie Jeśli skuteczne pomnożysz przezpierwiastek kwadratowy z dwa, otrzymasz szczytowe.Znak 8 z 8

2.

Pytanie Jednostka jednego z parametrów prądu elektrycznego, odwrotność sekundy.Znak 1 z 4

Pytanie Jednostka jednego z parametrów prądu elektrycznego, odwrotność sekundy.Znak 2 z 4

Pytanie Jednostka jednego z parametrów prądu elektrycznego, odwrotność sekundy.Znak 3 z 4

Fragment hasła

Pytanie Jednostka jednego z parametrów prądu elektrycznego, odwrotność sekundy.Znak 4 z 4

3.

Pytanie Kolor przewodu fazowego (liniowego) w gniazdku elektrycznym.Znak 1 z 7

Pytanie Kolor przewodu fazowego (liniowego) w gniazdku elektrycznym.Znak 2 z 7

Pytanie Kolor przewodu fazowego (liniowego) w gniazdku elektrycznym.Znak 3 z 7

Fragment hasła

Pytanie Kolor przewodu fazowego (liniowego) w gniazdku elektrycznym.Znak 4 z 7

Pytanie Kolor przewodu fazowego (liniowego) w gniazdku elektrycznym.Znak 5 z 7

Pytanie Kolor przewodu fazowego (liniowego) w gniazdku elektrycznym.Znak 6 z 7

Pytanie Kolor przewodu fazowego (liniowego) w gniazdku elektrycznym.Znak 7 z 7

4.

Pytanie Jedna w wysp, na której musisz używać swojej ładowarki z transformatorem zwiększającym napięcie 2,3 razy.Znak 1 z 10

Pytanie Jedna w wysp, na której musisz używać swojej ładowarki z transformatorem zwiększającym napięcie 2,3 razy.Znak 2 z 10

Pytanie Jedna w wysp, na której musisz używać swojej ładowarki z transformatorem zwiększającym napięcie 2,3 razy.Znak 3 z 10

Fragment hasła

Pytanie Jedna w wysp, na której musisz używać swojej ładowarki z transformatorem zwiększającym napięcie 2,3 razy.Znak 4 z 10

Pytanie Jedna w wysp, na której musisz używać swojej ładowarki z transformatorem zwiększającym napięcie 2,3 razy.Znak 5 z 10

Pytanie Jedna w wysp, na której musisz używać swojej ładowarki z transformatorem zwiększającym napięcie 2,3 razy.Znak 6 z 10

Pytanie Jedna w wysp, na której musisz używać swojej ładowarki z transformatorem zwiększającym napięcie 2,3 razy.Znak 7 z 10

Pytanie Jedna w wysp, na której musisz używać swojej ładowarki z transformatorem zwiększającym napięcie 2,3 razy.Znak 8 z 10

Pytanie Jedna w wysp, na której musisz używać swojej ładowarki z transformatorem zwiększającym napięcie 2,3 razy.Znak 9 z 10

Pytanie Jedna w wysp, na której musisz używać swojej ładowarki z transformatorem zwiększającym napięcie 2,3 razy.Znak 10 z 10

1. 1.   Jeśli skuteczne pomnożysz przez, otrzymasz szczytowe.

2. 2.   Jednostka jednego z parametrów prądu elektrycznego, odwrotność sekundy.

3. 3.   Kolor przewodu fazowego (liniowego) w gniazdku elektrycznym.

4. 4.   Jedna w wysp, na której musisz używać swojej ładowarki z transformatorem zwiększającym napięcie 2,3 razy.

Ćwiczenie 7

Zaznacz wszystkie prawidłowe stwierdzenia dotyczące uziemienia. Pamiętaj, że woda jest dobrym przewodnikiem prądu, a plastik i guma – nie.

Zaznacz prawidłowe odpowiedzi.

- Przez mokrego człowieka, który dotyka elementu pod napięciem i stoi na ziemi łatwo przepłynie prąd elektryczny.

- W przypadku awarii urządzenia elektrycznego na jego suchej plastikowej obudowie może się pojawić napięcie elektryczne.

- Połączenie elementu z ziemią daje pewność, że nie wystąpi na nim napięcie elektryczne.

- W przypadku awarii urządzenia elektrycznego na jego mokrej plastikowej obudowie może się pojawić napięcie elektryczne.

- Noszenie gumowego obuwia zwiększa ryzyko porażenia prądem.

- W przypadku awarii urządzenia elektrycznego na jego metalowej obudowie może się pojawić napięcie elektryczne.

Ćwiczenie 8

:

Przeanalizuj konieczność stosowania uziemienia domowych urządzeń elektrycznych. Jaką pewność daje człowiekowi uziemienie obudowy urządzenia eklektycznego? Jakie obudowy należy uziemiać, a jakich nie? Dlaczego w łazience i kuchni występuje większe zagrożenie porażeniem prądem? Sformułuj swoje argumenty i porównaj je z naszą odpowiedzią. Możesz wykorzystać wnioski z rozwiązania poprzedniego zadania.

Uzupełnij

Pokaż rozwiązanie

Dla nauczyciela

Imię i nazwisko autora:

Tomasz Sobiepan

Przedmiot:

Fizyka

Temat zajęć:

Parametry domowej instalacji elektrycznej

Grupa docelowa:

III etap edukacyjny, liceum, technikum, zakres podstawowy i rozszerzony

Podstawa programowa

Cele kształcenia – wymagania ogólne

I. Wykorzystanie pojęć i wielkości fizycznych do opisu zjawisk oraz wskazywanie ich przykładów w otaczającej rzeczywistości.

Zakres podstawowy

Treści nauczania – wymagania szczegółowe

I. Wymagania przekrojowe. Uczeń:

7) wyodrębnia z tekstów, tabel, diagramów lub wykresów, rysunków schematycznych lub blokowych informacje kluczowe dla opisywanego zjawiska bądź problemu; przedstawia te informacje w różnych postaciach.

VII. Prąd elektryczny. Uczeń:

5) opisuje sieć domową jako przykład obwodu rozgałęzionego; wyjaśnia funkcję bezpieczników różnicowych i przewodu uziemiającego.

Zakres rozszerzony

Treści nauczania – wymagania szczegółowe

I. Wymagania przekrojowe. Uczeń:

7) wyodrębnia z tekstów, tabel, diagramów lub wykresów, rysunków schematycznych lub blokowych informacje kluczowe dla opisywanego zjawiska bądź problemu; przedstawia te informacje w różnych postaciach.

VIII. Prąd elektryczny. Uczeń:

11) opisuje sieć domową jako przykład obwodu rozgałęzionego; wyjaśnia funkcję bezpieczników różnicowych i przewodu uziemiającego.

Kształtowane kompetencje kluczowe:

Zalecenia Parlamentu Europejskiego i Rady UE z 2018 r.:

- kompetencje w zakresie rozumienia i tworzenia informacji,

- kompetencje matematyczne oraz kompetencje w zakresie nauk przyrodniczych, technologii i inżynierii,

- kompetencje cyfrowe,

- kompetencje osobiste, społeczne i w zakresie umiejętności uczenia się.

Cele operacyjne:

Uczeń:

1. rozróżnia parametry prądu elektrycznego w domowej instalacji;

2. opisuje światową mapę stosowanych sieci elektrycznych;

3. tłumaczy, co oznaczają poszczególne parametry prądu sieciowego;

4. wykorzystuje poznaną wiedzę do rozwiązania zadań i problemów;

5. analizuje, w jakich sytuacjach występuje konieczność stosowania uziemienia urządzeń elektrycznych.

Strategie nauczania

strategia kształcenia wyprzedzającego

Metody nauczania

wykład z udziałem uczniów, burza mózgów, pokaz multimedialny

Formy zajęć:

praca w parach, praca indywidualna

Środki dydaktyczne:

film-samouczek, zestaw zadań

Materiały pomocnicze:

e-materiał: „Jaki prąd płynie w domowej instalacji elektrycznej?”

PRZEBIEG LEKCJI

Faza wprowadzająca:

Zaciekawienie uczniów wg części „Czy to nie ciekawe?”. Na przykład może paść pytanie, czy jadąc do Stanów Zjednoczonych wystarczy zwykła ładowarka do telefonu, czy potrzebna będzie przejściówka (bo wtyk nie będzie pasował do gniazdka), czy też inna ładowarka (bo napięcie w sieci ma inne parametry)? Jeśli któryś z uczniów ma przy sobie ładowarkę, można poprosić, by odczytał z niej parametry napięcia wejściowego (nowoczesne ładowarki są przystosowane do szerokiego zakresu napięć, np. 100 V - 230 V i dwóch częstotliwości 50 Hz i 60 Hz.

Uzgodnienie z uczniami celów do osiągniecia na lekcji.

Faza realizacyjna:

Uczniowie rozwiązują krótki test wprowadzający, odnoszący się do ich dotychczasowych obserwacji życiowych. Przykładowe pytania:

- Jakie napięcie jest używane w domowej instalacji elektrycznej?

- Przed czym chroni uziemienie?

- Z jakiego materiału wykonane są obudowy urządzeń domowych o dużej mocy (pralka, kuchenka, lodówka)?

- Jaki prąd płynie w domowej instalacji elektrycznej: stały, czy przemienny?

- Co to znaczy, że „Częstotliwość prądu wynosi 50 Hz”?

Uczniowie porządkują swoje wiadomości oglądając film-samouczek. Sami sprawdzają swój test wstępny zaznaczając, na które pytania udzielili prawidłowej odpowiedzi.

Nauczyciel prowadzi wykład z udziałem uczniów, wg części „Warto przeczytać”. Omawia różnicę między prądem jedno-, a trójfazowym. Wyjaśnia pojęcie napięcia skutecznego. W razie potrzeby precyzuje informacje lub dokonuje podsumowania.

Omawianie zagadnień związanych z parametrami prądu w innych krajach świata (napięcie, częstotliwość, rodzaj wtyczki), nauczyciel zaczyna od pustej mapy (wyświetlonej za pomocą rzutnika lub naszkicowanej na tablicy) i prosi, by uczniowie pomogli ją wypełnić, na podstawie swojej dotychczasowej wiedzy (na przykład wskazując państwa, w których parametry sieci elektrycznej są inne niż w Polsce).

Na koniec nauczyciel odpowiada na ewentualne pytania i wątpliwości uczniów.

Uczniowie w parach rozwiązują zadania: 2, 4, 5, 7 z zestawu ćwiczeń. Nauczyciel pełni rolę doradcy, obserwuje pracę uczniów i w razie potrzeby udziela wskazówek i podpowiedzi.

Faza podsumowująca:

Nauczyciel podsumowuje nowe wiadomości, które poznali uczniowie oraz komentuje metodę uczenia się w oparciu o własne doświadczenia.

Uczniowie odnoszą się do postawionych sobie celów lekcji, ustalają które osiągnęli, a które wymagają jeszcze pracy, jakiej i kiedy. W razie potrzeby nauczyciel dostarcza im informację zwrotną kształtującą.

Praca domowa:

Uczniowie utrwalają wiedzę i umiejętności zdobyte w czasie lekcji czytając w domu materiał „Warto przeczytać” i rozwiązując pozostałe zadania.

Wskazówki metodyczne opisujące różne zastosowania danego multimedium

Film może być zarówno wprowadzeniem jak i podsumowaniem nauki o domowej instalacji elektrycznej.

Table of Contents

Wprowadzenie

Przeczytaj

Film samouczek

Sprawdź się

Dla nauczyciela