Sanitaryhygiene.ru

Санитары Гигиены
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Определение электропроводности предметов

Определение электропроводности предметов

В исследовательской работе выявляли определение электропроводности предметов. Проведен эксперимент.

Скачать:

ВложениеРазмер
opredelenie_elektroprovodnosti_predmetov_issledovatelskaya_rabota_ivanov.docx27.5 КБ

Предварительный просмотр:

Муниципальное общеобразовательное бюджетное учреждение

Средняя общеобразовательная школа №35

Научно-исследовательская работа на тему:

«Определение электропроводности предметов»

Ученик 1 «Г» класса

Введение

В современном мире существует много электроприборов, электрический ток используется повсюду. Почти с самого рождения детей учат правилам безопасности, чтобы уберечь себя от удара электрическим током.

Поэтому важно знать, что существуют материалы, которые проводят электрический ток, и те, которые его не проводят.

Данная исследовательская работа проведена для того, чтобы определить какие материалы являются проводниками, а какие — диэлектриками. Для этого собрано простое устройство, которое работает от батарейки. Поэтому его использование безопасно.

Целью данной работы является исследование электропроводности различных материалов.

Гипотеза : при небольшой помощи взрослых ребенок может создать безопасное устройство для определения электропроводности предметов.

Были поставлены следующие задачи :

  1. Выяснить, что такое электропроводность.
  2. Сделать устройство для определения электропроводности материалов.
  3. Среди предметов, используемых каждый день, найти проводники и изоляторы.

Для достижения цели работы и выполнения поставленных задач были применены следующие методы: изучение литературы, эксперимент, наблюдение, сравнение, анализ полученных данных.

Историческая справка о проблеме

Электропроводность – это способность материалов проводить электрический ток.

Все материалы, существующие в природе, различаются своими электрическими свойствами. Таким образом, в отдельные группы выделяются диэлектрические материалы и проводники электрического тока.

Проводники – это материалы, которые проводят электрический ток, а диэлектрики – это материалы, которые его не проводят. Предметы, изготовленные из диэлектриков, называют изоляторами.

В проводнике содержится достаточное количество свободных электрических зарядов, способных перемещаться под действием электрического поля.

Проводящими электрический ток веществами являются металлы, недистиллированная вода, раствор солей, влажный грунт, человеческое тело.

Металл – это самый лучший проводник электрического тока.

Диэлектрик не содержит внутри свободные электрические заряды. В изоляторах электрический ток невозможен.

Самым лучшим диэлектриком является газ. Другие непроводящие электрический ток материалы – это стеклянные, фарфоровые, керамические изделия, а также резина, картон, сухое дерево, смолы и пластмассы.

В 17 веке после того как Уильям Гильберт установил, что многие тела обладают способностью электризоваться при их натирании, в науке считалось, что все тела по отношению к электризации делятся на два вида: на способные электризоваться при трении, и на тела, не электризующиеся при трении.

Только в первой половине 18 века было установлено, что некоторые тела обладают, кроме того, способностью распространять электричество. Первые опыты в этом направлении были проведены английским физиком Греем. В 1729 г. Грей открыл явление электрической проводимости. Он установил, что электричество способно передаваться от одних тел к другим по металлической проволоке. По шелковой же нити электричество не распространялось. Именно Грей разделил вещества на проводники и непроводники электричества. Только в 1739г. было окончательно установлено, что все тела следует делить на проводники и диэлектрики.

Впервые провел исследование проводимости диэлектриков Кулон. Он показал, что любой изолятор обладает малой, определенной для каждого вещества электропроводимостью. Одновременно с Кулоном исследованием электропроводимости веществ занимался Кавендиш. В его записках, относящихся к 1775 г., найдены уже сравнительные численные результаты. Так, например, Кавендиш установил, что железная проволока проводит ток лучше, чем дистиллированная вода. Интересно, что роль измерительного прибора при этом играло физиологическое ощущение тока.

Английский физико-химик Гемфри Дэви в 1821 г. установил, что проводимость металлических проводников уменьшается при их нагревании. Таким образом была впервые установлена зависимость проводимости от температуры.

Так же исследования электропроводимости провел Фарадей в 1833 г. Он показал, что все вещества в большей или меньшей степени проводят ток, поэтому абсолютной изоляции не существует. В результате многочисленных опытов Фарадей установил, что проводимость диэлектриков растет при нагревании, а при переходе через точку плавления все твердые диэлектрики становятся проводниками.

Английский ученый Гаррис в 1834 г. показал, что проводимость воздуха не изменяется при нагревании.

Изучение проводимости металлов стало важной технической проблемой в связи с развитием мировой системы телеграфной связи. Естественно возник вопрос об увеличении проводимости металлов. Физическая теория не давала ответа на этот вопрос, ибо был неизвестен механизм электропроводимости. В конце XIX в., после открытия электрона, начала развиваться электронная теория проводимости. Начало теории дал в 1900 г. немецкий физик Пауль Друде.

Эксперименты

Для определения электропроводности материалов я решил сделать робота из картона, проволоки и светодиода. Внутри робота будет спрятана батарейка, подключенная к светодиоду и антенкам из проволоки.

Для сборки корпуса робота я распечатал на картоне шаблоны из интернета и вырезал их (см. Приложение 1).

Затем приступил к сборке. В голове робота я сделал несколько отверстий и вставил туда светодиод и антенны из проволоки. Закрепил их при помощи клеевого пистолета (см. Приложение 2).

Для соединения батарейки, антенн и светодиода проводами я хотел использовать изоленту, но у меня не получилось надежное соединение, поэтому я попросил папу помочь мне с паяльником.

В результате мы соединили светодиод с батарейкой и с одной из антенн, вторая антенна была присоединена к батарейке (см. Приложение 3). Получилась электрическая цепь.

Затем я закончил сборку робота, спрятав внутри него батарейку и провода (см. Приложение 4).

Далее я приступил к исследованию электропроводности материалов. Что бы определить является предмет проводником или изолятором, я использовал антенны робота.

Если антеннами касаться предмета, проводящего электрический ток, электрическая цепь замыкается и светодиод загорается. Ток течет через светодиод, затем по проводу к проводнику, а от проводника – по другому проводу к батарейке.

Если антенны дотрагиваются до изолятора, то замкнутой цепи не получается, ток не течет, и светодиод не загорается.

Для исследования я использовал разные предметы, применяемые в обычной жизни: металлическую линейку, ножницы, карандаш, ручку, пластмассовую линейку и иглу для шитья.

Когда антенн касались ножницы, металлическая линейка и игла, светодиод загорался, электрическая цепь замыкалась. Значит эти предметы являются проводниками электрического тока. Когда для эксперимента я использовал карандаш, ручку и пластмассовую линейку, светодиод не загорался. Значит эти предметы являются изоляторами (см. Приложение 5).

Заключение

В ходе исследования была достигнута цель работы, подтверждена гипотеза и выполнены поставленный задачи.

При небольшой помощи взрослого, я собрал робота, позволяющего безопасно определить электропроводность материалов.

На доступных предметах я провел эксперимент и выяснил какие предметы, используемые в обычной жизни, являются проводниками электрического тока, а какие – изоляторами.

Чем отличаются диэлектрики от проводников?

eel1

Все вещества состоят из молекул, молекулы из атомов, атомы из положительно заряженных ядер вокруг которых располагаются отрицательные электроны. При определенных условиях электроны способны покидать свое ядро и передвигаться к соседним. Сам атом при этом становится положительно заряженным, а соседний получает отрицательный заряд. Передвижение отрицательных и положительных зарядов под действием электрического поля получило название электрического тока.

В зависимости от свойства материалов проводить электрический ток их делят на:

  1. Проводники.
  2. Диэлектрики.
  3. Полупроводники.

Свойства проводников

Проводники отличаются хорошей электропроводностью. Это связано с наличием у них большого количества свободных электронов не принадлежащих конкретно ни одному из атомов, которые под действием электрического поля могут свободно перемещаться.

Большинство проводников имеют малое удельное сопротивление и проводят электрический ток с очень небольшими потерями. В связи с тем, что идеально чистых по химическому составу элементов в природе не существует, любой материал в своем составе содержит примеси. Примеси в проводниках занимают места в кристаллической решетке и, как правило, препятствуют прохождению свободных электронов под действием приложенного напряжения.

Проводник

Примеси ухудшают свойства проводника. Чем больше примесей, тем сильнее они влияю на параметры проводимости.

Хорошими проводниками с малым удельным сопротивлением являются такие материалы:

  • Золото.
  • Серебро.
  • Медь.
  • Алюминий.
  • Железо.

Золото и серебро – хорошие проводники, но из-за высокой стоимости применяются там, где необходимо получить хорошие качественные проводники с малым объемом. Это в основном электронные схемы, микросхемы, проводники высокочастотных устройств у которых сам проводник изготовлен из дешевого материала (медь), который сверху покрыт тонким слоем серебра или золота. Это дает возможности при минимальном расходе драгоценного металла хорошие частотные характеристики проводника.

Медь и алюминий — более дешевые металлы. При незначительном снижении характеристик этих материалов, их цена на порядки ниже, что дает возможность для их массового применения. Применяют в электронике, в электротехнике. В электронике – это дорожки печатных плат, ножки радиоэлементов, радиаторы и др. В электротехнике очень широко применяется в обмотках двигателей, для прокладки электрических сетей высокого и низкого напряжения, разводку электричества в квартирах, домах, в транспорте.

Свойства диэлектриков

Диэлектрики в своей кристаллической решетке содержат очень мало свободных электронов, способных переносить заряде под действием электрического поля. В связи с этим при создании разности потенциалов на диэлектрике, ток, проходящий через него такой незначительный, что считается равным нулю — диэлектрик не проводит электрический ток. Наряду с этим, примеси, содержащиеся в любом диэлектрике, как правило, ухудшают его диэлектрические свойства. Ток, проходящий через диэлектрик под действием приложенного напряжения в основном определяется количеством примесей.

Диэлектрики

Наибольшее распространение диэлектрики получили в электротехнике там, где необходимо защитить обслуживающий персонал от вредного воздействия электрического тока. Это изолирующие ручки разных приборов, устройств измерительной техники. В электронике – прокладки конденсаторов, изоляция проводов, диэлектрические прокладки необходимые для теплоотвода активных элементов, корпуса приборов.

Полупроводники – материалы, которые проводят электричество при определенных условиях, в другом случае ведут себя как диэлектрики.

Не проводниками диэлектриками электрического тока являются

Наверное, многие школьники на вопрос «Что бы вы взяли с собой на необитаемый остров?» сразу ответят: «Мобильный телефон и компьютер», — но через некоторое время, конечно, сообразят: «Ой, там же нет электричества. »

Трудно представить, но еще сто лет назад большая часть нашей страны была похожа на такой остров: электричеством могли пользоваться немногие. Сегодня же каждый назовет не менее десяти электрических бытовых устройств, без которых нам уже сложно представить свою жизнь: стиральная машина, лампа, телевизор и т. д. Эти устройства называются электрическими, потому что их работа основана на действии электрического тока. А что такое электрический ток?

Даём определение электрического тока

Проведем опыт. Поставим на стол два электрометра (А и Б) и зарядим один из них, например электрометр А (рис. 23.1, а). Соединим кондукторы электрометров металлическим стержнем, закрепленным на пластмассовой ручке. По отклонению стрелок электрометров видим, что заряд электрометра А уменьшился, а незаряженный электрометр Б получил заряд (рис. 23.1, б). Это значит, что некоторое количество заряженных частиц (в данном случае электронов) перешло по стержню от одного прибора к другому. Физики говорят, что по стержню прошел электрический ток.

Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц.

Выясняем условия возникновения и существования электрического тока

Учитывая определение электрического тока, сформулируем первое условие его возникновения и существования в любой среде: в среде должны быть заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться по всей среде. Такие частицы называют носителями тока.

Однако этого условия недостаточно для того, чтобы в среде существовал электрический ток. Для создания и поддержания направленного движения свободных заряженных частиц необходимо наличие электрического поля. Именно благодаря действию электрического поля движение заряженных частиц приобретает упорядоченный (направленный) характер, что и означает появление в данной среде электрического тока.

Учимся различать проводники, диэлектрики и полупроводники

Зная условия возникновения и существования электрического тока, нетрудно догадаться, что электрическая проводимость — способность проводить электрический ток — у разных веществ разная. В зависимости от этой способности все вещества и материалы делят на проводники, диэлектрики и полупроводники (о проводниках и диэлектриках уже шла речь в § 21).

Проводники — вещества и материалы, которые хорошо проводят электрический ток.

Проводниками являются металлы (как в твердом, так и в жидком состояниях), графит, водные растворы солей (например, поваренной соли), кислот и щелочей. Высокая электрическая проводимость проводников объясняется наличием в них большого количества свободных заряженных частиц. Так, в металлическом проводнике часть электронов, покинув атомы, свободно «путешествует» по всему объему проводника, и количество таких электронов достигает 10 23 в кубическом сантиметре.

Влажная земля, тело человека или животного хорошо проводят электрический ток, так как содержат вещества, являющиеся проводниками.

Диэлектрики — вещества и материалы, которые плохо проводят электрический ток.

Диэлектриками являются многие твердые вещества (эбонит, фарфор, резина, стекло и др.), жидкости (дистиллированная вода, керосин, спирт, бензин и др.) и газы (кислород, водород, азот, углекислый газ и др.). В диэлектриках почти отсутствуют свободные заряженные частицы.

Проводники и диэлектрики широко используют в промышленности, быту, технике. Так, провода, по которым подводят ток от электростанций к потребителям, изготовляют из металлов — хороших проводников. При этом на опорах провода размещают на изоляторах, — это предотвращает стекание электрического заряда в землю (рис. 23.2). Как вы думаете, почему провода, которые прокладывают в земле, покрывают слоем диэлектрика?

Существует много веществ (например, германий, силиций, арсен), которые называют полупроводниками. Обычно такие вещества плохо проводят ток и их можно отнести к диэлектрикам. Но если повысить температуру или увеличить освещенность, в полупроводниках появляется достаточное количество свободных заряженных частиц и полупроводники становятся проводниками. Полупроводники используются при изготовлении радиоэлектронной аппаратуры, солнечных батарей (рис. 23.3) и т. д.

Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц.

Для возникновения и существования электрического тока необходимо наличие свободных заряженных частиц и электрического поля, благодаря действию которого создается и поддерживается направленное движение этих частиц.

В зависимости от электрической проводимости все вещества условно делят на проводники (вещества, которые хорошо проводят электрический ток), диэлектрики (вещества, которые плохо проводят электрический ток) и полупроводники.

1. Что такое электрический ток? 2. Сформулируйте условия возникновения и существования электрического тока. 3. Какие вещества относят к проводникам, диэлектрикам, полупроводникам? Приведите примеры. 4. Почему металлы хорошо проводят электрический ток? 5. Приведите примеры использования проводников и диэлектриков.

1. Запишите названия нескольких предметов, изготовленных из материалов, являющихся: а) проводниками; б) диэлектриками.

2. Каким требованиям должен соответствовать материал для изготовления корпусов розеток и выключателей?

3. Почему трудно, а иногда практически невозможно зарядить электроскоп в помещении с высокой влажностью воздуха?

4. Почему в опыте, описанном в пункте 1 § 23, кондукторы электрометров соединяли металлическим стержнем (см. рис. 23.1)? Для чего стержень был закреплен на пластмассовой ручке? Как изменятся результаты опыта, если вместо металлического стержня воспользоваться пластмассовым?

5. Движутся ли свободные заряженные частицы в проводнике, когда в нем нет тока? Поясните свой ответ.

6. Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и выясните, какие вещества являются лучшими диэлектриками и где их применяют.

7. К двум соединенным металлическим пластинам А и Бподнесли наэлектризованную о шерсть эбонитовую палочку (см. рисунок).

Диэлектрик

Диэлектрик (изолятор) — вещество, плохо проводящее или совсем не проводящее электрический ток. Плотность свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 10 8 шт/см³. Основное свойство диэлектрика состоит в способности поляризоваться во внешнем электрическом поле.

Диэлектрический материал как электрический изолятор может быть поляризован с помощью приложенного электрического поля. Если диэлектрик поместить в электрическое поле, электрические заряды не проходят через материал, но стоит только немного сместить заряды от их средних положений равновесия вызывается диэлектрическая поляризация. Из-за диэлектрической поляризации, положительные заряды смещаются в направлении поля, а отрицательные заряды имеют сдвиг в противоположном направлении. Это создает внутреннее электрическое поле, которое снижает обще поле внутри диэлектрика. [1] Если диэлектрик состоит из слабо связанных молекул, эти молекулы не только становятся поляризованными, а также переориентируются так, что их оси симметрии выравнивают поля. [2]

Исследование диэлектрических свойств касается хранения и диссипации электрической и магнитной энергии в материалы. [3] Диэлектрики имеют важное значение для объяснения различных явлений в электронике, оптике и физике твердого тела.

Физическим параметром, который характеризует диэлектрик, является диэлектрическая проницаемость . Диэлектрическая проницаемость может иметь дисперсию.

Диэлектрики используются не только как

Содержание

Диэлектрическая поляризация

Основы атомной модели

Электрическое поле взаимодействия с атомом в классической модели диэлектрической проницаемости.

Классический подход к диэлектрической модели, материала состоит из атомов. Каждый атом состоит из облака отрицательного заряда (электронов), привязанных к и окружающим положительный точечный заряд облаком отрицательного заряда (электронами) в центре. В присутствии электрического поля заряда облако искажается, как показано в правой верхней части фигуры.

Это может быть сведен к простой диполи [1] , используя принцип суперпозиции [2]. Диполь характеризуется дипольным моментом [3], векторная величина, показанная на рисунке синяя стрелка с надписью M. Это связь между электрическим полем и дипольным моментом, что порождает поведение диэлектрика. (Обратите внимание, что дипольный момент пунктов в том же направлении, что и электрическое поле на рисунке. Это не всегда так, и это сильное упрощение, но это справедливо для многих материалов.)

Когда электрическое поле удаляется атом возвращается в исходное состояние. Время, необходимое для этого является так называемая релаксация [4] времени; экспоненциального распада.

В этом и заключается суть модели в физике. Поведение диэлектрическое теперь зависит от ситуации. Чем сложнее ситуация, тем богаче модель должна быть точно описана поведением. Важные вопросы:

  • Создается электрическое поле, постоянное или оно меняется со временем? По какой ставке?
  • Не ответ зависит от направления приложенного поля (изотропность [5] материала)?
  • Ответ везде одинаковый (однородность материала)?
  • Делать каких-либо границ или интерфейсы должны быть учтены?
  • Это отклик линейноcти систем [6] относительно поля, или есть нелинейности [7] систем ?

Связь между электрическим полем E и дипольным моментом M порождает поведение диэлектрической проницаемости, которая для данного материала, может быть охарактеризована функцией F и определяется уравнением:

<displaystyle mathbf <M data-lazy-src=

голоса
Рейтинг статьи
Читайте так же:
Тойота розетка прицепа распиновка
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector