10 примеров электрических проводников и изоляторов

Электричество – это энергия движения электронов. Вся материя состоит из атомов, которые состоят из ещё более мелких частиц: протонов, нейтронов, электронов. Электроны в атоме движутся по орбитам, или окружностям, вокруг центральной части атома, которая называется ядром. Электроны способны переходить от одного атома к другому. Эти перемещения и формируют электричество.

Начиная с XIX века, оно плотно вошло в жизнь современной цивилизации и используется во всех сферах человеческой деятельности. Для получения электричества созданы электростанции, а для его хранения — аккумуляторы и электрические батареи. В наши дни потребление электроэнергии растет с каждым днем. Поэтому важно отслеживать объем и структуру энергопотребления как на уровне каждой отдельной страны, так и глобально во всем мире.

Следующие опыты с электричеством помогут нам разобраться в этом явлении, а также изучить его свойства на практике. Они рассчитаны на детскую аудиторию, но работать над ними лучше под присмотром взрослых.

Проект «Последовательное и параллельное соединение батареек»

Вольт – стандартная единица измерения напряжения электричества. Ампер – стандартная единица измерения силы тока. Последовательное – один за другим, как звенья в цепочке. Параллельное – рядом друг с другом, как рельсы.

Электричеством называется движение электронов в проводнике, а напряжение можно сравнить с давлением, например, текущей воды на трубу. Сила тока показывает количество электронов, что-то вроде объема воды, вытекающей из трубы. Батарейки производят электричество путем химической реакции. Они могут быть соединены в линию, чтобы повысить напряжение, или параллельно, чтобы увеличить силу тока. Чтобы увеличить оба показателя, можно комбинировать эти виды соединения.

Схема последовательного соединения предполагает соединение плюса каждой батарейки с минусом следующей. Две батарейки на 6 вольт и 2 ампера, соединенные таким образом, дадут 12 вольт и 2 ампера в цепи.

Схема параллельного соединения предполагает соединения плюсов с плюсами, а минусы с минусами. Две батарейки на 6 вольт и 2 ампера, соединенные таким образом, дадут 6 вольт и 4 ампера в цепи.

Смешанное соединение позволяет объединить оба типа соединения, чтобы получить любое желаемое значение напряжения и силы тока. Так, напряжение 120 вольт можно получить, последовательно соединив 20 батарей на 6 вольт. Если же при этом необходима сила тока 50 ампер, а каждая батарейка дает 1 ампер, то общая схема подключения будет выглядеть как 25 подобных цепей, соединенных параллельно.

Одна батарейка дает небольшое напряжение и силу тока. Соединяя их последовательно, можно увеличить эти показатели. Даже простая батарейка на 9 вольт представляет собой набор батареек. Данный проект показывает, как объединение батареек по разным схемам может быть использовано для достижения самых разных величин напряжения и силы тока.

Для детей такой проект может быть очень познавательным, так как он на практике показывает, как работает электричество. Например, четыре батарейки могут быть использованы для выдачи напряжения 6 вольт. Ученики могут показать собственные схемы проведения электричества.

Цель – продемонстрировать, как несколько батареек могут использоваться для увеличения напряжения и/или силы тока в цепи.

Что нам понадобится:

• несколько батареек, которые будут соединяться последовательно и/или параллельно;
• держатели для них или проволока и припой;
• вольтметр, способный также измерять силу тока;
• опционально – разобранная батарейка.

Ход эксперимента:

1. Обратите внимание на то, что каждая исследовательская работа на тему электричества требует соблюдения техники безопасности. Существует небольшой риск превышения уровня допустимого напряжения/силы тока, что может привести к перегреву всей конструкции. Припаивание контактов делает опыт нагляднее, однако несет риск ожогов. При разборе сухой батарейки существует риск контакта с электролитом.
2. Определитесь с тем, что вы будете использовать: держатель для батареек или припой.
3. Соберите последовательную цепь, измерьте напряжение и силу тока.
4. Соберите параллельную цепь, измерьте напряжение и силу тока.
5. Соберите цепь, комбинирующую оба типа соединения. Измерьте те же показатели.
6. Опционально – разберите батарейку, покажите ее содержимое. Необходимо наблюдение взрослого, поскольку содержащийся в ней электролит едок.

Вывод:

Что такое электричество? Что такое элемент питания? Что такое последовательная цепь? Что такое параллельная схема подключения? Батарейка 9 вольт содержит один элемент питания или несколько? Почему? В чем разница между переменным и постоянным током?

Ионная проводимость

В металлах, как вы помните, имеется лишь один тип свободных зарядов — это свободные электроны. В электролитах ситуация иная: здесь возникают свободные заряды двух типов.

1. Положительные ионы, образовавшиеся из атомов металлов или водорода.

2. Отрицательные ионы — атомные или молекулярные кислотные остатки (например, или ), а также гидроксильная группа .

Второе отличие от металлов заключается в том, что носители свободных зарядов в электролите могут иметь заряд, равный по модулю как элементарному заряду , так и целому числу элементарных зарядов . Здесь — валентность атома или группы атомов; например, при растворении медного купороса имеем .

Если внешнего электрического поля нет, то свободные заряды электролита совершают лишь хаотическое тепловое движение наряду с окружающими молекулами. Но при наложении внешнего поля положительные и отрицательные ионы начинают упорядоченное движение.

Поместим в сосуд с электролитом два электрода; один из электродов присоединим к положительной клемме источника тока, а другой — к отрицательной (рис. 5). Когда речь идёт о прохождении тока через электролиты, положительный электрод называют анодом

, а отрицательный —
катодом
(Имеется народная мудрость для запоминания знаков анода и катода:
Андрей — парень положительный, Катька — девка отрицательная
;-)).

Рис. 5. Ионная проводимость электролита

В электрическом поле, возникшем между электродами, положительные ионы электролита устремляются к «минусу» катода, а отрицательные ионы — к «плюсу» анода. Таким образом, электрический ток в электролите образуется в результате встречного движения ионов: положительных — к катоду, отрицательных — к аноду

. Поэтому проводимость электролитов называется
ионной
(в отличие от электронной проводимости металллов).

На положительном аноде имеется недостаток электронов. Отрицательные ионы, достигнув анода, отдают ему свои лишние электроны; эти электроны отправляются по цепи к «плюсу» источника.

Наоборот, на отрицательном катоде — избыток электронов. Положительные ионы, придя на катод, забирают у него электроны, и это количество ушедших электронов немедленно восполняется их доставкой на катод с «минуса» источника.

Таким образом, в той части цепи, которая состоит из источника тока и металлических проводников, возникает циркуляция электронов по маршруту «анод источник катод».

Цепь замыкается электролитом, где электрический ток обеспечивается двусторонним движением ионов.

Проект «Сопротивление: медь – лучший проводник?»

Сопротивление – это совокупность препятствий для потока электронов. Обозначается буквой R. Оно зависит от длины и толщины проводника, а также от материала, из которого он сделан, поэтому значение может различаться для разных его участков. Измеряется оно в омах (Ом). Постоянное свойство конкретного материала оказывать сопротивление называется сопротивляемостью, обозначаемой греческой буквой ρ (ро) и измеряемой в ом-метрах (Ом-м).

Формула для вычисления сопротивления данного отрезка провода выглядит так:

R = ρL/S,

где R обозначает сопротивление в омах, L – длину провода в метрах, S – площадь его сечения в квадратных метрах, а ρ – удельное сопротивление проводника в ом-метрах.

Электрическая проводимость – величина, обратная сопротивляемости. Она показывает, как свободно материал позволяет протекать электричеству. Обозначается она G и измеряется в сименсах (Cм). См=Ом-1.

G= σ S/L,

где σ — удельная проводимость.

Удельная проводимость обратно пропорциональна удельному сопротивлению ρ.

σ = 1/ρ.

В данном эксперименте вы сможете вычислить сопротивляемость и проводимость тестируемых материалов, используя закон Ома, согласно которому напряжение определяется как произведение силы тока на сопротивление. Измерить силу тока вам поможет амперметр, а напряжение – вольтметр.

V=IR,

где V – напряжение в вольтах, I – сила тока в амперах, а R – сопротивление в омах.

Цель – выяснить сопротивляемость различных материалов, а также вычислить их проводимость.

Что нам понадобится:

• батарейка 9 вольт;
• по 30 см тонкого и толстого медного провода без изоляции;
• по 30 см тонкого и толстого железного провода без изоляции (с такими же диаметрами);
• провода из других материалов;
• кусачки;
• амперметр;
• вольтметр;
• линейка.

Ход эксперимента:

Соблюдайте меры безопасности при работе с электричеством.

1. Присоедините плюс амперметра к минусу батарейки 9 вольт.
2. Присоедините минус амперметра к концу одного из проводов.
3. Присоедините его другой конец к плюсу батареи 9 вольт.
4. Используйте вольтметр, чтобы выяснить напряжение на участках провода разной длины (начните с 2 см, затем измерьте для 3 см, 4 см и так далее). Следите, чтобы плюс вольтметра касался начала провода.
5. Запишите величину силы тока (с амперметра) и напряжения (с вольтметра) для каждой длины.
6. Воспользуйтесь законом Ома, чтобы определить сопротивление, а также понять, как длина, толщина и материал влияют на него.
7. Отобразите результаты с помощью графика. Длину провода в метрах отложите по оси x, а сопротивление в омах – по оси y.
8. Вычислите сопротивляемость с помощью формулы: R = ρL/S,
   Здесь R – сопротивление в омах,
9. ρ – удельное сопротивление в ом-метрах,
10. L – длина провода в метрах,
11. S – площадь его сечения в метрах квадратных.
12. Используйте значение удельного сопротивления проводника ρ чтобы вычислить удельную проводимость σ и проводимость G.

Вывод:

Какой материал обладает большей сопротивляемостью? Проводимостью? Сформулируйте гипотезу, какая существует зависимость сопротивления от температуры.

Чем тоньше провод, тем меньше его сопротивление. У меди – сопротивляемость ниже, поэтому она считается более подходящим проводником электричества по сравнению с железом. Почему? Сопротивление провода тем выше, чем он длиннее. Поскольку оно является характеристикой материала, через который протекают электроны, вполне логично, что чем больше задействованного материала (в длину), тем больше получится сопротивление. Сопротивляемость – постоянная величина для конкретного материала, поэтому сопротивление прямо зависит от сечения. На графике этой зависимости наклон кривой демонстрирует именно сопротивляемость.

Итак, медь лучше проводит электричество, чем железо? Да, поскольку электричество может протекать через нее с меньшим сопротивлением. Это является постоянным свойством меди.

Вычислите сопротивление определенного участка провода с помощью закона Ома, так как элементы цепи соединены последовательно, а сила тока одинакова на любом ее участке.

Проект «Влияние толщины провода на протекание электричества»

Проводник – это материал, хорошо проводящий электрический ток. Полупроводник – это материал, имеющий более низкую проводимость, чем проводник.

Помогает ли более широкий проводник протекать электричеству? Посмотрим, какой провод лучшим образом проводит ток.

Цель – выяснить, через какой провод электричество протекает проще: через толстый или тонкий.

Что нам понадобится:

• пластиковая трубочка;
• ножницы;
• 2 батарейки D;
• изолента;
• стальная вата;
• 2 лампочки для фонарика.

Ход эксперимента:

1. Сделайте свои предположения. Будет ли цепь с более толстым проводом проводить электричество лучше, чем с тонким?
2. Расположите батарейки на ровной поверхности. К одной присоедините тонкий провод, а к другой – толстый.
3. Чтобы присоединить провода, отрежьте от трубочки два одинаковых кусочка. Наклейте по одному кусочку вдоль каждой батареи.
4. Из стальной ваты получатся отличные тонкие провода. Разберите ее на волокна, соберите их на краю стола.
5. Теперь нужно изготовить проводник. Возьмите три стальных проволочки, скрутите их в тонкий провод. Затем возьмите еще десять, также скрутите их.
6. Теперь у вас есть два провода – тонкий и толстый. Проденьте тонкий в одну из трубочек, а толстый – в другую.
7. Прикрепите один конец тонкого провода к минусу батарейки.
8. Оберните другой конец тонкого провода вокруг основания одной из лампочек, а затем приклейте его к лампочке при помощи изоленты, но так, чтобы нижняя ее часть осталась свободной.
9. Теперь коснитесь нижней частью лампочки плюса батареи. Если цепь замкнута, ваша лампочка загорится.
10. Повторите шаги 7-9 для толстого провода. Какая лампочка горит ярче?

Вывод:

Лампочка в цепи с более толстым проводом горит ярче. Значит она проводит больше электричества? Почему? Представьте автомобильную парковку, забитую машинами, которые торопятся выехать – это батарейка. Для выезда открывают одну полосу дороги. Как быстро машины покинут стоянку? А теперь представьте, что открыта трасса в четыре полосы. Быстрее ли машины покинут стоянку теперь?

Тонкий провод проводит электричество, но в нем выше сопротивление. Толстый провод похож на трассу с четырьмя полосами. В нем сопротивление намного ниже, поэтому лампочка горит ярче – электричеству проще до нее добраться.

Выскажите свое предложение о том, что произойдет, если использовать другой проводник. Будет ли электричество так же протекать через любой проводник?

Способность различных веществ проводить электрический ток

Если не принимать во внимание физическое состояние, то все материалы можно условно разделить на три группы по степени проводимости электричества:

• проводники;
• полупроводники;
• диэлектрики.

Рассмотрим каждый случай более подробно.

Проводники

К этой группе можно отнести вещества, которые проводят электрический ток великолепно. Это – металлы, электролиты и ионизированные газы.

Металлы как проводники электрического тока

Первая подгруппа веществ имеет кристаллическую решетку и отличается большим наличием свободных электронов, которые и являются носителями заряда при создании соответствующих условий, в частности электрического поля. Их расплавы проводят электрический ток не хуже, чем в твердой фазе. Не стоит забывать, что металлы могут быть и в жидком состоянии, примером чего является ртуть. Но наибольшее распространение, в качестве проводников, получили твердые фазы этих веществ. При взаимодействии с кислородом металл образуют оксиды, которые проводят электрический ток только при определенных условиях и по своей сути являются полупроводниками. Речь о них пойдет ниже. Из металлов отличной электропроводностью обладают медь, алюминий, железо, серебро и др.

Жидкие проводники электрического тока

Под жидкими проводниками понимают кислоты, растворы, электролиты, которые проводят электрический ток. Носителем заряда в данных случаях являются ионы. Необходимо отметить, распространенное убеждение что вода является проводником, в корне неверно. Когда Н2О находиться в чистом состоянии, свободные ионы в ней отсутствуют. Если при помещении в воду электродов наблюдается протекание электрического тока, то это говорит только о том, что в данном случае мы имеем дело с раствором какого-либо вещества.

Проект «Какие вещества проводят электричество при растворении в воде»

Электрический поток – результат движения электрически заряженных частиц(электричества) под действием сил приложенного к ним электрического поля. Чистая вода плохо проводит электричество, но некоторые элементы, растворенные в ней, позволяют ей проводить ток. Такие вещества при растворении образуют ионы (заряженные частицы), которые переносят заряд внутри раствора. Растворы, обладающие этим свойством, называются электролитами. Чем больше ионов в растворе, тем выше его проводимость. Неэлектролиты – растворы, не содержащие ионы и не проводящие ток. Электролиты могут быть слабыми или сильными. Это зависит от того, как они ионизируются: полностью или частично.

Проводимость раствора можно измерить при помощи устройства проводимости, состоящего из двух металлических электродов, обычно располагаемых на расстоянии 1 см (именно поэтому она измеряется в микросименсах или миллисименсах на сантиметр). На оба электрода подается постоянное напряжение. Это вызывает электрический ток в растворе. Поскольку он пропорционален количеству ионов в воде, проводимость можно измерить. Чем выше концентрация ионов, тем выше проводимость образца.

Устройство проводимости обычно используется в гидропонике, бассейнах, а также системах очистки воды для отслеживания количества питательных веществ, солей или загрязнений.

Раствор некоторых веществ в воде проводит электричество. Эти вещества при растворении образуют ионы, и эти ионы переносят заряд через раствор. Этот проект направлен на то, чтобы собрать устройство для выявления того, раствор каких веществ может проводить электричество, а каких – нет.

В фокусе этого проекта – создание устройства, которое позволило бы определить, какие вещества, будучи растворенными, могут проводить электричество – и каким типом электролита они в этом случае являются.

Что нам понадобится:

• устройство проводимости;
• пластиковые стаканчики;
• большие скрепки;
• изолента;
• разные виды воды: дистиллированная, минеральная, газированная;
• уксус;
• сахар;
• соль.

Ход эксперимента:

1. Эксперименты с электричеством в домашних условиях требуют внимательности. Не глотайте вещества, используемые в этом опыте!
2. Приготовьте разные виды воды.
3. Приготовьте растворы соли и сахара, растворив их в дистиллированной воде.
4. Налейте жидкость в стаканчик.
5. Разогните скрепки, закрепив их изолентой на противоположных сторонах стаканчика.
6. Не помещайте контакты прямо в раствор, иначе со временем они заржавеют. Вместо этого поместите их на скрепки, а скрепки опустите в раствор.
7. Результаты наблюдений отобразите в таблице и в виде графика. В зависимости от того, какое устройство проводимости вы используете, отметьте, горят ли LED-лампы и степень их яркости. Ополаскивайте стаканчик и скрепки дистиллированной водой между опытами.
8. Если неподалеку есть источник, проверьте воду из него на проводимость. Если она проводит электричество, подумайте, какие вещества могли быть в нем растворены и откуда они могли взяться.
9. Отметьте галочкой поле, соответствующее свету, производимому LED-лампой. В зависимости от яркости лампы распределите жидкости на сильные, средние, слабые электролиты или неэлектролиты.

Вывод:

Что такое электричество? Что такое электролит? Что такое проводимость? Какие вещества оказались хорошими электролитами по результатам опыта? Посмотрите на этикетку бутылки минеральной воды. Как вы думаете, какие вещества в ее составе помогают проводить ток? Посмотрите на этикетку бутылки газированной воды. Как вы думаете, какие вещества в ее составе помогают проводить электричество? Жидкая паста внутри батареек для фонарика – электролит. Какие из протестированных веществ могли бы использоваться в качестве такого электролита? Подумайте, какие еще опыты с электричеством в домашних условиях можно провести на основе проведенного проекта.

Диэлектрики

В диэлектриках свободные носители заряда отсутствуют. Протекание электрического тока в таких веществах невозможно при стандартных внешних условиях. Наиболее популярными материалами, которые не проводят электрический ток является слюда, керамика, резина и каучуки.

Также к ним можно отнести воздух и определенные виды газов, но для них, определяющим будет являться степень загрязнения. При наличии достаточного количества свободных ионов, диэлектрические свойства они утрачивают. Таким образом нельзя слепо полагаться что какое-либо вещество является абсолютным диэлектриком и не проводит электричество. При определенных обстоятельства большая часть веществ, заведомо считающихся диэлектриками могут приобретать свойства полупроводников.

Так, например, оксид железа, который в обычных условиях препятствует протеканию электрического тока, при повышении давления и температуры переходит в состояние проводимости, при этом внутренняя его структура не нарушается.

Подводя итоги, отметим что качественное различие веществ, пропускающих или препятствующих протеканию электрического тока является их проводящее состояние. Для металлов оно является постоянным, а для диэлектриков и полупроводников возбужденной фазой. Количественное определение проводимости выражается через удельное электрическое сопротивление.

Проект «Проводник или изолятор»

Электрический ток возникает только тогда, когда для него создан непрерывный путь, по которому он может протекать. Множество материалов могут использоваться для замыкания цепи и создания потока. Такие материалы называются проводниками электричества. Большинство металлов, включая алюминий, считаются хорошими проводниками. Материалы, не проводящие электрический ток, называются изоляторами. Большинство предметов, сделанных из пластика и резины, являются изоляторами. Важно понимать разницу между проводниками и изоляторами не только для создания цепей, но и для строительства домов и приготовления пищи, не говоря уже о безопасности.

Определите, какие предметы домашнего обихода хорошо проводят электричество.

Цель – продемонстрировать понимание простых замкнутых цепей и оценить проводимость обычных бытовых предметов.

Что нам понадобится:

• четыре фрагмента изолированного провода (желательно с зажимами на концах);
• батарейка D;
• маленькая лампочка;
• бытовые предметы для испытания: скрепка, зубочистка, фольга, банан, жестяная банка, монета и др.;
• держатель для лампочки (опционально);
• держатель для батарейки (опционально).

Ход эксперимента:

1. Соберите простую замкнутую цепь, соединив батарейку и лампочку двумя проводами. Пример можно увидеть на графике.
2. Если вы не используете держатели, то провода необходимо расположить так, чтобы один из них соединял плюс батарейки и контакт на нижней части лампочки, а другой – минус батарейки и контакт на боковой части цоколя. Для фиксации контактов используется изолента. Если цепь замкнута, лампочка должна загореться.
3. Соберите хотя бы 10-14 бытовых предметов для опыта. Выбирайте предметы из разных материалов: металла, пластика, дерева.
4. Включите один предмет в цепь, чтобы проверить, проводник это или изолятор. Сначала отключите один зажим от лампочки и присоедините его к предмету. Соедините другим проводом этот предмет и лампочку. Если она загорится, предмет является проводником электричества, если же нет – изолятором.
5. Следующая таблица может служить примером того, как можно записать результаты опытов.

Вывод:

Как создать простую замкнутую цепь? Как электричество протекает через цепь? Какие бывают проводники? Какие бывают изоляторы? Как работают проводники и изоляторы в доме, чтобы защитить от удара током?

Проводники Vs. Изоляторы

Валентные электроны подобны внешним планетам, вращающимся вокруг звезды. Они достаточно притягиваются к своим атомам, чтобы оставаться на месте, но не всегда требуется много энергии, чтобы сбить их с места — эти электроны легко переносят электрические токи. Неорганические вещества, такие как металлы и плазма, которые легко теряют и получают электроны, возглавляют список проводников.

Органические молекулы в основном изоляторы, потому что они удерживаются вместе ковалентными ( общие электронные) связи и потому, что водородная связь помогает стабилизировать многие молекулы. Большинство материалов не являются ни хорошими проводниками, ни хорошими изоляторами, а находятся где-то посередине. Они с трудом проводят проводку, но если подано достаточно энергии, электроны будут двигаться.

Некоторые материалы в чистом виде являются изоляторами, но будут проводить, если они легированы. с небольшими количествами другого элемента или если они содержат примеси. Например, большая часть керамики — отличные изоляторы, но если вы легируете их, вы можете создать сверхпроводник. Чистая вода — изолятор, грязная вода имеет слабую проводимость, а соленая вода с ее свободно плавающими ионами — хорошо проводит.

Проект «Создание реостата»

Реостат – небольшое устройство, регулирующее напряжение поворотом ручки.

Что нам понадобится:

• лампочка для фонарика и патрон к ней;
• две батарейки D;
• отрезки провода около 40 см и около 5 см;
• длинная пружина;
• кусачки.

Ход эксперимента:

1. Соедините батарейки таким образом, чтобы плюс одной контактировал с минусом другой.
2. Разрежьте длинный провод пополам и присоедините фрагменты к концам соединенных батареек.
3. Соедините свободный конец одного провода с контактом патрона. Соедините свободный конец второго провода с концом пружины.
4. Соедините маленький провод с другим контактом патрона.
5. Замкните цепь и обратите внимание на то, как ярко светится лампочка. Если лампочка засветилась, значит по проводам пошло электричество!
6. Теперь медленно ведите концом короткого провода по пружине. Что происходит?

Вывод:

Чем дальше вы ведете по пружине, тем менее ярко будет светить лампочка. Чем длиннее тот участок пружины, который электричеству приходится преодолевать, тем выше сопротивление. Устройство, которое у вас получилось, называется реостат. Оно позволяет изменять поток электричества, проходящий через него.

Проект «Плазменный шар ! Что это такое и как работает»

Опыты с электричеством для детей всегда очень увлекательные. Благодаря этому проекту ученики получат основную информацию о феномене плазмы и применении катушки. Плазма образуется, когда атомы газа нагреваются до очень высоких температур. В результате атомы обладают столь высокой энергией, что при столкновении из них выбиваются электроны. Сама по себе плазма и представляет собой множество электронов и ионов.

Плазменный шар – прибор, изобретенный Николой Теслой в 1894 году, а популярность он получил в 1980-х. По сути, это стеклянный шар с электродом в центре, наполненный смесью инертных газов. Принцип его действия схож с принципом работы катушки Теслы. Он содержит катушку, через которую проходит ток очень высокой частоты – электроны в катушке очень быстро колеблются, и окружающие атомы начинают терять свои электроны, в результате чего образуется плазма. Поскольку из шара выкачана часть воздуха, получить электрические искры очень легко. Плазма по сути представляет собой частично ионизированный газ, способность которого переносить негативный заряд делает его очень чувствительным к электромагнитным полям. Из-за этих уникальных свойств плазму считают четвертым агрегатным состоянием материи.

Этот эксперимент также позволяет детям познакомиться с основами научного подхода – контролем, различением зависимых и независимых переменных, сбором данных и их наглядным представлением, а также вынесением суждений о верности и надежности своих находок. Они выступают в роли ученых и учатся действовать, как ученые.

Цель – определить, что такое плазменный шар и как он работает.

Что нам понадобится:

• плазменный шар (продается в магазинах игрушек);
• флуоресцентная лампа (продается в хозяйственных магазинах);
• деревянный (или неметаллический) табурет или стул;
• несколько монет и мультиметр.

Ход эксперимента:

1. Скопируйте таблицу на следующей странице, чтобы вы могли быстро записать свои наблюдения.
2. Сначала поместите на плазменный шар руку. Запишите, что произошло.
3. Теперь поднесите к нему флуоресцентную лампу. Запишите, что произошло.
4. Попросите вашего партнера помочь. Встаньте на стул и положите руку на шар. Не прикасайтесь к концам флуоресцентной лампы, а попросите вашего партнера подать вам лампу. Что произошло? Запишите свои наблюдения.
5. Спуститесь со стула. Встаньте на пол и повторите шаг 5. Что произошло? Запишите!
6. Положите монету на верх плазменного шара. Теперь аккуратно дотроньтесь до монеты другой монеткой. Не трогайте ее пальцем! Вас ударит электричеством!
7. Теперь измерьте потенциал вокруг шара, поместив один контакт на его стеклянную поверхность, а другой рядом. Подготовьте диаграмму электрического поля, измерив все пространство вокруг него. Завершите диаграмму.
8. Напишите отчет. Включите в него все ваши наблюдения и диаграмму. Не забудьте указать список использованной литературы и основную информацию, которую вы добыли во время исследования. Вам понравился проект? Что вам понравилось? Есть ли какие-то дальнейшие шаги, которые вы хотели бы предпринять, чтобы узнать больше о плазма-шаре и самой плазме?

Таблица наблюдений

Рисунок: назовите соединения

Вывод:

Что такое электричество? Что такое плазма? Что такое ионы? Что такое благородные газы? Что такое катушка Теслы? Как она работает? Каковы меры предосторожности при работе с плазма-шаром? Как возникает и передается электричество в нем? Выглядит ли электрическое поле как поле рядом с точечным зарядом? Можете ли вы найти эквипотенциальные линии? Можете ли вы вычислить, сколько потенциальной энергии необходимо, чтобы зажечь флуоресцентную лампу?

Электролитическая диссоциация

Механизм, обеспечивающий появление свободных зарядов в электролите, называется электролитической диссоциацией

. Мы ограничимся рассмотрением электролитической диссоциации в растворах.

Вообще, диссоциация — это распад молекулы на составные части под влиянием тех или иных факторов.В процессе электролитической диссоциации молекулы растворяемого вещества распадаются на положительные и отрицательные ионы в результате действия электрических сил со стороны молекул воды

.

Многие свойства воды объясняются тем, что её молекулы являются полярными

, то есть в электрическом отношении ведут себя как диполи (напомним, что
диполь
— это система двух одинаковых по модулю и противоположных по знаку зарядов, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга). Полярность молекул обусловлена их геометрическим устройством (рис. 1 (изображение с сайта howyourbrainworks.net)).

Рис. 1. Молекулы воды

Угол, образованный линиями центров атома кислорода и двух атомов водорода, составляет примерно . Кроме того, электронные оболочки смещены в сторону кислорода. В результате центры положительных и отрицательных зарядов оказываются пространственно разделёнными: «минусы» преобладают в кислородной части молекулы воды, а «плюсы» — в водородной части.

Будучи диполями, молекулы воды создают вокруг себя электрическое поле и действуют электрическими силами как друг на друга, так и на молекулы примесей (притягиваясь друг к другу противоположно заряженными частями, молекулы воды создают весьма прочные связи. Вот почему столь велики удельная теплоёмкость и удельная теплота парообразования воды — на разрыв этих связей требуется значительная энергия).

Почему же соли, кислоты и основания распадаются в воде на ионы? Всё дело в том, что молекулы этих веществ также являются полярными. Давайте вернёмся к нашему примеру с растворением поваренной соли .

У атома натрия на внешнем электронном уровне находится один электрон. Он слабо связан с атомом и всегда готов покинуть место своего обитания. У атома хлора на внешнем электронном уровне семь электронов — одного как раз не хватает до полного комплекта. Атом хлора всегда готов захватить себе недостающий электрон.

Поэтому при образовании молекулы внешний электрон атома натрия уходит к атому хлора, и в результате молекула становится полярной — она состоит из положительного иона и отрицательного иона . Эта молекула схематически изображена на рис. 2 (атом хлора крупнее, чем атом натрия).

Рис. 2. Молекула

Иными словами, с электрической точки зрения молекула также оказывается диполем.

Взаимодействие двух сортов диполей — молекул и — как раз и вызывает процесс растворения.

На рис. 3 мы видим, как протекает этот процесс (изображение с сайта intro.chem.okstate.edu). Более крупные зелёные шарики изображают ионы хлора, более мелкие серые — ионы натрия.

Рис. 3. Электролитическая диссоциация: растворение в воде

Левая часть рисунка показывает ситуацию до начала растворения. Крупица соли в виде небольшого кубического кристаллика (Кристаллическая решётка поваренной соли имеет кубическую структуру. В вершинах куба в шахматном порядке, крест-накрест расположены атомы натрия и хлора) только что оказалась в воде.

Сразу же начинается «электрическая атака» со стороны молекул воды. Отрицательно заряженные (кислородные) части молекул обращаются к положительным ионам натрия, а положительные (водородные) части молекулы воды — к отрицательным ионам хлора. Молекулы начинают «растягиваться» разнонаправленными электрическими силами притяжения к молекулам-диполям воды, и связь между ионами натрия и хлора, скрепляющая молекулу соли, ослабевает.

В конце концов эта связь становится настолько слабой, что удары соседних частиц, совершающих тепловое движение, разрушают молекулу . Она распадается на положительный ион и отрицательный ион .

В правой части рис. 3 мы видим результат такого распада: вырванные из кристаллической решётки ион хлора и ион натрия отправляются «в свободное плавание», окружённые прицепившимися к ним молекулами воды. Обратите внимание, что молекулы воды прилипли к отрицательному иону хлора своими положительными водородными частями, а к положительному иону натрия, наоборот, повернулись их отрицательные кислородные части. Таким образом, при растворении соли в воде появляются свободные заряды: положительные ионы и отрицательные ионы (рис. 4). Это и является необходимым условием прохождения тока через раствор.

Рис. 4. Раствор в воде

Описанный выше процесс растворения совершенно аналогично протекает и в случае других примесей.Так, щёлочь распадается в водном растворе на положительные ионы калия и отрицательные ионы гидроксильной группы . Молекула серной кислоты при распаде даёт два положительных иона и отрицательно заряженный ион кислотного остатка В растворе медного купороса появляются положительные ионы меди и отрицательно заряженные ионы

Все ли молекулы растворяемого вещества распадутся на ионы? Это зависит от ряда условий.

Степенью диссоциации

называется отношение числа распавшихся молекул к общему начальному числу молекул. При полном растворении вещества степень диссоциации равна .

Наряду с диссоциацией имеет место и обратный процесс: рекомбинация

. А именно, две частицы противоположного знака могут встретиться и снова образовать нейтральную молекулу (рекомбинировать). С течением времени в растворе устанавливается состояние динамического равновесия: среднее число диссоциаций в единицу времени равно среднему числу рекомбинаций, в результате чего концентрация раствора остаётся неизменной (вспомните аналогичную ситуацию с насыщенным паром: при динамическом равновесии пара и жидкости среднее число вылетевших из жидкости молекул равно среднему числу молекул, вернувшихся обратно из пара в жидкость, так что концентрация насыщенного пара неизменна).

Процессы диссоциации-рекомбинации записываются в виде следующих уравнений, отражающих состояние динамического равновесия:

Изменение внешних условий может нарушить текущее динамическое равновесие и сместить его в ту или иную сторону. Например, при повышении температуры увеличивается скорость диссоциации, и концентрация положительных и отрицательных ионов в растворе возрастает.

Проект «Энергетические напитки содержат электрическую энергию?»

Для того чтобы избавиться от усталости, многие люди ежедневно пьют энергетические напитки. Это позволяет почувствовать заряд бодрости. Однако, когда вы решите выпить очередную баночку такого напитка, помните, что он содержит количество электрической энергии, достаточное для того, чтобы зарядить батарейку. Если передавать электроны между двумя электродами, они создают электрический ток.

Цель – изучить различные энергетические напитки, а также узнать, сколько электроэнергии они содержат.

Что нам понадобится:

• энергетические напитки разных фирм;
• вода;
• банка;
• медная проволока без изоляции;
• цинковый гвоздь;
• вольтметр;
• наждачная бумага;
• блокнот.

Ход эксперимента:

1. Постройте таблицу и укажите ингредиенты, содержащиеся в каждом напитке. Указывайте значительные отличия.
2. Заполните банку водой, а затем прикрепите один конец проволоки к вольтметру, а второй – к гвоздю.
3. Поместите проволоку и гвоздь в банку. Убедитесь, что они не соприкасаются.
4. Запишите показатели вольтметра. Так вы измерите количество электричества в напитке.
5. Вылейте воду, очистите банку и немного очистите гвоздь и проволоку при помощи наждачной бумаги.
6. Повторите шаги 2-4, проведите подобные эксперименты с каждый энергетическим напитком. Записывайте свои наблюдения.
7. Проанализируйте данные. Какой энергетический напиток показал самый высокий электрический заряд? Удалось ли вам выявить ингредиент, который обеспечивает самый высокий заряд? Может ли этот ингредиент оказать негативное влияние на человека?

Вывод:

Могут ли энергетические напитки послужить источником питания для батареек и обеспечить различные уровни электрического заряда? Какие ингредиенты, содержащиеся в энергетических напитках, являются причиной различия уровня электричества?