Знакомство с явлением
Соединим с источником тока последовательно лампу и электролитическую ванну с дистиллированной водой, в которую опущены угольные электроды. Химически чистая вода почти не проводит ток.
Если же в воде растворить соль (например CuSO4, CuCl2), то лампочка загорится, а на катоде из раствора выделится медь.
Какие вещества проводят электрический ток
Из физики известно, что электрический ток – это направленное движение электрически заряженных частиц. Разные вещества проводят электрический ток по-разному. По способности передавать электрические заряды вещества делятся на ПРОВОДНИКИ и НЕПРОВОДНИКИ электричества.
Проводниками называют тела, через которые электрические заряды могут проходить от заряженного тела к незаряженному, в проводниках имеется очень много свободных заряженных частиц. Хорошие проводники электричества – это металлы, почва, вода с растворенными в ней солями, кислотами или щелочами, графит и некоторые виды органических веществ. Тело человека также проводит электричество. Это можно показать на опыте с электроскопом. Зарядим электроскоп с помощью эбонитовой или стеклянной палочки, стрелка отклонится Затем дотронемся до заряженного электроскопа рукой. Стрелка тотчас вернётся в исходное положение – к нулю. Заряд с электроскопа уходит в наше тело. В данном опыте с небольшим зарядом это не опасно, но ощутимо «щёлкает» по пальцам. А большие заряды и токи опасны для жизни и здоровья.
Из металлов лучшие проводники электричества – серебро, медь, алюминий. Даже в обычной водопроводной воде растворено столько всевозможных солей, что она является весьма хорошим проводником, и об этом нельзя забывать, работая с электрооборудованием в условиях повышенной влажности иначе можно получить весьма ощутимый удар током, это опасно.
Проходя через живой организм электрический ток производит разные действия: термическое – ожоги определённых участков тела, нагрев кровеносных сосудов, крови, нервов; электролитическое (или химическое) – разложение крови и других органических жидкостей; биологическое – раздражение и возбуждение живых тканей организма, что сопровождается непроизвольными судорожными сокращением мышц, в том числе мышц сердца и лёгких. В результате всего этого могут возникнуть различные нарушения в организме вплоть до полной остановки работы сердца и лёгких.
Непроводниками называют такие тела, через которые электрические заряды не могут переходить от заряженного тела к незаряженному, так как в диэлектриках очень мало свободных заряженных частиц. Непроводниками электричества, или диэлектриками, являются эбонит, янтарь, фарфор, резина, различные пластмассы, шелк, капрон, масла, воздух (газы), стекло, плексиглас, сухое дерево и бумага. Изготовленные из диэлектриков тела называются ИЗОЛЯТОРАМИ (от итальянского слова ИЗОЛЯРО – уединять).
Проводники служат для передачи на расстояние электрической энергии (электрического тока), именно из них, в основном, изготавливаются высоковольтные электрические кабели, бытовая электропроводка. Изоляторы используются для обособления, изолирования проводников и обеспечения безопасности людей при работе с электроприборами. Для передачи электроэнергии необходимо собрать замкнутую электрическую цепь, в которую входят источник электрической энергии, проводники, по которым от этого источника электрический ток поступает к потребителям электрической энергии, и сами потребители.
При проведении опытов по электричеству всегда используются и проводники, и диэлектрики. Например, используя два электроскопа, мы зарядили один из них отрицательным зарядом, полученным на эбонитовой палочке при её трении о шерсть. При этом стрелка электроскопа отклонилась, показывая наличие заряда на нём. Если затем взять металлический стержень на изолирующей пластмассовой рукоятке и соединить заряженный электроскоп с незаряженным, то по проводящему ток стержню заряды частично перейдут на второй электроскоп , а вот разрядки электроскопа, как в случае его касания голой рукой, не происходит, так как рукоятка не проводит ток к руке человека. Именно поэтому рукоятки различных инструментов, например отвёрток, плоскогубцев, кусачек, делают из непроводящих материалов.
Основные меры защиты от поражения электрическим током:
• обеспечение недоступности токоведущих частей, находящихся под напряжением, для случайного прикосновения,
• защитное заземление, защитное отключение электроприборов;
• использование по возможности низких напряжений, особенно во влажных помещениях;
• применение двойной изоляции.
Знание и соблюдение правил техники безопасности при работе с электрическим током и различными электроприборами обязательно и для взрослых, и для детей. Чтобы учащимся младших классов было легче запомнить эти правила, можно использовать различные запоминающиеся плакаты, стихи. Примеры я подобрал из различных источников, кое-что придумал сам и оформил как советы по электробезопасности в приложении 1 к моей работе. В приложении 2 приведены меры первой помощи при поражении электрическим током.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ
Электропроводность веществ можно испытать с помощью специального прибора, но мы использовали обычную электрическую цепь. Главный элемент любой электрической цепи – источник электрического тока. Без него электрическая цепь не будет работать. Когда вы включаете в розетку вилку питающего шнура телевизора, для электрического утюга, чайников и других электроприборов – потребителей электрической энергии, то вы, по сути, подключаетесь к электростанции – производителю этой электроэнергии.
Для того чтобы проверить электропроводность твердых веществ, я собрал электрическую цепь , в которую входили: источник тока, ключ для замыкания и размыкания цепи, лампа для того, чтобы проверить, есть ток или нет, и контакты для подключения вещества в цепь.
Когда контакты помещают в вещество, становится ясно, проводит ли это вещество ток. Если вещество проводит электрический ток, цепь замыкается, и лампочка загорается . Если вещество неэлектропроводно, цепь остается разомкнутой, и лампочка не горит.
Опыт 1. Исследование твердых веществ.
В таблице 1 указаны десять твердых веществ, которые мы исследовали на электропроводность. В результате проверки выяснилось,
латунь + орг. стекло –
древесина – резина – что алюминий, сталь, латунь, медь проводят электрический ток, а древесина, пластмасса, стекло, оргстекло, магнит и резина не проводят электрический ток.
Опыт 2. Исследование жидких веществ.
Для того, чтобы проверить электропроводность жидких веществ, мы изменили электрическую цепь (рис. 5). Кроме источника тока и ключа в цепь добавили амперметр вместо лампы и электролитический стакан вместо контактов.
раствор поваренной соли +
раствор медного купороса +
раствор морской соли +
В электролитический стакан мы помещали разные жидкости. Если у амперметра при замыкании цепи стрелка отклонялась, значит, данная жидкость проводит электрический ток.
В результате нашего эксперимента выяснилось, что раствор поваренной соли, медного купороса и морской соли проводит электрический ток, а чистая вода и сахарный сироп – нет .
Проведённые опыты подтвердили, что некоторые вещества хорошо проводят ток, это различные металлы и растворы солей. Другие твёрдые и жидкие вещества являются диэлектриками, т. е. непроводниками, это пластмассы или резина, из которых делают изоляцию электропроводов и корпуса электрических приборов, и многие другие вещества.
Моя работа достаточно важна для меня и других школьников, так как для безопасной работы с электрическими приборами дома и в школе нужно знать, как поступать в некоторых жизненных ситуациях. Например, человека ударило током от оборванного провода. Ни в коем случае нельзя трогать этот провод и человека голыми руками. Нужно отодвинуть провод с помощью какого-то не проводящего ток предмета, например сухой деревянной палки.
Чтобы научить учеников младших классов правилам электробезопасности, можно использовать подготовленные мной советы.
Исследование диэлектриков
Вещества, которые не обладают электропроводностью, называются диэлектриками или непроводниками электрического тока. Молекулы такого тела нейтральные, в них количество положительных и отрицательных зарядов одинаковое. Но, несмотря на это частицы тела всё равно обладают электрическими свойствами. В общем виде связанные атомы можно рассматривать как диполь, обладающий моментом: P = q * l, где q — общий заряд всех частиц в диэлектрике, l — расстояние между центрами частиц.
При повороте диполей происходит деформирование связей, создаются индуцированные моменты. Если к непроводнику не приложено внешнее поле, то из-за беспорядочного движения они ориентированы хаотично. Поэтому их сумма равна нулю. Если же диэлектрик внести в электромагнитное поле, то возникнет поляризация. В любом элементарном объёме будет существовать дипольный момент отличный от нуля.
Существует несколько видов поляризации, вот основные из них:
- Ориентационная. Приложенное поле стремится развернуть диполи вдоль своего направления. Этому мешает тепловое движение. В результате возникает преимущественная ориентация по направлению линий электромагнитной индукции. Она зависит от значения электродвижущей силы и температуры.
- Электронная. Другое её название — деформационная. При этом типе возникают индуцированные диполи. Тепловые колебания не оказывают влияние на поляризацию. Этот вид характерен для поликристаллической керамики, перовскита CaTiO3.
- Ионная. Может существовать только в плотных диэлектриках, структура которых обусловлена кристаллической решёткой. При этом происходит разделение положительных и отрицательных ионов по примеру проводников. Причём первые смещаются вдоль направления электрического поля.
Таким образом, любой материал, по сути, может проводить электрический ток. Но в диэлектриках его сила настолько мала, что им пренебрегают. При этом для его появления нужно приложить напряжение большой силы.
Электрические свойства диэлектрического материала характеризуются диэлектрической проницаемостью среды. Её физический смысл заключается в показывании во сколько раз электростатическое поле внутри непроводника меньше, чем в вакууме: E = E0 / Eв. Например, для полиэтилена E = 2,3; стекла — 10; воды — 81; воздуха — 1,00057. Что интересно, диэлектрическая проницаемость может обладать дисперсией.
Закон электролиза Фарадея
Масса вещества, выделившегося на электроде за время Dt при прохождении электрического тока, пропорциональна силе тока и времени:
k – электрохимический эквивалент вещества ().
Сопротивление электролита уменьшается с ростом температуры, т. к. увеличивается количество ионов вследствие электролитической диссоциации.
Закон Фарадея позволяет определить заряд электрона:
Вывод о существовании в природе элементарного электрического заряда был сделан Гельмгольцем в 1881 г.
Опыт с электроскопом
Простейшим прибором для обнаружения электрического заряда является электроскоп. Своё название устройство получило от греческого слова skopeo — наблюдать. Первый прибор был создан физиком Уильямом Гильбертом в 1600 году. Его принцип действия основан на способности разноимённых зарядов притягиваться, а одноимённых — отталкиваться. Простейший электроскоп состоит из металлического стержня, на конце которого закреплён проводящий электричество шар. С обратной стороны через скобу прикреплены два лепестка из тонкой бумаги. Стержень установлен в прозрачный сосуд.
Для проведения опыта понадобится выполнить следующее:
Эти эксперименты показывают, что любой материал обладает электрическим зарядом. Но несмотря на это диэлектрик является изолятором, то есть не пропускает через свою структуру электрический ток. В то же время если он начинает проходить, то в этом случае говорят о пробое. Зависит параметр от величины напряжения и толщины электроизоляционного материала.
Существует разновидность электроскопа — электрометр. В нём вместо лепестков используется стрелка и проградуированная шкала. Поэтому с его помощью можно не только обнаружить заряд, но и определить его количественное значение.
Формулы вычисления тока в конденсаторе
Ёмкость конденсатора, включенного в цепь переменного тока, рассчитывается по формуле: C = q / U, где:
- С — ёмкость;
- q — заряд одной из пластин;
- U — напряжение внутри.
Ёмкость Конденсаторы бывают разной формы, поэтому и их расчёт осуществляется по нескольким формулам:
- плоский — C = E × E0 × S / d;
- цилиндрический — С=2 π × E × E0 × l / ln(R2 / R1);
- сферический — C = 4 π ×E × E0 × R1 × R2 / R2 — R.
Обратите внимание! Сопротивление в переменной цепи, которое может оказывать резистор, включённый в электрическую цепь, вычислить нельзя, так как она считается бесконечно большим. Однако в данном случае, это можно сделать по формуле: Хс = 1 / 2πvC = 1 / wC.
Вам это будет интересно Установка УЗО в квартире
Напряжение конденсатора в цепи переменного тока вычисляется по следующей формуле: Wp = qd E / 2.
Напряжение рассчитывается по определенной формуле
Чтобы рассчитать напряжение на конденсаторе в цепи переменного тока, необходимо воспользоваться актуальными формулами.
Применение электролиза
Рафинирование (очистка) металлов
Процесс происходит в электролитической ванне. Анодом служит металл, подлежащий очистке, катодом – тонкая пластинка из чистого металла, а электролитом – раствор соли данного металла, например при рафинировании меди – раствор медного купороса.
При определенных условиях на катоде выделяется чистая медь, а примеси выпадают в виде осадка или переходят в раствор.
Электрометаллургия
Некоторые металлы, например алюминий, получают методом электролиза из расплавленной руды. Электролитической ванной и одновременно катодом служит железный ящик с угольным подом, а анодом – угольные стержни. Температура руды (около 9000 С) поддерживается протекающим в ней током. Расплавленный алюминий опускается на дно ящика, откуда его через отверстие выпускают в форму для отливки.
Гальваностегия
Электролитический способ покрытия металлических изделий слоем благородных металлов не поддающихся окислению.
Гальванопластика
Используется для воспроизведения формы рельефных предметов (медалей, монет, точных копий художественных изделий).
Источник
Электрический ток и его основные характеристики. Электропроводность веществ
Свободные электроны находятся в состоянии беспорядочного движения (рис. 1.8.а). Если внести электрический проводник в электрическое поле, то свободные электроны под действием сил поля начнут перемещаться в сторону положительного полюса, создавая электрический ток. Поэтому электрическим током I в металлических проводниках
называется
упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц (электронов)
(рис. 1.8.б).
Рисунок 1.8. Схема возникновения электрического тока в металлических проводниках:
а) беспорядочное движение электронов; б) упорядоченное движение электронов
Электрическое поле распространяется со скоростью 300000 км в секунду, с такой же скоростью проходит электрический ток, хотя электроны движутся со скорость несколько мм или см в секунду.
Единица измерения силы тока — ампер A: это такой ток, при котором через поперечное сечение проводника каждую секунду проходит 1 кулон электричества.
При движении свободных электронов в проводнике они сталкиваются с ионами и атомами вещества, из которого сделан проводник, и передают им часть своей энергии, которая выделяется в виде тепла, нагревающего проводник.
Электроны, сталкиваясь с частицами проводника, преодолевают это сопротивление движению, т.е. проводники обладают электрическим сопротивлением.
Противодействие проводника прохождению электрического тока
называется
электрическим сопротивлением R.Единицы измерения —Ом. Сопротивлением 1 Ом обладает проводник, по которому проходит ток 1 А при разности потенциалов на его концах (напряжении), равной 1 В.
Если сопротивление мало, проводник слабо нагревается током. Если сопротивление велико, проводник может раскалиться.
Провода, проводящие электрический ток к электрической плитке, почти не нагреваются, т.к. их сопротивление мало. Спираль плитки, обладающая большим сопротивлением, раскаляется докрасна. Ещё сильнее накаляется нить электрической лампы.
Свойство вещества проводить электрический ток под действием электрического поля
называется
электропроводностью G. Электропроводность– величина обратная сопротивлению. Единица измерения – сименс (См). G=1/R (См).
Электропроводность веществ зависит от концентрации свободных электрически заряженных частиц. Чем больше концентрация этих частиц, тем больше электропроводность данного вещества.
Все вещества в зависимости от электропроводимости условно делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики.
Проводники обладают очень высокой электропроводностью. Существует два рода проводников, которые различаются физической природой протекания электрического тока.
· Это металлы
– ток в них обусловлен движением свободных электронов (электронная проводимость) и;
Что мы узнали?
Деление на проводники и непроводники электричества проводится в зависимости от количества свободных электрических зарядов в веществе. Проводники – это вещества, в которых имеется много свободных электрических зарядов, типичные представители – металлы. Непроводники (диэлектрики, изоляторы) – это вещества, в которых мало или вовсе нет свободных электрических зарядов, типичные представители – стекло, пластмасса. Кроме того, существуют полупроводники, занимающие промежуточное положение, например, кремний.
