Что такое электричество, проводник и изолятор?

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?

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,
    • ρ – удельное сопротивление в ом-метрах,
    • L – длина провода в метрах,
    • S – площадь его сечения в метрах квадратных.
  9. 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?

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.
Интенсивность света/ жидкостьЯркийСредней яркостиСлабыйНет светаТип электролита
Дистиллированная
Из-под крана
Минеральная
Дождевая
Раствор соли
Раствор сахара
Газированная
Уксус

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.

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.
Бытовой предметПроводникИзолятор
СкрепкаX
Деревянная ложкаX
Монета
Резиновая лопатка

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?

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

Что произошло, когда я:Наблюдения и реакции
1Положил сверху руку
2Поднес лампу
3Взял в руку лампу, когда стоял на стуле
4Взял в руку лампу, когда стоял на полу
5Положил сверху монету
6Тронул монету другой монеткой

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?

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?

Заключение

Мы провели познавательные эксперименты с электричеством и узнали об этом явлении много нового. Мы на практике разобрались в его свойствах и теперь у вас должно сложиться четкое понимание, как правильно с ним обращаться. Если это направление заинтересовало вас, попробуйте расширить свои исследования и изучить такую важную тему, как потребление энергии.

В наше время с каждым днем становится актуальнее вопрос о том, как правильно рассчитать расход электроэнергии. Поскольку ее затруднительно хранить в больших количествах, необходимо соблюдать баланс: генерировать ее ровно столько, сколько потребляется пользователями. Для этого необходимо уметь точно рассчитать потребление электроэнергии и тщательно прогнозировать нагрузку на производственные мощности. Поэтому результаты такого исследования будут иметь большое значение!

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector