Przewodniki i izolatory prądu elektrycznego. Przepływ prądu ..., Publikacje z Transport

Pobierz Przewodniki i izolatory prądu elektrycznego. Przepływ prądu ... i więcej Publikacje w PDF z Transport tylko na Docsity! Przewodniki i izolatory prądu elektrycznego. Przepływ prądu w przewodnikach Wstęp do tematu: Przewodniki i izolatory prądu elektrycznego. Przepływ prądu w przewodnikach. Zasób zawiera: ogólny wstęp do tematu, fotografię izolatora ceramicznego, odwołanie do wcześniejszej wiedzy ucznia oraz cele lekcji sformułowane w języku ucznia. Zasób zawiera: określenia: przewodników elektronowych, przewodników jonowych i izolatorów; zdjęcie przewodu miedzianego; rysunek schematyczny kabla elektrycznego; wymienione przewodniki elektryczne; rysunek przedstawiający budowę atomu miedzi wraz z wyjaśnieniem; rysunek przedstawiający siatkę krystaliczną miedzi z wyróżnieniem jonów dodatnich i swobodnych elektronów; polecenie dla ucznia związane z instalacja piorunochronu; określenie przewodnika elektronowego; ciekawostkę dotyczącą kolorów oznaczenia przewodów w kablu elektrycznym wraz ze zdjęciem kabla; określenie przewodnictwa jonowego; film przedstawiający zmianę właściwości elektrycznych szkła pod wpływem ogrzewania (czas: 0:46s); wyjaśnienie przewodnictwa elektrycznego gazów, określenie pojęcia jonizacji; zdjęcie korony słonecznej jako przykładu zjonizowanej mieszaniny gazów; tabelaryczne zestawienie pt. Nośniki ładunku elektrycznego; ciekawostkę związaną z budową (rysunek) i działaniem akumulatora; ciekawostkę związaną z plazmą (ogólnikowo); ćwiczenie interaktywne-zadanie prawda/ fałsz (do wyboru trzy stwierdzenia). Zasób zawiera: określenie izolatora (dielektryka) wraz z wyjaśnieniem budowy elektrycznej; tabelaryczne zestawienie przykładów izolatorów w zależności od stanu skupienia; ciekawostkę dotyczącą półprzewodnika wraz ze zdjęciem półprzewodnika krzemowego; cztery ćwiczenia interaktywne: przyporządkowanie substancji do kategorii przewodnik/izolator, krzyżówka, zadanie wyboru odpowiedzi z listy rozwijanej w tekście, zadanie prawda/fałsz zawierające trzy sformułowania. Zasób zawiera czternaście sformułowań podsumowujących dotyczących przewodników i izolatorów prądu elektrycznego oraz dwa polecenia dla ucznia w postaci opracowania odpowiedzi na pytania czy węgiel jest dobrym przewodnikiem prądu elektrycznego oraz sposobu zobojętnienia balonu. Zasób zawiera wyjaśnienie pojęć: argon, elektrolit, elektrony swobodne, elektrony walencyjne, gazy szlachetne (helowce), krypton (Kr), ksenon (Xe), neon (Ne),plazma, powłoka walencyjna, półprzewodnik, przewodnik jonowy; biogram: Karol Olszewski. Źródło: Marekich (hp://commons.wikimedia.org), Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY-SA 3.0. Metale oraz ich stopy są dobrymi przewodnikami prądu elektrycznego i ciepła. Do tej grupy zaliczają się m.in. złoto, srebro, platyna, miedź, aluminium, rtęć, stal i żeliwo. Co sprawia, że mają one takie właściwości? Źródło: Pumbaa, Greg Robson (hp://commons.wikimedia.org), edycja: Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY-SA 2.0. W centrum atomu znajduje się dodatnio naładowane jądro, wokół którego krążą elektrony. W metalach elektrony najdalszych powłok, tzw. elektrony walencyjne, mogą się łatwo odłączyć (działanie jądra na taki elektron jest bardzo słabe). Po odłączeniu stają się one elektronami swobodnymi, które mogą przemieszczać się w objętości przewodnika, tak jak można to było zaobserwować w doświadczeniu z „tresowaniem puszki”. Źródło: Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY 3.0. Polecenie 1 Piorunochron to instalacja, która ma chronić obiekty przed skutkami wyładowań atmosferycznych. Gdyby twoim zadaniem było zabezpieczenie domu przed uderzeniem pioruna, to z jakiego materiału byłby wykonany twój piorunochron: dobrego przewodnika czy izolatora? Odpowiedź uzasadnij. Spróbuj sporządzić projekt takiej instalacji. przewodnik elektronowy – ciało, w którym przenoszenie ładunku elektrycznego realizowane jest przez elektrony. Przewodnikami są głównie metale, m.in. miedź, aluminium, żelazo i złoto. Ciekawostka Typowy kabel (przewód instalacyjny) domowej instalacji elektrycznej składa się zwykle z trzech żył miedzianych (w starszych instalacjach – z żył aluminiowych) izolowanych od siebie, umieszczonych w zewnętrznej powłoce ochronnej. Każda z żył pełni określoną funkcję. Brązowy kolor izolacji oznacza żyłę, która podczas pracy znajduje się pod napięciem elektrycznym. Jest to tzw. przewód fazowy. Jego dotknięcie grozi śmiercią! Przewód, który zawsze jest koloru żółto‐zielonego, nazywany jest przewodem ochronnym. Jego rolą jest zabezpieczenie przed porażeniem prądem elektrycznym (uziemienie). Kolorem niebieskim oznacza się przewód neutralny (tzw. zero robocze). Przewód domowej instalacji elektrycznej 1.2. Przewodniki jonowe Zapamiętaj! Przewodnictwo jonowe możliwe jest również w niektórych ciałach stałych, np. w szkle. Szkło w normalnych warunkach jest izolatorem, jednak wraz ze wzrostem temperatury staje się przewodnikiem jonowym. Film dostępny na portalu epodreczniki.pl Źródło: Tomorrow Sp.z o.o., licencja: CC BY 3.0. Ćwiczenie 1 Oceń prawdziwość zdań. Prawda Fałsz Do przewodników jonowych zaliczają się ciecze i gazy. □ □ Elektrony swobodne są nośnikami prądu w metalach. □ □ Przewodnikami prądu elektrycznego są tylko metale. □ □ Źródło: Magdalena Grygiel <[email protected]>, licencja: CC BY 3.0. 2. Izolatory prądu elektrycznego W przeciwieństwie do przewodników izolatory (dielektryki) nie mają swobodnych nośników ładunku elektrycznego (elektronów lub jonów), które mogłyby się swobodnie w nich przemieszczać. Dzieje się tak, ponieważ jądro atomowe i elektronypowłok walencyjnych silnie na siebie oddziałują. Izolatorami mogą być ciała stałe, ciecze oraz gazy. Izolatory prądu elektrycznego Stan skupienia izolatora Przykłady ciała stałe tworzywa sztuczne – plastik, guma, szkło, papier, drewno ciecze woda destylowana gazy suche powietrze izolator – substancja bardzo słabo przewodząca prąd elektryczny, charakteryzująca się w szerokim zakresie temperatur brakiem swobodnych nośników ładunku elektrycznego. Ciekawostka Półprzewodnik. Półprzewodniki są materiałami, które przewodzą prąd gorzej niż przewodniki, ale lepiej niż izolatory. Najważniejszą cechą półprzewodników jest to, że możemy zmieniać ich właściwości przez wprowadzenie domieszek (atomów pierwiastkówz 3. lub 5. grupy układu okresowego). W ten sposób możemy otrzymać materiały, z których buduje się diody (również świecące), tranzystory, układy scalone, elementy pamięci do komputerów lub baterie fotowoltaiczne (za ich pomocą możemy zamieniać energię słoneczną na energię elektryczną). We wszystkich półprzewodnikach opór maleje ze wzrostem temperatury (odwrotnie niż w przewodnikach). Wynika to z tego, że wraz ze wzrostem temperatury rośnie liczba swobodnych nośników ładunku. Najpowszechniej wykorzystywanym półprzewodnikiem jest krzem. Źródło: KOJI (hp://commons.wikimedia.org), edycja: Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY-SA 3.0. Ćwiczenie 2 Przyporządkuj wypisane substancje (przedmioty) do odpowiedniej kategorii. wodny roztwór kwasu siarkowego, plaskowa rurka, szklanka, złoty pierścionek, kawałek papieru, miedź, aluminiowy drucik, grafit, styropianowy kubek, drewniany blat stołu Przewodniki Izolatory Źródło: Magdalena Grygiel <[email protected]>, licencja: CC BY 3.0. Ze względu na łatwość, z jaką ciała przewodzą prąd elektryczny, dzielimy je na przewodniki i izolatory. O właściwościach elektrycznych ciał decyduje ich budowa wewnętrzna. Ważną rolę odgrywają elektrony walencyjne. Elektron walencyjny to elektron znajdujący się na ostatniej (najbardziej zewnętrznej) powłoce atomu. Liczba elektronów walencyjnych oraz to, jak mocno są one związane z rdzeniem atomu, wpływają na wiele własności fizycznych pierwiastka, m.in. na przewodnictwo cieplne i elektryczne. Przewodnictwo może być elektronowe lub jonowe. Przewodnik elektronowy to ciało, w którym ładunek elektryczny przenoszą elektrony walencyjne. Do przewodników elektronowych zaliczamy głównie metale, m.in.: miedź, aluminium, żelazo i złoto. W przewodniku jonowym nośnikami ładunku są jony dodatnie lub ujemne. Przepływowi prądu elektrycznego towarzyszy widoczny transport masy. Przewodnictwo jonowe zachodzi w cieczach, ciałach stałych i gazach. Ciecze, które przewodzą prąd elektryczny, to elektrolity. Elektrolity zapewniają przepływ prądu elektrycznego w ogniwach i bateriach elektrycznych oraz akumulatorach samochodowych. Aby gaz mógł być przewodnikiem prądu elektrycznego, musi zostać wcześniej zjonizowany. Jonizacja gazu to zjawisko przekształcania atomów (cząsteczek) gazu w jony; zachodzi pod wpływem czynników zewnętrznych – temperatury, promieniowania lub pola elektrycznego. Przewodnictwo jonowe gazów znalazło zastosowanie w technice oświetleniowej (świetlówki, lampy neonowe). Izolator to substancja, która nie przewodzi prądu elektrycznego i charakteryzuje się niską koncentracją nośników ładunku. Do izolatorów zalicza się m.in.: gumę, styropian, suche drewno, wodę destylowaną i suche powietrze. Izolatory znajdują szerokie zastosowanie jako materiały zabezpieczające przed porażeniem prądem elektrycznym. Należą do nich: guma, szkło, suche drewno, tworzywa sztuczne. Istnieje jeszcze jedna klasa materiałów – tzw. półprzewodniki. Półprzewodnik to materiał, który przewodzi prąd elektryczny gorzej niż przewodnik, ale lepiej niż izolator. Najważniejszą cechą półprzewodników jest to, że możemy zmieniać te właściwości przez wprowadzenie pewnej liczby domieszek. Półprzewodniki (krzem, german) znalazły zastosowanie głównie w produkcji elementów elektronicznych, takich jak tranzystory, diody, układy scalone i elementy pamięci. Istotną cechą wszystkich półprzewodników ich zdolność przewodzenia prądu, która rośnie wraz ze wzrostem temperatury (odwrotnie niż w przewodnikach). Wynika to z tego, że im wyższa temperatura, tym większa liczba swobodnych nośników ładunku. Praca domowa Polecenie 2.1 Substancje chemiczne mogą występować w różnych odmianach alotropowych. Jedną z takich substancji jest węgiel. Znajdź informacje dotyczące budowy wewnętrznej i właściwości elektrycznych dwóch odmian tego pierwiastka – diamentu i grafitu. Określ, czy stwierdzenie: „Węgiel jest dobrym przewodnikiem prądu elektrycznego” jest prawdziwe, czy – fałszywe. Uzasadnij odpowiedź w maksymalnie 5 zdaniach. Polecenie 2.2 Aby zobojętnić metalową kulę, wystarczy dotknąć ją w jednym miejscu. Czy aby zobojętnić balon, można postąpić tak samo? Uzasadnij swoją odpowiedź w 2–3 zdaniach. Słowniczek argon (Ar) – gaz szlachetny, w 1895 r. został skroplony przez polskiego fizyka i chemika Karola Olszewskiego. Wykorzystywany jest w przemyśle elektronicznym (dyski twarde komputerów) oraz w technice oświetleniowej. elektrolit – wodny roztwór kwasu, zasady lub soli dobrze przewodzący prąd elektryczny, np. wodny roztwór kwasu siarkowego. elektrony swobodne – elektrony niezwiązane lub słabo związane z atomami w metalach. Mogą poruszać się swobodnie w całej objętości substancji; odpowiadają za jej dobre właściwości cieplne i elektryczne. elektrony walencyjne – elektrony znajdujące się na ostatniej (najbardziej zewnętrznej) powłoce atomu. Liczba elektronów walencyjnych oraz to, jak mocno są one związane z rdzeniem atomu, wpływają na wiele właściwości fizycznych pierwiastka, m.in. na przewodnictwo cieplne i elektryczne. gazy szlachetne (helowce) – bezbarwne i bezwonne gazy, które są słabo rozpuszczalne w wodzie. Zaliczamy do nich: hel, neon, argon, krypton, ksenon i radon. Charakteryzują się niezwykle niską aktywnością chemiczną; nie tworzą trwałych związków chemicznych. krypton (Kr) – gaz szlachetny stosowany jako wypełniacz w żarówkach i szybach zespolonych. ksenon (Xe) – gaz szlachetny wykorzystywany do produkcji jarzeniówek, lamp błyskowych i żarówek o dużej mocy. neon (Ne) – bezbarwny i bezwonny gaz szlachetny. Stosowany do wypełniania lamp neonowych oraz jako substancja robocza w laserach helowo‐neonowych. Źródło: nn. (hp://commons.wikimedia.org), public domain. Karol Olszewski 29.01.1846–24.03.1915 Polski fizyk i chemik, prekursor badań dotyczących niskich temperatur. Jako pierwszy skroplił tlen, azot i argon. plazma – zjonizowana materia będąca gazem zawierającym jednakową liczbę jonów dodatnich i  elektronów swobodnych. Uznawana za czwarty stan skupienia materii. powłoka walencyjna