XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Электрическая проводимость или сопротивление наоборот

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Мильчев В.А. 1

---

1МАОУ "Лицей №97 г.Челябинска"

Климова Л.В. 1

---

1МАОУ «Лицей № 97 г. Челябинска»

Работа в формате PDF

3.9 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ.

Однажды папа укладывал дома электрические провода, они были все разной толщины и мне стало интересно, почему? Оказалось, чем больше устройство потребляет электричества, тем толще нужен кабель.

Как потом оказалось, толщина провода не единственное, что влияет на то, чтобы провода хорошо пропускали электрический ток. Узнать причины хорошего и плохого пропускания тока я хочу в этой работе.

Мы определили цель работы: исследовать проводимость электрического тока и на опытах показать, а при возможности, замерить когда электрический ток пропускается хорошо, а когда плохо и в каких случаях ток не идёт совсем.

Для выполнения цели мы поставили задачи:

изучить от чего может зависеть проводимость электрического тока;

собрать установки для испытаний;

составить графики зависимости проводимости от разных причин;

собрать установку для передачи электричества по воздуху.

Объект исследования: электрический ток.

Предмет исследования: свойства электрического тока.

В ходе работы мы использовали методы: изучение научно-популярной литературы и средств Интернета, анализ собранной информации и обобщение сведений, изготовление установок в домашних условиях, проведение опытов.

Актуальность работы заключается в том, что люди каждый день пользуются электричеством и в современном мире без него не прожить.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1.1 Что такое электрический ток?

Электрический ток — это направленное движение частиц — носителей электрического заряда.

Различают постоянный и переменный электрические токи, а также всевозможные разновидности переменного тока. В таких понятиях часто слово «электрический» опускают. Постоянный ток — ток, направление и величина которого не меняются во времени. Постоянный ток используют там, где применяются аккумуляторы и батарейки: ноутбуки, электромобили, фонарики, мобильные телефоны, шуруповёрты и прочее.

Переменный ток — электрический ток, изменяющийся во времени Под переменным током понимают любой ток, не являющийся постоянным. Переменный ток используют в промышленности и жилых домах. Устройств, которые используют переменный ток очень много: станки, металлургические печи, трамваи, троллейбусы, компьютеры и лампочки освещения в каждом доме.

Основные типы проводников:

металлы — в них электрические заряды переносят электроны;

плазма — ионизированный газ. В газах заряды переносятся ионами и электронами;

электролиты — вещества, растворы которых проводят электрический ток, заряды переносятся ионами.(ПРИЛОЖЕНИЕ А).

Я буду исследовать на проводимость металлы, диэлектрики и воздух.

1.2 Откуда берётся электричество?

В природе нет естественных источников электрической энергии. Электричество производят с помощью генераторов на электростанциях. Генератор похож на электрический мотор. Разница в том, что мотор крутится используя электричество, а генераторы вращают, что бы это электричество получить. Силой, которая вращает генераторы может быть вода в реках. Такие электростанции называют — гидроэлектростанции (от греч. hydor — вода). Другие предприятия используют тепловую энергию пара, который вращает генераторы на тепловых электростанциях. Атомные электростанции тоже используют силу пара для производства электроэнергии. Для производства этого пара используется ядерный реактор.

К сожалению электрическую энергию нельзя накопить в больших объёмах, поэтому вся произведённая электроэнергия должна быть сразу израсходована.

1.3 Преобразование электрического тока.

Основные характеристики электрического тока — это напряжение и сила тока. Их можно взаимно преобразовывать друг в друга. Устройства, которые это делают, называются трансформаторы. Трансформаторы стоят рядом с электростанцией, они уменьшают силу произведённого тока увеличивая напряжение, для того чтобы уменьшить потери на нагрев проводов по которым ток идёт от электростанции к нашим домам. А рядом с домами стоит другой трансформатор, который совершает обратное преобразование (понижает напряжение повышая при этом силу тока).

Стандартное напряжение в квартирах 230 вольт. В домах бывает и 380 вольт.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Исследование зависимости проводимости от температуры проводника

Опыт 1

Для исследования нам понадобится: кусок медной проволоки 28 метров диаметром 0,14 мм, прибор для измерения сопротивления, фен технический, газовая горелка, баллон сжиженного газа для охлаждения, пирометр.

Для определения проводимости меряют сопротивление проводников, а проводимость считают из уравнения G = 1 : R. Ещё говорят, что проводимость — это величина обратная сопротивлению, то есть во сколько раз растёт сопротивление, во столько раз уменьшается проводимость и наоборот. Представить это можно, если вы пытаетесь пробежать через толпу людей. Двигаться вы будете очень медленно по сравнению с тем, если бы вы бежали по пустой улице. Чем больше людей, тем меньше ваша скорость. Единицы измерения проводимости — сименсы, а сопротивления — омы.

Собираем установку. Берём металлическую линейку длиной 2 метра, наматываем по длине проволоку, так чтобы витки не касались друг друга. Подсоединяем концы проволоки к прибору для измерения сопротивления.

Измеряем сопротивление проволоки при комнатной температуре +22 градуса. Сопротивление равно 25,2 ом.

Нагреваем проволоку феном — температура участка проводника 650 градусов. Сопротивление равно 26,8 ом.

Нагреваем проволоку газовой горелкой — температура участка проводника 1950 градусов. Сопротивление равно 34,3 ом.

Охлаждаем проволоку сжиженным газом — температура -20 градусов. Сопротивление равно 22,8 ом.(ПРИЛОЖЕНИЕ Б).

Видим, что при изменении температуры проволоки меняется её сопротивление. Чем выше температура, тем выше сопротивление, а значит ниже проводимость.

Таким образом на опыте мне удалось подтвердить ухудшение

проводимости с повышением температуры проволоки.

Таблица 1

2.2 Исследование зависимости проводимости от диаметра проводника.

Опыт 2.

Для исследования нам понадобится: кусок медной проволоки 28 метров диаметром 0,14 мм, два куска медной проволоки по 28 метров диаметром 0,51 мм, кусок медной проволоки 28 метров диаметром 1,78 мм, прибор для измерения сопротивления.

Замеряем сопротивление провода диаметром 0,14 мм — 16,6 Ом.

Замеряем сопротивление провода диаметром 0,51 мм — 2,2 Ом.

Замеряем сопротивление провода диаметром 1,78 мм — 0,03 Ом.

(ПРИЛОЖЕНИЕ В).

При увеличении диаметра проволоки её сопротивление уменьшается.

Этим опытом мы подтвердили, что толстый проводник лучше проводит электричество, чем тонкий.

2.3 Исследование зависимости проводимости от длины проводника.

Опыт 3.

Для исследования нам понадобится: кусок медной проволоки 28 метров диаметром 0,14 мм, прибор для измерения сопротивления.

Замеряем сопротивление провода длиной 28 м. Сопротивление равно 25,2 Ом. Отрезаем кусок провода 14 м, замеряем сопротивление. Оно равно 12,4 Ом. Отрезаем кусок провода 7 м, замеряем сопротивление. Оно равно 6,5 Ом. (ПРИЛОЖЕНИЕ Г).

Из графика видно, что при уменьшении длины проволоки уменьшается сопротивление. Во сколько раз уменьшается длина проволоки, во столько же раз уменьшается сопротивление.

Этим опытом мы подтвердили, что короткий проводник лучше проводит электричество, чем длинный.

2.4Исследование зависимости проводимости от материала проводника.

Опыт 4.

Для исследования нам понадобится: четыре куска проволоки разных материалов, но одинаковой длины и диаметра. Медная проволока, алюминиевая проволока, стальная проволоки и нихромовая проволока, прибор для измерения сопротивления, штангенциркуль

Меряем сопротивление каждой проволоки, получаем данные:

Таблица 2

Диаметры всех проволок, кроме нихромовой примерно равны.(ПРИЛОЖЕНИЕ Д).Попрошу папу пересчитать значение её сопротивления так, как если бы она была диаметром 0,5мм. Получаем данные:

Таблица 3

Самое низкое сопротивление, а значит, лучшая проводимость у медных проводов, поэтому электропроводку в машинах, домах и на заводах делают из меди. Алюминий тоже применяют, но в кабелях на уличных столбах, которые соединяют дома с электростанциями. Алюминиевый кабель легче медного в 2 раза, а значит нужно меньшее количество опор. Стальные провода бывают очень редко. Нихром используют в электрических чайниках, за счёт высокого сопротивления он нагревается при прохождении тока и кипятит воду.(ПРИЛОЖЕНИЕ Е).

2.5Исследование проводимости диэлектриков.

Опыт 5.

Для исследования нам понадобится: кусок полиэтиленовой трубы, кусок резиновой трубы, кусок пластика, сухая деревяшка, керамический изолятор для электроопор, прибор для измерения сопротивления.

Замеры каждого образца показали бесконечное сопротивление, то есть полное отсутствие проводимости ими электрического тока. Это свойство диэлектриков широко применяется в технике для изоляции проводов.

Диэлектриком покрывают ручки инструмента для работы с электроприборами, чтобы человека не ударило током.

На керамические изоляторы подвешиваются провода на электроопорах.(ПРИЛОЖЕНИЕ Ё).

2.6Исследование проводимости воздуха.

Опыт 6.

В обычном состоянии воздух не проводит электричество. Для этого должна произойти его ионизация. Это возможно при воздействии на воздух:

1. Высокой температуры;

2. Ионизирующего излучения (радиации);

3. Высокого напряжения.

Я решил собрать и продемонстрировать это явление, используя установку высокого напряжения. Её называют качер Бровина по имени изобретателя Владимира Ильича Бровина — советского инженера.

Для опыта нам потребуется: 250 метров проволоки толщиной 0,14 мм, немного радиодеталей, блок питания, вентилятор.

Мы с папой спаяли установку. Самое сложное было намотать катушку из 1600 витков тонкой проволоки. С первого раза установка не заработала и мы решили, что это из-за неплотной намотки катушки. Было решено намотать ещё одну и наконец она заработала.

Когда качер заработал, мы собрали все элементы в ящик.

Качер преобразует напряжение сети 230вольт в высокое напряжение – 20 или 30 тысяч Вольт. При таком напряжении происходит ионизация воздуха в виде искрового разряда. Такой же разряд, только в очень больших размерах - всем известная молния, которая имеет размеры несколько километров, а напряжение между облаком и землёй около 100 миллионов вольт.

Ещё качер ионизирует газ в лампах дневного света своим электромагнитным полем. Из-за этого лампы начинают светиться. Это свойство в газах применяется для сварки металлов электро-дуговой сваркой, в лампах для освещения.

Длина искр получилась около 15 см. На таком расстоянии происходит ионизация воздуха. При работе установки появляется запах озона. Такой же запах появляется при грозе, а молнии похожи на молнии на моей установке. Физика работы моей установки и молний при грозе одинаковая, но молнии во много раз мощнее.(ПРИЛОЖЕНИЕ Ж).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Процесс изучения человечеством электричества растянулся на 2700 лет. Из низ 2200 лет изучение электричества сводилось лишь к наблюдениям за внешними проявлениями электрических явлений. И лишь 200 лет назад в 1800 году итальянский физик Гальвани изобретает источник непрерывного тока — предшественник современных аккумуляторов. Его источник тока можно признать первым устройством, которое создаёт управляемый электрический ток. Ещё 70 лет понадобилось человечеству, чтоб создать первую лампу накаливания. В 1874 году Александр Ладыгин получает патент на её изобретение. С этого времени человечество начинает эпоху практического применения электричества, хотя этой эпохе всего 150 лет. Но за эти 150 лет исследование и практическое применение электричества приобретает лавинообразную форму. Появляется ещё одна сфера применения электричества — электроника, благодаря которой создаются «умные» машины: калькуляторы, компьютеры, сотовые телефоны, роботы.(ПРИЛОЖЕНИЕ З).

В этой работе, на опытах, мы показали, что:

1. Проводимость зависит от длины, толщины и материала из которого изготовлена проволока, температуры проволоки.

2. Есть материалы (диэлектрики), которые не проводят электрический ток.

3. Газы, которые в обычном состоянии являются диэлектриками, при высоком напряжении и в электромагнитном поле начинают проводить электрический ток.

Таким образом электрическая энергия, благодаря умению человечества её производить, передавать на большие расстояния, преобразовывать в другой вид энергии: световую, механическую, тепловую, а так же умение хранить её в аккумуляторах дало возможность её широкого применения.

Цели работы достигнуты, задачи выполнены.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Перельман Я.И., Занимательная физика. М.: «Наука», 1991, – с. 287.

2 Шустов М.А., История электричества. М.: «Директ-Медиа», 2019, – с. 568.

3 Вейтков Ф., Летопись электричества. Ленинград.: «Госэнергоиздат», 1946, – с. 321.

4 Интернет-ресурсы:

https://yandex.ru/video/touch/preview/7285404131732579454

I

ПРИЛОЖЕНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Э лектрический ток

II

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Температура проводника

III

ПРИЛОЖЕНИЕ В

Сопротивление проводника

IV

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

Длина проводника

V

ПРИЛОЖЕНИЕ Д

Диаметр проводника

VI

ПРИЛОЖЕНИЕ Е

Материал проводника

VII

ПРИЛОЖЕНИЕ Ё

Диэлектрики

VIII

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж

Проводимость воздуха

IX

X

ПРИЛОЖЕНИЕ З

Э лектричество в быту