XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Исследование электропроводности различных материалов и изготовление домашней сигнализации
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В современном мире существует много электроприборов, электрический ток используется повсюду. Почти с самого рождения детей учат правилам безопасности, чтобы уберечь себя от удара электрическим током. Поэтому важно знать, что существуют материалы, которые проводят электрический ток, и те, которые его не проводят. Нам захотелось опытным путем проверить различные материалы на электропроводимость. Изучая литературу и информацию в интернете, пришла мысль об изготовлении домашней сигнализации, которая будет издавать предупредительный сигнал каждый раз, когда кто-нибудь попытается войти в комнату или выйти из нее. Такая сигнализация нужна в каждой квартире.
Цель работы: определение материалов, проводящих электрический ток и использование электричества для изготовления домашней сигнализации.
Задачи исследования:
-Изучить информацию об электричестве.
-Получить знания об электропроводимости.
-Изготовить домашнюю сигнализацию.
Гипотеза: использую знания об электропроводимости можно изготовить сигнализацию в домашних условиях.
Методы исследования: изучение специальной литературы, проведение опытов; анализ полученных данных.
Глава 1. Его величество электричество
1.1.История открытия электричества
На протяжении многих веков люди не подозревали о существовании электричества. А молния воспринималась как проявление необъяснимых божественных сил. Фалес, философ и математик из древнегреческого города Милета, в 600 г. до нашей эры опытным путем установил, что янтарь при натирании мехом животных притягивает к себе разные легкие предметы3. Почему возникает это явление, греки объяснить не могли. Английский придворный врач Елизаветы I и по совместительству ученый-физик Уильям Гилберт ввел в широкое обращение термин “электричество” в 1600 г. Этим термином ученый описывал силу, создаваемую разными веществами при трении друг о друга. Первые шаги к пониманию природы электричества были сделаны в середине XVIII века, когда французский физик Кулон открыл закон о взаимодействии электрических зарядов. В конце XVIII века итальянский физик Алессандро Вольта создал первый источник тока и дал физикам возможность проводить опыты с электрическим током. Единица измерения силы тока — Ампер, получила своё название в честь французского ученого, который первым исследовал свойства тока. Имя ученого-физика – Андре Ампер4 (Приложение 1, рис.1).
1.2. Как электричество поступает в лампочку и другие приборы
Сейчас мы не можем представить свою жизнь без электричества. Оно помогает нам во всём. Утром мы включаем свет, электрический чайник, ставим подогревать пищу в микроволновую печь, учимся в школе, где тепло и светло. И везде «работает» электричество. А как электричество поступает в лампочку и другие бытовые приборы? Все, что нас окружает, состоит из атомов - частиц __________________________________________________________________
3Т.Ю. Покидаева. Новая детская энциклопедия: С-П., ООО «Издательская Группа «Азбука», 2022
4https://ru.wikipedia.org/wiki/ Портал: Электричество
настолько малых, что разглядеть их можно только с помощью особого типа
микроскопа. Но сами атомы состоят из еще меньших частиц – протонов,
нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны образуют ядро атома (его центр), а электроны вращаются вокруг этого ядра, как планеты вокруг Солнца (Приложение 1, рис.2). Протоны и электроны несут электрические заряды, протоны имеют положительный заряд, а электроны - отрицательный. Именно поэтому электроны удерживаются в атоме: положительный и отрицательный заряды притягивают друг друга подобно разноименным полюсам магнитов5.
Присоединив к лампочке батарейку, на нить лампочки подается напряжение. Это напряжение, измеряемое в вольтах, толкает электроны в одном направлении, заставляет их двигаться по нити. Чем оно выше, тем больше электронов будет передвигаться по нити. Электрический ток подобен этому течению: если говорят "сильный ток", это значит, что по проволоке протекает много электронов.
Когда мы присоединяем лампочку к батарейке, создаем то, что называется электрической цепью. Цепь - это путь, по которому ток может течь от плюса батарейки к минусу. Чтобы батарейка могла заставить электроны двигаться, цепь между ее выводами не должна иметь разрывов, т. е. должна быть замкнутой. Чтобы электричество могло работать, всегда необходимы замкнутые цепи (Приложение 1, рис.3). Чтобы зажечь в комнате свет, надо включить выключатель. Он составляет часть замкнутой цепи, раз по лампе проходит ток. Когда выключатель размыкают, ток через лампу прерывается, и лампа гаснет. По такому же принципу работают все электрические приборы. Цепь замкнули - прибор включился, разомкнули - выключился. Так электричество приходит в наш дом. В наше время получают электричество на теплоэлектростанциях, атомных электростанциях, гидроэлектростанциях. Оно может возникать из солнечной энергии, падающей воды, специальных устройств - генераторов, либо получаться при возникновении какой-либо химической реакции.
5https://latinkvartal.ru/opyty-s-elektrichestvom-dlya-detei-ohrannaya-signalizaciya-svoimi-rukami.html
1.3. Электропроводность различных материалов
Электропроводность – это способность материалов проводить электрический ток1. Все материалы, существующие в природе, различаются своими электрическими свойствами. Это было установлено в первой половине 18 века. Первые опыты в этом направлении были проведены английским физиком Греем (Приложение 1, рис.4). В 1729 г. Грей открыл явление электрической проводимости. Он установил, что электричество способно передаваться от одних тел к другим по металлической проволоке. По шелковой же нити электричество не распространялось. Именно Грей разделил вещества на проводники и непроводники электричества. В конце XIX в., после открытия электрона, начала развиваться электронная теория проводимости. Начало теории дал в 1900 г. немецкий физик Пауль Друде. Таким образом, в отдельные группы стали выделять проводники электрического тока и непроводники.
Вещества, по которым передаются электрические заряды, называют проводниками электричества. В проводнике содержится достаточное количество свободных электрических зарядов, способных перемещаться под действием электрического поля. Проводящими электрический ток веществами являются металлы, недистиллированная вода, раствор солей, влажный грунт, человеческое тело. Металл – это самый лучший проводник электрического тока.
В ещества, по которым заряды не передаются, называют непроводниками или диэлектриками2. Они не содержит внутри свободные электрические заряды. Предметы, изготовленные из непроводников, называют изоляторами. В изоляторах электрический ток невозможен. Самым лучшим диэлектриком является газ. Другие непроводящие электрический ток материалы – это стеклянные, фарфоровые, керамические изделия, а также резина, картон, сухое дерево, смолы и пластмассы.
1В.А. Володин. Энциклопедия для детей. Том 16.Физика. Ч.2 Электричество и магнетизм: М., « Авента +»,2000
2Е.П. Левитан, Т.А. Никифорова Занимательная физика. Детская энциклопедия: М., изд. дом Мещерякова, 2012
Глава 2. Практическая часть
2.1. Опыты по электропроводимости различных материалов
Мы решили убедиться на опыте, какие вещества проводят ток, а какие нет. Для проведения экспериментов собрали простую электрическую цепь из батарейки, проводов и лампочки (Приложение 1, рис.5). Подготовили пластмассовую линейку, деревянный карандаш, монетку, лист бумаги, кусочек проволоки, фольгу, питьевую воду и соль (Приложение 1, рис.6).
Сначала мы присоединили контакты провода в своей электрической цепи к пластмассовой линейке, затем к деревянному карандашу и затем к листку бумаги. Лампочка не загоралась. Делаем вывод; пластмасса, древесина и бумага не проводят электрический ток (Приложение 1, рис.7).
Подобный эксперимент мы провели с монеткой, куском проволоки и фольгой - лампочка загорелась. Делаем вывод: металл хорошо проводит электрический ток (Приложение 1, рис.8). То же самое проделали с водой: опустили провода в чистую воду - лампочка не загорелась. Добавили в воду соль, тщательно перемешали. Замкнули цепь - лампочка загорелась (Приложение 1, рис.9). Значит, чистая вода не проводит ток, а солёная вода является проводником электричества.
2.2. Изготовление домашней сигнализации
Просматривая различные познавательные видео об электричестве, мы узнали, что даже в домашних условиях можно создавать различные приборы. Мы решили изготовить домашнюю сигнализацию, которая будет издавать предупредительный сигнал каждый раз, когда кто-нибудь попытается войти в комнату или выйти из нее.
У нас дома есть кот. Когда мы ходим в ванную комнату все время забываем оставить открытой дверь, чтобы он беспрепятственно мог сходить в свой лоток. Поэтому решили установить сигнализацию именно на этой двери.
Для изготовления сигнализации нам необходимы: батарейный отсек, батарейка 9 В, зуммер (звукоизлучатель), провода с неизолированными концами, изолента, двухсторонний скотч и фольга (Приложение 1, рис.10). Сначала проверили работает ли зуммер. Прижали его красный провод к положительному (+) выводу батарейки, а его черным проводом коснулись ее отрицательного (-) вывода. Зуммер издал громкий звук. Отсоединили один из его проводов от батарейки, звук прекратился. Затем отрезали полоску фольги и прикрепили оба конца полоски фольги на верхнем крае двери двумя кусочками изоленты. Она будет служить контактом для проводов от батарейки и зуммера. Собрали электрическую цепь, состоящую из батарейного отсека с батарейкой, зуммера и проводов. Для этого взяли кусок провода с неизолированными концами и соединили один конец контактного провода с оголенным концом черного провода батарейного отсека, т.е. скрутили вместе неизолированные концы этих проводов и обмотали скрутку куском изоленты. После этого тем же способом соединили красный провод батарейного отсека с красным проводом зуммера. Вставили батарейку в отсек (Приложение 1, рис.11). С помощью двухстороннего скотча прикрепили батарейный отсек и зуммер к дверной коробке в верхней ее части. Два черных провода с неизолированными концами (один идет от батарейного отсека, а другой от зуммера) прикрепили к дверной коробке к той части, которая потом будет соприкасаться с дверью. Они не должны соединяться друг с другом (Приложение 1, рис.12,13). Наша сигнализация готова (Приложение 1, рис.14). Собрано простое устройство, которое работает от батарейки. Поэтому его использование безопасно. Проверили работу сигнализации. При закрывании двери оголенные контактные провода коснулись фольги на двери, включив тем самым зуммер, который издал громкий звук (Приложение 2, видео 1).
Эту сигнализацию можно использовать и на открывание двери. Для этого нашу электрическую цепь надо установить по - другому. С помощью двухстороннего скотча прикрепить батарейный отсек и зуммер к дверной коробке в верхней ее части. Контактный провод от батарейного отсека, когда дверь закрыта, должен свисать перед дверью, а при ее открывании ложиться на полоску фольги (Приложение 1, рис.15). Черный провод зуммера касается полоски фольги на двери. Неизолированный конец этого провода прикрепили изолентой к фольге (Приложение 1, рис.16,17). При открывании двери оголенный контактный провод коснулся фольги на двери, включив тем самым зуммер, который издал громкий звук (Приложение 2, видео 2).
Наша гипотеза - использую знания об электропроводимости можно изготовить сигнализацию в домашних условиях, подтвердилась.
Заключение
В ходе работы над данной темой мы узнали историю создания электричества, и почему электричество «приходит» к нам в дом именно по проводам. Проведя опыты, выяснили, какие вещества являются хорошими проводниками электричества, а какие нет. В ходе практической работы изготовили домашнюю сигнализацию. Цель работы была достигнута, подтверждена гипотеза и выполнены поставленные задачи.
Оказывается рядом с нами столько неизвестных интересных явлений! Мы думаем, что в дальнейшем продолжим исследования по теме «Электричество».
Библиографический список
1. В.А. Володин. Энциклопедия для детей. Том 16. Физика. Ч.2 Электричество и магнетизм/ Глав. ред. В.А. Володин – М., Авента +, 2000. – 432 с.
2. Е.П. Левитан. Занимательная физика. Детская энциклопедия/ Е.П. Левитан, Т.А. Никифорова – М., изд. дом Мещерякова, 2012. – 57 с.
3. Т.Ю. Покидаева. Новая детская энциклопедия/ Т.Ю. Покидаева; под ред. Бологовой В. – М., Махаон, 2022. – 320 с.
4.https://ru.wikipedia.org/wiki/ Портал: Электричество (дата обращения 25.12.2023)
5.https://latinkvartal.ru/opyty-s-elektrichestvom-dlya-detei-ohrannaya-signalizaciya-svoimi-rukami.html (дата обращения 15.01.2024)
Приложение 1
Рис.1
Рис.2 Строение атома
Рис.3 Электрическая цепь
Рис.4 Английский физик Стивен Грей (1666—1736)
Рис.5 Собранная электрическая цепь
Рис.6 Различные материалы для опыта
Рис. 7 Материалы, непроводящие ток
Рис. 8 Материалы, проводящие ток
Рис.9 Опыт с чистой и соленой водой
Рис.10 Части сигнализации
Рис.11 Сборка электрической цепи для сигнализации
Рис.12 На дверной коробке
Рис.13 Контактные провода
Рис.14 Наша сигнализация
Рис.15 Контактный провод от батарейного отсека
Рис.16 Неизолированный провод зуммера
Рис.17 Сигнализация на открывание двери
Приложение 2
Видео 1 «Сигнализация на закрывание двери»
ссылка https://disk.yandex.ru/i/oKkz1mZdDAdbuw
Видео 2 «Сигнализация на открывание двери»
ссылка https://disk.yandex.ru/i/zQL6VQMCknwpyQ