Какие вещества проводят электрический ток? вещества которые

Из школьного курса физики известно, что электрический ток представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц. При этом должно соблюдаться как минимум два условия — это наличие свободных носителей заряда и присутствие электрического поля. Рассмотрим более подробно какие вещества проводят электрический ток, и какие условия для этого должны быть созданы.

Общим для всех вариантов будет обязательное наличие поля, только в этом случае возможно создание силы, которая будет приложена к заряду для его перемещения от одного электрода к другому.

Способность различных веществ проводить электрический ток

Если не принимать во внимание физическое состояние, то все материалы можно условно разделить на три группы по степени проводимости электричества:

• проводники;
• полупроводники;
• диэлектрики.

Рассмотрим каждый случай более подробно.

Проводники

К этой группе можно отнести вещества, которые проводят электрический ток великолепно. Это – металлы, электролиты и ионизированные газы.

Металлы как проводники электрического тока

Первая подгруппа веществ имеет кристаллическую решетку и отличается большим наличием свободных электронов, которые и являются носителями заряда при создании соответствующих условий, в частности электрического поля. Их расплавы проводят электрический ток не хуже, чем в твердой фазе. Не стоит забывать, что металлы могут быть и в жидком состоянии, примером чего является ртуть. Но наибольшее распространение, в качестве проводников, получили твердые фазы этих веществ. При взаимодействии с кислородом металл образуют оксиды, которые проводят электрический ток только при определенных условиях и по своей сути являются полупроводниками. Речь о них пойдет ниже. Из металлов отличной электропроводностью обладают медь, алюминий, железо, серебро и др.

Жидкие проводники электрического тока

Под жидкими проводниками понимают кислоты, растворы, электролиты, которые проводят электрический ток. Носителем заряда в данных случаях являются ионы. Необходимо отметить, распространенное убеждение что вода является проводником, в корне неверно. Когда Н₂О находиться в чистом состоянии, свободные ионы в ней отсутствуют. Если при помещении в воду электродов наблюдается протекание электрического тока, то это говорит только о том, что в данном случае мы имеем дело с раствором какого-либо вещества.

Полупроводники

Это особая группа веществ, которая проводит электрический ток при создании определенных условий. В кристаллической решетке полупроводников наблюдается крайне ограниченное наличие свободных носителей зарядов. Но при создании соответствующих условий, например, при воздействии света, понижении или повышении температуры, или каких-либо специфических факторов количество освобожденных носителей возрастает.

Вещества, которые проводят электрический ток и относятся к группе полупроводников обладают одной особенностью – под воздействием внешних факторов связанные электроны покидают свое место, и образуют т.н. «дырку». Она имеет положительный заряд. При создании электрического поля электроны и «дырки» двигаются навстречу друг другу, образуя электрический ток. Такая особенность называется электронно-дырочной проводимостью. Наиболее распространенными полупроводниками считаются кремний, германий, селен, галлий, теллур и т.д.

Диэлектрики

В диэлектриках свободные носители заряда отсутствуют. Протекание электрического тока в таких веществах невозможно при стандартных внешних условиях. Наиболее популярными материалами, которые не проводят электрический ток является слюда, керамика, резина и каучуки.

Также к ним можно отнести воздух и определенные виды газов, но для них, определяющим будет являться степень загрязнения. При наличии достаточного количества свободных ионов, диэлектрические свойства они утрачивают. Таким образом нельзя слепо полагаться что какое-либо вещество является абсолютным диэлектриком и не проводит электричество. При определенных обстоятельства большая часть веществ, заведомо считающихся диэлектриками могут приобретать свойства полупроводников.

Так, например, оксид железа, который в обычных условиях препятствует протеканию электрического тока, при повышении давления и температуры переходит в состояние проводимости, при этом внутренняя его структура не нарушается.

Подводя итоги, отметим что качественное различие веществ, пропускающих или препятствующих протеканию электрического тока является их проводящее состояние. Для металлов оно является постоянным, а для диэлектриков и полупроводников возбужденной фазой. Количественное определение проводимости выражается через удельное электрическое сопротивление.

5 минут об электричестве в человеке

Всем привет, я Маша Осетрова, и сегодня я немного расскажу вам про электричество в теле человека.

Сюжет о Викторе Франкенштейне, создавшем монстра из неживой материи, идейно восходит к проведенным в XVIII веке опытам Луиджи Гальвани, который заставил мышцы лягушки сокращаться под действием электрического тока. Его эксперименты вдохновили многих исследователей на изучение функций электричества в теле живых существ. На сегодняшний день ученые сильно продвинулись в этой области: придумали обезболивающие, выяснили, что заставляет наше сердце биться, что происходит в голове у влюбленных и многое другое.

Между электричеством нашего организм, и электричеством, которое обеспечивает наши дома, есть два фундаментальных различия. Электричество из розетки представляет собой поток электронов. В отличие от этого практически все токи в живых существах являются потоками ионов — атомов, имеющих электрический заряд. Токи в нашем организме связаны с пятью типами частиц: четырьмя положительными ионами — натрия, калия, кальция и водорода — и одним отрицательным хлорид-аниона.

Второе важное различие связано с направлением движения частиц. Ток в электрической цепи течет вдоль проводника, в то время как распространению электрического импульса по нейрону способствует движение ионов в перпендикулярном направлении.

В книге «Искра жизни» Фрэнсис Эшкрофт собрала воедино имеющиеся на сегодняшний день знания об электрических токах в организме человека и процессах на клеточном и молекулярном уровне, управляющих передачей электрических импульсов.

В состоянии покоя на мембране всех клеток существует разность потенциалов в 70 мВ, которую также называют потенциалом покоя. Изменение этого потенциала возможно при проходе заряженных частиц через мембрану внутрь и наружу клетки через специальные шлюзы — ионные каналы.

Для управления ионными каналами соседей нервные клетки выпускают в синаптическую щель — место контакта нейронов — специальные вещества, нейромедиаторы. Они специфично взаимодействуют с ионными каналами в мембране целевой клетки, подходя к определенному типу каналов как ключ к замку. В результате взаимодействия канал открывается, пропуская через себя ионы внутрь или наружу клетки. Направление движения частиц при этом зависит от концентрации ионов и распределения зарядов.

В состоянии покоя потенциал-зависимые натриевые и калиевые каналы клеток нервной и мышечной ткани находятся в закрытом состоянии под действием потенциала покоя. Они открываются только тогда, когда потенциал смещается в положительную сторону: когда это происходит, генерируется нервный импульс.

Хотя потенциально нервные волокна могут проводить импульсы в любую сторону, обычно они передают их только в одном направлении. Двигательные нервы передают сигнал от головного и спинного мозга к мышцам для управления их сокращением, а чувствительные нервы передают информацию в обратном направлении — от органов чувств к головному мозгу.

Поддержание клеток в поляризованном состоянии жизненно важно для организма и крайне энергозатратно. Один лишь мозг использует около 10% вдыхаемого кислорода для поддержания работы натриевого насоса и подзарядки аккумуляторов нервных клеток.

Наибольшее значение для генерации нервного импульса имеют калиевые и натриевые каналы. Это подчеркивает тот факт, что яды пауков, моллюсков, актиний, лягушек, змей, скорпионов и множества других экзотических существ воздействуют именно на них и, таким образом, нарушают функционирование нервов и мышц. Многие токсины крайне специфичны и нацелены на какой-нибудь один вид ионных каналов.

Разные яды имеют разный механизм действия: некоторые из них закупоривают ионные поры, а некоторые выступают в роли «распора», фиксируя канал в открытом состоянии. Это приводит к тому, что результатом проникновения в организм одних токсинов является паралич, а других — чрезмерное возбуждение, вызывающее судороги.

К примеру, яд тетродотоксин, содержащийся во внутренностях иглобрюха, которого японцы называют «рыба фугу», обладает специфичностью к натриевым каналам. Прочно закупоривая ионные поры, он препятствует нормальной передаче нервных импульсов, вызывая паралич и зачастую приводя к летальному исходу. Тем не менее, гурманы со всего мира регулярно рискуют жизнью, чтобы отведать фугу: при правильном приготовлении она перестает быть ядовитой, и лишь слегка покалывает небо.

Еще один токсин, ради эффекта которого люди готовы рискнуть — ботокс, используемый в косметических целях для разглаживания морщин. Ботокс, он же ботулотоксин — яд бактерий вида Clostridium botulinum, — один из самых сильных известных природных ядов. Он препятствует сокращению мышц и постепенно приводит к смерти от удушья. В количестве, умещающемся на кончике иглы, он смертелен для взрослого человека, однако инъекции ботокса под кожу в ничтожных концентрациях способствуют избавлению от мимических морщин.

На этом все, читайте умные книги, не суйте пальцы в розетку и читайте портал «Чердак»! А в следующем выпуске я расскажу вам о том, как мы делаем ЭТО.

 Анастасия Тмур

Физики нашли металлическое вещество, которое не проводит тепло при прохождении через него электрического тока

Исследователи из американской Национальной лаборатории в Беркли обнаружили новое вещество, которое, пребывая в металлическом состоянии, хорошо проводит электрический ток, являясь, одновременно, тепловым изолятором. Такая особенность этого материала может быть очень полезной в некоторых областях, тем не менее, она кардинально ломает все устоявшиеся принципы и понимание того, как работают электрические проводники.

Свойства вещества, обнаруженного еще в 2017 году, нарушают закон Видемана-Франца, согласно которому теплопроводность токопроводящего материала пропорционально зависит от его удельной электрической проводимости. Именно в соответствии с этим законом такие вещи, как электронагреватели, электромагниты и электродвигатели становятся теплыми и даже горячими во время их использования.

Обнаруженным веществом является диоксид ванадия (VO2), материал, который в нормальных условиях является прозрачным диэлектриком. Но при повышении температуры выше 67 градусов Цельсия этот материал переходит в металлическую токопроводящую фазу. «Необычные свойства диоксида ванадия разрушают все наши представления, полученные из учебников по физике» — пишут исследователи, — «Это открытие имеет огромное значение для понимания поведения электронов в некоторых материалах».

Для того, чтобы понять откуда у диоксида ванадия берутся столь причудливые свойства (теплопроводность, которая в 10 раз меньше значения, определенного законом Видемана-Франца), ученые исследовали то, как электроны перемещаются в кристаллической решетке этого материала. И причиной этому оказалась необычная синхронизация движения всех электронов. «Электроны внутри этого материала перемещаются все вместе, как поток жидкости, а не как отдельные частицы, что имеет место быть в других металлических веществах» — пишут исследователи, — «При таком упорядоченном движении электроны не задевают узлы кристаллической решетки, что является основой теплопереноса в других материалах».

В своих исследованиях ученые начали вводить различные добавки в диоксид ванадия и смотреть, как это повлияет на свойства материала. Добавка вольфрама позволила понизить температуру перехода материала в металлическое состояние и повысила его теплопроводность. Это позволит, к примеру, создать элементы охлаждения, которые начнут работать только тогда, когда температура охлаждаемого объекта превысит определенный порог.

Кроме «игр» с электропроводностью и теплопроводностью диоксида ванадия ученые выяснили, что этот материал обладает еще одним уникальным свойством — в нормальных условиях этот материал является прозрачным во всех диапазонах света, но при температуре свыше 60 градусов Цельсия он начинает отражать инфракрасный свет, оставаясь прозрачным для света видимого диапазона. Благодаря таким свойствам, диоксид ванадия с некоторыми добавками может быть использован в качестве покрытия для «умных» окон, способных понижать температуру в помещении без потребности в его кондиционировании.

Для того, чтобы более точно изучить необычные свойства диоксида ванадия и других подобных материалов, которые, без сомнения, будут найдены в будущем, ученым потребуется провести еще массу различных исследований. И эти исследования будут проведены, учитывая перспективы создания ряда реальных коммерческих технологий, который сейчас существуют лишь в научно-фантастических фильмах и произведениях.

Длинное замыкание — Новые Округа

Вода — отличный проводник тока. А гибнет ли рыба, при попадании молнии в озеро? Да! Но только если рыбеха «зазевалась» и оказалась у места «входа» молнии в воду. В остальных случаях водные обитатели и не почувствуют ничего. Поскольку благодаря прекрасной проводимости воды ток рассеивается, не причиняя вреда. Фото: SHUTTERSTOCK

Ученые из Троицка пытаются ответить на вопросы читателей и объяснить, почему некоторые явления происходят именно так и никак иначе.

XXI век… А все равно в приметы веришь. Сирень зацвела — похолодает, дожди и грозы начнутся. Поэтому с прогулками у воды будьте осторожны: во время грозы она — прекрасный проводник тока. Почему? На этот и другие вопросы ответил руководитель отдела Института спектроскопии РАН в Троицке, заведующий кафедрой теоретической физики МПГУ Андрей Наумов.

Вся ли вода прекрасно проводит электрический ток?

Как оказалось, нет! Абсолютно чистая вода проводить ток не будет, потому что в ней нет солей и примесей. Они-то и виновники всего.

— Если, например, добавить в обычную воду поваренную соль (NaCl), то она распадется на положительно заряженный ион натрия и отрицательно заряженный ион хлора. Они — носители электрического тока, — объясняет Андрей Наумов.

А если не добавлять… Вот, например, родниковая вода. Она же чистейшая! Но, как оказалось, нет. И по своей электропроводимости ни в чем не уступит воде, которая льется у нас из-под крана.

Понятно, что и вода в реке — хороший электропроводник. И с морем все ясно. Оно богато на соли и примеси. И, что самое интересное, артезианская вода, которая считается чистой, безопасной и добывается из подпочвенного слоя, тоже их совсем не лишена. Остается вопрос. Абсолютно чистая вода вообще существует?

— Ею с некоторой натяжкой можно назвать дистиллированную воду, — продолжает Андрей Наумов.

Она почти полностью очищена от различных примесей. И ток проводить не будет. Получить ту самую абсолютно чистую воду очень сложно. Она является прекрасным растворителем.

А вот от кого такой чистоты не ожидаешь, так это от дождика! Дождевая вода очень плохо проводит электрический ток, потому что по своим свойствам она схожа с дистиллированной. К слову, то, что происходит с ней в природе: испарение, а потом конденсация — это и есть процесс дистилляции.

Почему есть короткое замыкание, а длинного не бывает?

Если вы зададите такой вопрос электрику, то он очень сильно рассмеется и воскликнет: «Да не бывает же такого!» А все потому что дело здесь вовсе не в электричестве, а в термине.

— Как он появился, доподлинно неизвестно, — говорит Андрей Наумов.

Но предположения есть. И прежде чем понять значение, вспомним, что такое напряжение. Представьте розетку, от которой протянуты два провода. По одному идут положительно заряженные частицы, по другому — отрицательно. Провода находятся близко друг к другу. И замыкание начнется тогда, когда они перетрутся между собой, а разнозаряженные частицы соприкоснутся, то есть выйдут наружу и встретятся. Так как расстояние между проводами короткое, значит, и замыкание такое. Чтобы получилось длинное, частицам нужно «пройти» большое расстояние. А такое просто невозможно.

— Можно еще предположить, что сам процесс замыкания ограничен по времени. Поэтому оно и короткое, — думает Андрей Наумов.

Почему металлические предметы холодные, а пластмассовые — теплые?

Мы, предметы, вещества — все умеет «принимать» тепло и проводить его по телу. Так же и металл с пластмассой.

— Существуют и соответствующие термины. Теплопроводность (энергия идет от более нагретой части тела к менее нагретой) зависит от того, насколько хаотично в веществе двигаются частицы (атомы, молекулы, электроны). Теплоемкость помогает понять, сколько теплоты поглощает тело во время нагревания, — рассказывает Андрей Наумов.

Так устроена природа: металлы проводят тепло быстрее, чем пластмасса. А вот теплоемкость у них меньше.

— Когда мы прикасаемся к металлу с температурой 25 градусов Цельсия рукой (более нагретым телом), тепло быстро распространяется по всему объему материала. Мы «ощущаем» температуру металла, меньшую по сравнению с температурой руки. В случае с пластиком теплота не успевает «отводиться». Температура становится близкой нам, пластмасса кажется теплой, — объяснил ученый.

Post Views: 1 490

Электробезопасность для населения

11.09.2020 Контент страницы РГКУ  ДПО «Учебно-методический центр экологической безопасности  и защиты населения» Электробезопасность для населения   Рекомендации по электробезопасности для граждан   Одной из особенностей электрического тока является то, что он невидим, не имеет ни запаха, ни цвета, поэтому обнаружить его без специальных приборов человек не может. Электрический ток поражает внезапно, когда человек оказывается «включенным» в цепь прохождения тока. При этом ток повреждает ткани на всем пути его прохождения через тело человека. Поражение электрическим током может наступить и при приближении на недопустимо близкое, опасное расстояние к находящимся под напряжением токоведущим частям, а так же при попадании человека под так называемое «шаговое напряжение», возникающее в зоне падения на землю проводов действующих линий электропередачи.     Опасно ли «домашнее электричество»?   Ø        Весь домашний «электропарк», работает от сети напряжением 220 вольт. Сила тока, который течет в проводах наших квартир, составляет 5 — 10 ампер, что смертельно опасно. Уже при силе тока в 0,1- 0,15 ампер человек не может самостоятельно оторваться от электропровода. Из бытовой техники наиболее опасны стиральные машины: они устанавливаются обычно во влажных помещениях, вблизи водопровода, и электрический кабель бросается, как правило, просто на пол. Опасны электронагреватели. Электрические приборы, имеющие металлический корпус, опаснее приборов в корпусе из пластмассы. Смертельно опасная ситуация в быту возникает тогда, когда человек, прикоснувшийся к неизолированному проводу, одновременно касается ногами земли или упирается другой рукой в заземленные предметы, например батарею водяного отопления или водопроводной трубе.     Какое напряжение, ток, частота считается опасным?   Ток, проходя через тело человека, воздействует на центральную и периферическую нервные системы, вызывая нарушение или остановку работы сердца и дыхания. Также при поражении электричеством можно получить электрический ожог, механическую травму из-за сокращения мышц под действием тока и ослепление электрической дугой. Смерть обычно наступает из-за остановки сердца, или дыхания, или того и другого. Больше всего от действия электрического тока страдает центральная нервная система. Из-за повреждения ее нарушается дыхание и сердечная деятельность. Наиболее уязвимыми участками тела являются боковые поверхности шеи, виски, тыльная сторона ладони; поверхность ладони между большим и указательным пальцами, рука на участке выше кисти, плечо, спина, передняя часть ноги, акупунктурные точки, расположенные в разных местах тела. Переменный и постоянный токи опасны практически в одинаковой степени. Под действием постоянного тока сокращаются мышцы тела. Если человек взялся за находящуюся под напряжением часть оборудования, он, возможно, не сумеет оторваться без посторонней помощи. Более того, его, возможно, будет притягивать к опасному месту. Под действием переменного тока мышцы периодически сокращаются с частотой тока, но пауза между сокращениями бывает недостаточной, чтобы освободиться.     Какие факторы влияют на степень повреждения от электрического тока?   Величина тока, проходящего через тело человека, зависит от сопротивления кожи. Когда человек касается провода, находящегося под напряжением выше примерно 240 вольт, ток пробивает кожу. Если по проводу течет ток, величина которого еще не смертельна, но достаточна для того, чтобы вызвать непроизвольное сокращение мышц руки (рука как бы «прилипает» к проводу), то сопротивление кожи постепенно уменьшается, и, в конце концов, ток достигает смертельной для человека величины. Человеку, попавшему в такую опасную ситуацию, нужно как можно скорее помочь, стараясь «оторвать» его от провода, не подвергая при этом опасности себя. Чем меньше сопротивление человеческого тела, тем выше ток. Сопротивление уменьшается под действием следующих факторов: o        высокое напряжение; o        влажность кожи; o        длительное время воздействия; o        понижение парциального давления кислорода в воздухе: в горах, в плохо проветриваемых помещениях человек становится существенно более уязвимым; o        повышение содержания углекислого газа в воздухе; o        высокая температура воздуха; o        беспечность, психическая неподготовленность к возможному электрическому удару: настолько своеобразно устроен человеческий организм, что, интеллект может управлять сопротивлением тела.     Что делать, чтобы избежать опасности?   Прежде всего, нужно соблюдать все инструкции и меры безопасности: o      если вы меняете лампочку, пробки, моете холодильник или электроплиту, отключите прибор от электросети; o      не вытягивайте вилку из розетки, потянув за шнур: рано или поздно он оборвется; o      не беритесь за электрическую вилку мокрой pукой; o      розетки должны быть установлены как можно дальше от раковины, ванны; o      не обматывайте выключатели и розетки изоляционной лентой; o      пользуясь удлинителем, после окончания работы сначала выдерните его из розетки, а затем сворачивайте в кольцо; o      не вбивайте гвоздь в стену, если не знаете, где проходит скрытая электропроводка; o      следите за тем, чтобы розетки и другие разъемы не искрили, не грелись, не потрескивали; o      следите, чтобы провода приборов не оказались защемленными мебелью, дверью, оконной рамой, не касались газовых труб и батарей отопления; o      не рекомендуется ходить под высоковольтными линиями электропередачи. Создаваемое ими в воздухе электрическое напряжение вредно действует на организм; o      не следует приближаться к оборванному проводу линий электропередачи, Вас может поразить шаговое напряжение; o      при входе в троллейбус не следует прикасаться рукой к его борту. Корпус троллейбуса может находиться под напряжением из-за пробоя изоляции. Лучше впрыгивать в троллейбус, а не входить; выпрыгивать, а не выходить: чтобы не было ситуации, когда одна нога на земле, а другая — на подножке троллейбуса. Электрички и трамваи в этом отношении не опасны, потому что всегда заземлены; o      если вы занимаетесь электрификацией дачного домика, следите за тем, чтобы подводящие к дому провода не попали в зону возможного падения деревьев.     Что делать, если кого-то ударило током?   Немедленно оказать помощь, прежде всего, освободив пострадавшего от воздействия электричества. Для этого надо обесточить квартиру (повернуть выключатель, рубильник, вывернуть пробку и т.п.) или хотя бы оттащить за одежду человека от места соприкосновения с током. При этом необходимо надеть резиновые перчатки или обернуть свою руку какой-нибудь сухой тканью. Если есть, надеть резиновые сапоги или положить себе под ноги сухие доски, резиновый коврик или, в крайнем случае, свернутую сухую одежду. ОБЕЗОПАСЬТЕ СЕБЯ!!! Если человек находится в сознании, положите его на пол, подняв ноги на 25–30 сантиметров, а если он без сознания — горизонтально, на спину, на что-то твердое. Откройте все окна и форточки (пострадавшему нужен свежий воздух), разотрите тело, дайте понюхать нашатырный спирт. Если человек получил ожоги, не пользуйтесь водой для приведения его в чувство. Немедленно вызовите СКОРУЮ ПОМОЩЬ или доставьте пострадавшего к врачу. При остановке сердца и дыхания немедленно начинайте делать искусственное дыхание и массаж сердца или найдите человека, который обладает этими навыками. ПОМНИТЕ!!! Даже если человек пришел в сознание и говорит, что у него все хорошо, его необходимо доставить в лечебное учреждение, т.к. последствия от воздействия электрического тока могут проявиться через несколько часов и привести к более тяжелым последствиям, вплоть до гибели.     Почему в сырых помещениях возможно поражение человека электрическим током даже в случае, если он прикоснется к стеклянному баллону электрической лампочки? Стеклянный баллон электрической лампочки, покрытый слоем влаги, проводит электрический ток, который при определенных условиях может вызвать поражение человека.   Почему опасно касаться мачт высокого напряжения, ведь провода с током отделены от них целыми гирляндами изоляторов? Идеальных изоляторов не существует. Даже фарфор, из которого сделаны высоковольтные изоляторы, меняет свои свойства в зависимости от погоды. Слегка запыленная и увлажненная поверхность изолятора служит проводником тока. Если учесть, что по проводам идет ток высокого напряжения, то утечка его, даже небольшая, будет опасна для жизни человека.   Почему опасно находится вблизи того места, где оборванный провод высокого напряжения соприкасается с землей? Земля, являясь проводником электрического тока, становится как бы продолжением провода. Путь тока не прерывается, и он растекается по земле. Любая точка на поверхности земли, находящейся в зоне растекания тока, в момент его растекания получает определенный электрический потенциал, который уменьшается по мере удаления от точки соприкосновения провода с землей. Поражение электрическим током происходит тогда, когда ноги человека касаются двух точек земли, имеющих различные электрические потенциалы. Шаговым напряжением называется разность потенциалов, находящихся на расстоянии шага. Чем шире шаг, тем больше разница потенциалов, тем вероятнее поражение. Вокруг оборванного и лежащего на земле провода образуется опасная зона радиусом 8-10 метров. При входе в зону шагового напряжения человеку грозит опасность, если он даже не коснулся провода. Покидать опасную зону возле лежащего на земле пpовода, нужно прыжками двумя ногами или шагами без отрыва ступней ног от земли и без создания разрыва между стопами (пятка шагающей ноги не отрываясь от земли, приставляется к носку другой ноги) на расстояние не менее 8-10 метров.   Почему опасно во время грозы стоять в толпе? Во время грозы опасно стоять в толпе потому, что пары, выделяющиеся при дыхании людей, увеличивают электропроводность воздуха.   Почему громоотвод отводит от человека молнию, а дерево, наоборот, способствует удару? В общем случае громоотвод отводит молнию, но ни в коем случае нельзя думать, что если стать во время грозы под громоотвод, то он всегда защитит от удара молнии. Если вы будете стоять даже на небольшом расстоянии от громоотвода, то в вашем теле в момент удара молнии образуется индуцированный заряд, между ним и зарядом громоотвода легко может произойти разряд в виде искры. Почему молния, проходящая через дерево, может отклониться и пройти через человека, стоящего возле дерева? Если вы стоите в степи на расстоянии десятков метров от одиноко стоящего дерева, то вы лучше защищены от удара молнии, чем в том случае, если бы дерева не было. Электрический ток проходит преимущественно по участку цепи с меньшим сопротивлением. Если тело человека окажется лучшим проводником, то электрический ток пройдет через него, а не через дерево.   Необходимо знать предупреждающие знаки       Для предупреждения об опасности поражения электрическим током     Для предупреждения об опасности подъема по конструкциям, при котором возможно приближение к токоведущим частям, находящимся под напряжением     Для предупреждения об опасности поражения электрическим током       ПОМНИТЕ!!! Ваши жизнь и здоровье в ваших руках!  ​

Электрические свойства тела человека. Электронные самоделки

Читайте также

10.2. Воздействие электрического тока на человека

10.2. Воздействие электрического тока на человека Ток, проходящий через тело человека, действует на организм не только в местах контакта и путях протекания тока, но также и на кровеносную, дыхательную и сердечно-сосудистую системы.Виды травм, связанных с воздействием

1.3. Ориентация на человека и на пользователя

1.3. Ориентация на человека и на пользователя Мы слишком усложнили программное обеспечение и забыли главную цель. Джим и Сандра Сандфорс Не только разработчики интерфейсов, но и руководители предприятий электронной и компьютерной промышленности понимают необходимость

7.16. Мышление человека и животных

7.16. Мышление человека и животных Иногда говорят, что мышление человека отличается от мышления животных тем, что человек может мыслить в абстрактных понятиях, в то время как животным абстрактные понятия недоступны, а доступны лишь некоторые конкретные понятия. Если

Ощущение тела

Ощущение тела Ощущение тела включает чувство его положения относительно опорных точек и в пространстве. Простейшее «чувство тела» можно смоделировать в роботе при помощи многочисленных датчиков наклона (см. рис. 5.28). По меньшей мере, робот сможет «понять», имеет ли он

4. Электрические и акустические свойства древесины

4. Электрические и акустические свойства древесины Как показали многочисленные исследования электрических свойств древесины, ее электропроводность, т. е. способность проводить электрический ток, находится в обратной зависимости от ее электрического сопротивления.

Введение. Роботы – помощники человека

Введение. Роботы – помощники человека Как только не называют нынешнее столетие – «атомный век», «космический век», «век электроники». С не меньшим основанием можно назвать его веком роботов. Ещё совсем недавно эти устройства существовали лишь на страницах научно –

§ 4.1 Ритц и проблема излучения абсолютно чёрного тела

§ 4.1 Ритц и проблема излучения абсолютно чёрного тела Принципиальные трудности в теории излучения чёрного тела ведут нас не столько к тому, чтобы вместе с Планком вводить частицу энергии-времени, но скорее к требованию восстановить при помощи принципа наименьшего

§ 5.17 Гармония природы, науки и человека

§ 5.17 Гармония природы, науки и человека В последнее время меня, правда, больше привлекало изучение загадок, поставленных перед нами природой, нежели те поверхностные проблемы, ответственность за которые несёт несовершенное устройство нашего общества. Артур Конан Дойл,

«И создал бог человека…»

«И создал бог человека…» Однажды наш отряд много дней шел по глухой северной тайге. Маршрут был очень тяжелый. Чтобы не сбиться с пути, мы шли вдоль извилистой реки. Осмотрев все встреченные разрезы, мы закончили рабочую часть маршрута в верховьях этой реки. Предстоял еще

Исполнится ли мечта человека?

Исполнится ли мечта человека? Мечта человека — создать технические устройства, сконструировать и построить такие машины, которые работали бы сами и стали бы своего рода добрыми волшебниками, работали бы за человека или по крайней мере помогали бы ему в работе. С

О МЕСТЕ ЧЕЛОВЕКА И ЧЕЛОВЕЧЕСТВА В МИРОЗДАНИИ В. Н. Комаров

О МЕСТЕ ЧЕЛОВЕКА И ЧЕЛОВЕЧЕСТВА В МИРОЗДАНИИ В. Н. Комаров Прежде всего необходимо подчеркнуть, что изучение проблемы космических цивилизаций относится к области фундаментальных научных исследований. А такие исследования обладают специфическими особенностями,

Глава 5 Криволинейное движение тела

Глава 5 Криволинейное движение тела Всем хорошо знакомы силы инерции, возникающие при ускорении или торможении движущегося тела. В терминах эфиродинамики, можно сказать, что «эфир проявляет себя» при ускорении тел. Впрочем, существование эфирной упругой среды можно

Глава 7 Компенсация веса тела

Глава 7 Компенсация веса тела Конструирование движителей нового типа требует уточнения понятия «открытой и закрытой физической системы», системы отсчета. Повод для размышлений дает тот факт, что вес тела, находящегося на поверхности планеты, зависит от места

Глава 5 СУЩНОСТЬ И МЕТОДЫ ИНФОРМАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЧЕЛОВЕКА

Глава 5 СУЩНОСТЬ И МЕТОДЫ ИНФОРМАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЧЕЛОВЕКА Лучшие обманы – те, при которых вы как бы предоставляете другому человеку выбор: у ваших жертв возникает иллюзия свободы выбора, а на самом деле они лишь марионетки. Роберт

13. СОСТАВЛЕНИЕ СУТОЧНОГО РАЦИОНА ПИТАНИЯ ЧЕЛОВЕКА

13. СОСТАВЛЕНИЕ СУТОЧНОГО РАЦИОНА ПИТАНИЯ ЧЕЛОВЕКА Цель: научиться составлять рационы питания на основании суточной физиологической потребности человека в энергии, пищевых компонентах, а также с учетом принципов рационального питанияПри составлении рациона питания

15. Электрические свойства проводниковых материалов

15. Электрические свойства проводниковых материалов В качестве проводниковых материалов используют чистые металлы, а также сплавы металлов. Наибольшей проводимостью обладают чистые металлы, исключением является ртуть. Из меди и алюминия изготовляют обмоточные,

Физика — 8

ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ ЧТЕНИЕ

6.13. Применение и влияние электрического

         тока на живые организмы

Отрицательное воздействие электрического тока на живые организмы

Организм человека, являясь проводником, проводит электрический ток. Отдельные части человеческого организма проводят электрический ток поразному. Кости, кожа и соединительные ткани плохо проводят электрический ток. Их удельное сопротивление велико, порядка 10⁷ — 10² Ом·м. Такие же части организма, как спинно-мозговая жидкость, сыворотка крови, кровь и нервно-мышечные ткани, хорошо проводят ток. Удельное сопротивление этих частей меняется в пределах 0,6 — 0,7 Ом·м.
Электрический ток в организме человека создают ионы. Это ионы таких химических элементов, как кальций, фосфор, калий, натрий и другие. Прохождение электрического тока через организм человека сопровождается рядом физиологических явлений. При прохождении электрического тока через организм человека наблюдается раздражение, сокращение мышц, нарушение дыхания и возможна даже смерть. Результат повреждения организма человека зависит от силы тока, характера тока (постоянный или переменный ток), времени и пути прохождения тока через организм. Наиболее опасно прохождение тока через сердце и мозг. В таблице 6.3 показана зависимость воздействия тока в направлении рука-рука и рука-нога от силы тока для пожилого человека.

Таблица 6.3.

Сила тока (мА)	Воздействие тока
	Постоянный ток	Переменный ток (v = 50 Гц)
2-3	Не ощущается	Сильное дрожание пальцев рук
5-10	Ощущается нагревание	Ощущаются боли. Руки сводят судороги.
12-15	Нагревание усиливается	Сильная боль в пальцах и костях руки. Можно выдержать 5-10 с.
20-25	Дальнейшее усиление нагревания. Слегка сокращаются мышцы рук.	Руки парализованы, их невозможно оторвать от проводов. Затрудняется дыхание. Можно выдержать 5 с.
50-80	Происходит сокращение мышц рук. Затрудняется дыхание.	Паралич дыхания. Нарушение деятельности сердца.
90-110	Паралич дыхания	Паралич дыхания. При действии в течение 3 с и более происходит паралич сердца. Смерть.

Электричество и атомная структура | HowStuffWorks

К концу XIX века наука развивалась впечатляющими темпами. Автомобили и самолеты были на грани изменения образа жизни в мире, и электроэнергия неуклонно проникала во все больше и больше домов. Тем не менее, даже ученые того времени все еще считали электричество чем-то неопределенно мистическим. Только в 1897 году ученые открыли существование электронов — и именно здесь начинается современная эра электричества.

Материя, как вы, наверное, знаете, состоит из атомов. Разбейте что-нибудь на достаточно мелкие кусочки, и вы получите ядро, вращающееся вокруг одного или нескольких электронов, каждый с отрицательным зарядом. Во многих материалах электроны прочно связаны с атомами. Дерево, стекло, пластик, керамика, воздух, хлопок — все это примеры материалов, в которых электроны прикрепляются к своим атомам. Поскольку эти атомы очень неохотно делятся электронами, эти материалы не могут проводить электричество очень хорошо, если вообще.Этими материалами являются электроизоляторы .

Однако у большинства металлов есть электроны, которые могут отделяться от атомов и перемещаться по ним. Их называют свободных электронов . Свободные электроны облегчают прохождение электричества через эти материалы, поэтому они известны как электрические проводники . Они проводят электричество. Движущиеся электроны передают электрическую энергию из одной точки в другую.

Некоторым из нас в HowStuffWorks.com нравится думать об атомах как о домашних собаках, а об электронах как о блохах.Собаки, которые жили внутри или внутри огороженной территории, тем самым сдерживая этих надоедливых блох, были бы эквивалентом электрического изолятора. А вот бродячие дворняги будут электрическими проводниками. Если бы у вас был один квартал домашних избалованных мопсов и один район диких бассет-хаундов без ограждения, как вы думаете, какая группа могла бы быстрее всего распространить вспышку блох?

Итак, электричеству необходим проводник, чтобы двигаться. Также должно быть что-то, что заставляет электричество течь из одной точки в другую через проводник.Один из способов заставить электричество течь — использовать генератор.

Спустя века ученые наконец выяснили, как вода проводит электричество

Это учебник, создаваемый веками: более чем через 200 лет после того, как ученые начали исследовать, как молекулы воды проводят электричество, группа ученых наконец-то увидела это на собственном опыте.

Неудивительно, что самая естественная вода невероятно хорошо проводит электричество — это факт, которому многих из нас учили с начальной школы.Но, несмотря на то, насколько фундаментален этот процесс, никому не удалось выяснить , как это происходит на самом деле на атомарном уровне.

«Этот фундаментальный процесс в химии и биологии ускользнул от твердого объяснения», — сказала одна из группы, Энн Маккой из Вашингтонского университета. «И теперь у нас есть недостающий элемент, который дает нам более широкую картину: как протоны, по сути,« движутся »через воду».

Исследователи, возглавляемые Марком Джонсоном из Йельского университета, смогли наблюдать молекулы воды, проходящие вдоль протонов — положительно заряженных субатомных частиц — с помощью спектроскопии, процесса, который позволяет исследователям направлять свет на молекулы и видеть, что происходит внутри.

Интересно, что хотя вода, которую вы видите в окружающем мире, является отличным проводником электричества, абсолютно чистая вода, которую редко можно найти за пределами лаборатории, на самом деле не проводит электричество из-за отсутствия свободных электронов.

Но в природе почти вся вода смешана с отложениями и минералами, что ионизирует молекулы воды и позволяет им проводить ток.

До сих пор все исследователи действительно знали об этом процессе, что h3O передает протоны от молекулы к молекуле через атом кислорода, что-то вроде молекулярной эстафеты.

Этот процесс называется механизмом Гроттуса и был впервые описан химиком Теодором Гроттусом в 1806 году.

«Атомам кислорода вообще не нужно много двигаться, — сказал Джонсон. «Это что-то вроде колыбели Ньютона — детская игрушка с линией стальных шариков, каждый из которых подвешен на веревке. Если вы поднимете один шар так, чтобы он ударялся о линию, только концевой шар ускользнет, ​​оставив остальные равнодушными. »

Вы можете увидеть иллюстрацию механизма Grotthuss на гифке ниже:

Matt K.Петерсен

Но до недавнего времени эта гифка была настолько подробной, насколько мы понимали. Хотя исследователи имели довольно хорошее представление о том, как этот механизм работает на поверхности, подробности того, как именно и как произошел , остались разочаровывающе неясными.

Итак, в течение последних 200 лет исследователи искали экспериментальный способ проследить структурные изменения молекул воды, когда они проводят электричество, — что оказалось невероятно сложной задачей.

В последние годы исследователи пытались сделать это, используя инфракрасное сканирование для отслеживания прогресса, но результаты выглядели как размытые фотографии без каких-либо различимых деталей.

«На самом деле казалось, что это размытие будет слишком сильным, чтобы когда-либо позволить убедительную связь между цветом и структурой», — объяснил Джонсон.

Чтобы разобраться в этом раз и навсегда, Джонсон и его команда нашли способ быстро заморозить химический процесс, так что моментальные снимки в процессе могут быть изолированы и заморожены во времени, что позволяет им ближе познакомиться.

Они использовали пять молекул «тяжелой воды» — воды, сделанной из изотопа дейтерия водорода — и затем охладили молекулы до почти абсолютного нуля (–273,15 градусов Цельсия или –459,67 градусов по Фаренгейту).

Когда они это сделали, все замедлилось, и внезапно изображения движущихся протонов стали намного четче.

«По сути, мы обнаружили своего рода Розеттский камень, который показывает структурную информацию, закодированную в цвете», — сказал Джонсон. «Нам удалось выявить последовательность согласованных деформаций, как в кадрах фильма.»

Новое понимание даст решающее значение для понимания проводимости воды — явления, которое поддерживает нашу жизнь и имеет решающее значение для многих химических реакций на Земле. — ведутся споры о том, является ли поверхность воды более или менее кислой, чем остальная часть ее объема. Этот новый метод визуализации может ответить на этот вопрос раз и навсегда.

Он также может пролить свет на некоторые другие недавно обнаруженные странные поведение воды, такое как присутствие загадочной второй жидкой фазы и ее странная способность замораживать твердое тело при температуре кипения, когда она ограничена углеродными нанотрубками.

Теперь команда хочет снова провести эксперименты с большим количеством молекул воды, а также с другими небольшими молекулами, чтобы увидеть, как изменяется проводимость.

Может показаться бессмысленным вглядываться в процессы, о существовании которых мы уже знали, но этот тип фундаментальных исследований является ключом к пониманию окружающего нас мира.

В конце концов, только когда мы действительно знаем, как материя ведет себя на самом маленьком уровне, у нас будет шанс выяснить остальную часть Вселенной.И вода, несмотря на ее повсеместное распространение, является одной из самых странных молекул. Чем больше вы знаете …

Исследование опубликовано в журнале Science.

Проводит ли вода электричество? Это проводник или изолятор?

Нет, чистая вода не проводит электричество; сам по себе он плохой проводник электричества. Однако вода содержит заряженные ионы и примеси, которые делают ее очень хорошим проводником электричества.

Нам всегда говорят и учат, что вода проводит электричество.Действительно, это основная причина, по которой вода + электричество является такой плохой новостью, поскольку она может вызвать поражение электрическим током у тех, кто вступает в контакт с опасной парой.

Но если хорошенько подумать и углубиться в химию по этому вопросу, то можно увидеть, что чистая вода на самом деле не является хорошим проводником электричества , то есть не пропускает электричество через себя.

Вода: универсальный растворитель

Вода растворяет многие вещества, поэтому она широко известна как хороший растворитель.Фактически, воду часто ошибочно называют «универсальным растворителем», потому что она способна растворять больше веществ, чем любая другая жидкость.

Большая часть воды, встречающейся в повседневной жизни, содержит определенное количество растворенных веществ. Будь то вода из крана на кухне, из душа, бассейна или из других источников… можно с уверенностью предположить, что она содержит значительное количество растворенных веществ, химикатов и минералов.

Очень маловероятно, что у вас есть абсолютно чистая вода, т.е.е. без солей, минералов и примесей.

Чистая вода не проводит электричество

Для того, чтобы электричество проходило через жидкость, заряд должен проходить через жидкость. Полностью деионизированная вода, другими словами, абсолютно «чистая» вода не имеет ионов.

Следовательно, через воду не проходит заряд, поэтому чистая вода не проводит электричество.

В дистиллированной воде нет примесей и, следовательно, ионов. Есть только нейтральные молекулы, и эти нейтральные молекулы не имеют заряда.По этой причине дистиллированная вода также не может проводить электричество.

Почему обычная вода является хорошим проводником электричества?

Водопроводная вода, дождевая и морская вода содержат бесчисленные примеси, такие как ионы натрия Na +, кальция Ca2 + и магния Mg2 +. Поскольку они заряжаются, когда находятся в воде, электричество может протекать через жидкость.

Вода не нуждается в большом количестве примесей, чтобы служить хорошим проводником электричества; даже небольшое количество ионов может позволить источнику воды проводить электричество.

Короче говоря, вода способна проводить электричество за счет растворенных ионов и примесей.

Когда аккумулятор с положительным и отрицательным полюсами помещается в воду, положительные ионы притягиваются отрицательным полюсом, а отрицательные ионы — положительным полюсом, создавая замкнутую цепь.

Вода амфотерная по своей природе, что означает, что она может действовать как основание и кислота. Это очень хороший источник водорода, поскольку электроположительные элементы восстанавливают воду до молекулы водорода, что полезно в окислительно-восстановительных реакциях.

Вода имеет самое высокое поверхностное натяжение из всех жидкостей, кроме ртути. Это свойство воды обусловлено связыванием водорода в молекулах воды.

Статьи по теме

Статьи по теме

Поскольку вода, которую мы используем в повседневной жизни, неизбежно загрязнена, лучше держать все электроприборы подальше, чтобы они никогда не соприкасались с ней.

Вы поняли, является ли вода проводником электричества?

Пройдите короткую викторину и оцените свое понимание.

Начать викторину

Ваш ответ:

Правильный ответ:

Далее

У вас {{SCORE_CORRECT}} из {{SCORE_TOTAL}}

Пройти тест еще раз

Рекомендуемая литература

Физики нашли металл, который проводит электричество, но не нагревает

Исследователи определили металл, который проводит электричество, но не проводит тепло — невероятно полезное свойство, которое бросает вызов нашему нынешнему пониманию того, как работают проводники.

Металл противоречит так называемому закону Видемана-Франца, который в основном гласит, что хорошие проводники электричества также будут пропорционально хорошими проводниками тепла, поэтому такие вещи, как двигатели и приборы, становятся такими горячими, когда вы их регулярно используете.

Но группа ученых из США показала, что это не относится к металлическому диоксиду ванадия (VO ₂ ) — материалу, который уже хорошо известен своей странной способностью переключаться с прозрачного изолятора на проводящий металл. при температуре 67 градусов по Цельсию (152 градуса по Фаренгейту).

«Это было совершенно неожиданное открытие», — сказал ведущий исследователь Цзюньцяо Ву из отдела материаловедения лаборатории Беркли.

«Это показывает резкое нарушение закона из учебника, который, как известно, был надежным для обычных проводников.Это открытие имеет фундаментальное значение для понимания основного электронного поведения новых проводников ».

Это неожиданное свойство не только меняет то, что мы знаем о проводниках, оно также может быть невероятно полезным — металл однажды можно будет использовать для преобразования потраченного впустую тепла. от двигателей и приборов обратно в электричество, или даже создать более качественные оконные покрытия, которые сохранят здания прохладными.

Исследователи уже знают несколько других материалов, которые проводят электричество лучше, чем тепло, но они проявляют эти свойства только при температурах в сотни градусов ниже нуля, что делает их крайне непрактичными для любых реальных приложений.

Диоксид ванадия, с другой стороны, обычно является проводником только при высоких температурах, значительно превышающих комнатную, что означает, что он может быть намного более практичным.

Чтобы обнаружить это странное новое свойство, команда исследовала способ движения электронов в кристаллической решетке диоксида ванадия, а также количество выделяемого тепла.

К удивлению, они обнаружили, что теплопроводность, которую можно отнести к электронам в материале, была в 10 раз меньше, чем величина, предсказанная законом Видемана-Франца.

Причина этого, по-видимому, заключается в синхронизированном движении электронов через материал.

«Электроны движутся синхронно друг с другом, как жидкость, а не как отдельные частицы, как в обычных металлах», — сказал Ву.

«Для электронов тепло — это случайное движение. Нормальные металлы эффективно переносят тепло, потому что существует так много различных возможных микроскопических конфигураций, между которыми могут прыгать отдельные электроны».

«Напротив, скоординированное движение электронов в диоксиде ванадия, похожее на марширующую полосу, вредно для теплопередачи, поскольку существует меньше конфигураций, доступных для электронов, которые могут беспорядочно прыгать между ними», — добавил он.

Интересно, что когда исследователи смешали диоксид ванадия с другими материалами, они смогли «настроить» количество электричества и тепла, которое он может проводить, что может быть невероятно полезным для будущих приложений.

Например, когда исследователи добавили металлический вольфрам к диоксиду ванадия, они снизили температуру, при которой материал стал металлическим, а также сделали его лучше проводником тепла.

Это означает, что диоксид ванадия может способствовать отводу тепла из системы, проводя тепло только при достижении определенной температуры.Раньше это был изолятор.

Диоксид ванадия также обладает уникальной способностью быть прозрачным до температуры около 30 градусов по Цельсию (86 градусов по Фаренгейту), но затем отражает инфракрасный свет с температурой выше 60 градусов по Цельсию (140 градусов по Фаренгейту), оставаясь прозрачным для видимого света.

Это означает, что его можно даже использовать в качестве покрытия для окон, которое снижает температуру без необходимости кондиционирования воздуха.

«Этот материал можно использовать для стабилизации температуры», — сказал один из исследователей, Фань Ян.

«Регулируя свою теплопроводность, материал может эффективно и автоматически рассеивать тепло жарким летом, потому что он имеет высокую теплопроводность, но предотвращает потерю тепла холодной зимой из-за своей низкой теплопроводности при более низких температурах».

Необходимо провести гораздо больше исследований этого загадочного материала, прежде чем он получит дальнейшее коммерческое распространение, но довольно интересно, что теперь мы знаем, что эти странные свойства присутствуют в материале при комнатной температуре.

Исследование опубликовано в журнале Science.

Будет ли это вести? — Мероприятие

(0 Рейтинги)

Быстрый просмотр

Уровень оценки: 4 (3-5)

Требуемое время: 45 минут

Расходные материалы на группу: 4 доллара США.50

Размер группы: 4

Зависимость действий: Нет

Associated Sprinkle: Будет ли проводиться? (для неформального обучения)

Тематические области: Алгебра, физические науки

Ожидаемые характеристики NGSS:

---

Поделиться:

Резюме

Занимаясь научной и инженерной практикой проведения наблюдений и измерений для получения данных, учащиеся получают представление о феномене электричества.Применяя основную дисциплинарную идею измерения, студенты создают свои собственные простые тестеры проводимости и исследуют, являются ли твердые материалы и растворы жидкости хорошими проводниками электричества. Изучая явление электричества, студенты также применяют сквозную концепцию стандартных единиц. Данная инженерная программа соответствует научным стандартам нового поколения (NGSS).

Инженерное соединение

Инженеры-электрики и компьютерщики проектируют печатные платы, которые служат «мозгом» компьютеров, игрушек, автомобилей, самолетов и приборов, которые мы используем каждый день.Инженеры хорошо разбираются в том, какие материалы и решения являются лучшими проводниками и изоляторами, и при проектировании подбирают свойства и характеристики материала в зависимости от ситуации. Благодаря соответствующему выбору материалов для микрочипов и деталей инженеры проектируют устройства и устройства, на которые мы полагаемся каждый день.

Цели обучения

После этого занятия студенты должны уметь:

• Предскажите, может ли объект проводить электричество.
• Создайте тестер проводимости, чтобы определить, верен ли их прогноз.
• Сравнивайте и упорядочивайте предметы и материалы по их относительной способности проводить электричество.
• Поймите, что инженеры должны надлежащим образом выбирать материалы для микрочипов и деталей, чтобы проектировать устройства и устройства, на которые мы полагаемся каждый день

Образовательные стандарты

Каждый урок или задание TeachEngineering соотносится с одним или несколькими научными дисциплинами K-12, образовательные стандарты в области технологий, инженерии или математики (STEM).

Все 100000+ стандартов K-12 STEM, охватываемых TeachEngineering , собираются, обслуживаются и упаковываются сетью стандартов достижений (ASN) , проект D2L (www.achievementstandards.org).

В ASN стандарты иерархически структурированы: сначала по источникам; например , по штатам; внутри источника по типу; например , естественные науки или математика; внутри типа по подтипу, затем по классу, и т. д. .

NGSS: научные стандарты нового поколения — наука

Ожидаемые характеристики NGSS
5-ПС1-3. Выполняйте наблюдения и измерения для идентификации материалов на основе их свойств.(5 класс) Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!
Нажмите, чтобы просмотреть другие учебные программы, соответствующие этим ожиданиям от результатов.
В этом упражнении основное внимание уделяется следующим аспектам трехмерного обучения NGSS:
Наука и инженерная практика	Основные дисциплинарные идеи	Общие концепции
Проводите наблюдения и измерения, чтобы получить данные, которые послужат основой для свидетельств для объяснения явления. Соглашение о выравнивании: Спасибо за ваш отзыв!	Для идентификации материалов можно использовать измерения различных свойств. (Граница: на этом уровне не различаются масса и вес, и не делается попыток определить невидимые частицы или объяснить атомный механизм испарения и конденсации.) Соглашение о согласовании: Спасибо за ваш отзыв!	Стандартные единицы используются для измерения и описания физических величин, таких как вес, время, температура и объем. Соглашение о выравнивании: Спасибо за ваш отзыв!

Общие основные государственные стандарты — математика

• Нарисуйте масштабированный графический график и масштабированную гистограмму, чтобы представить набор данных с несколькими категориями. Решайте одно- и двухэтапные задачи «на сколько больше» и «на сколько меньше», используя информацию, представленную в виде масштабированных гистограмм.(Оценка 3) Подробнее

  Посмотреть согласованную учебную программу

  Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

• Представляйте и интерпретируйте данные.(Оценка 4) Подробнее

  Посмотреть согласованную учебную программу

  Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

• Используйте расстановку знаков после запятой для округления десятичных дробей в любом месте.(Оценка 5) Подробнее

  Посмотреть согласованную учебную программу

  Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

Международная ассоциация преподавателей технологий и инженерии — Технология

ГОСТ Предложите выравнивание, не указанное выше

Какое альтернативное выравнивание вы предлагаете для этого контента?

Список материалов

Каждой группе необходимо:

• 4 широкие резинки
• 2 или 3 батареи типа D
• 1 лампочка # 40 (продается в большинстве хозяйственных магазинов)
• 1 патрон лампы №40 (продается в большинстве хозяйственных магазинов)
• 2.Изолированный провод длиной 5 футов (76 см) (калибр 22 AWG) (доступен в большинстве хозяйственных магазинов)
• Полоска алюминиевой фольги шириной 2 дюйма (5 см) (ширина коробки должна быть достаточной)
• 4 Будет ли он вести себя? Задания
• Рабочие листы по 4 элементарной проводимости по математике (для классов 4 и 5)

На долю всего класса:

• Набор твердых объектов для испытаний: гвозди или шурупы (из различных металлов), стеклянная палочка для перемешивания, деревянный дюбель, картон, резиновая резинка, резиновая подошва для обуви, пластиковая посуда, старая металлическая посуда, латунный ключ, пробка, медная проволока, мел. , алюминиевая фольга, графит (от механического карандаша), пластиковая ручка, перья, пенополистирол и др.
• Набор тестовых растворов, включая: водопроводную воду, соленую воду (с использованием дистиллированной воды), сахарную воду (с использованием дистиллированной воды), пищевую соду и воду (с использованием дистиллированной воды), лимонную кислоту, уксус, Gatorade или спортивный напиток
• Набор тестовых растворов: водопроводная вода с несколькими из следующих компонентов трех концентраций: соль, сахар, пищевая сода, лимонная кислота, уксус, нашатырный спирт; или напиток Pedialyte, Gatorade или спортивный напиток
• Стеклянные стаканы или пластиковые стаканчики для каждого тестового раствора
• Малярная лента
• Вода дистиллированная
• Водопроводная вода
• Маркер (для маркировки растворов)
• Щипцы для зачистки проводов или наждачная бумага (для удаления изоляции на концах проводов)

Примечание. Многие материалы, необходимые для этой лаборатории, можно повторно использовать в других сферах деятельности, связанных с электричеством.Когда батареи со временем изнашиваются, утилизируйте их на свалке с опасными отходами.

Рабочие листы и приложения

Посетите [www.teachengineering.org/activities/view/cub_electricity_lesson04_activity1], чтобы распечатать или загрузить.

Больше подобной учебной программы

Введение / Мотивация

Перед тем, как начать упражнение, вы можете напомнить учащимся, что текущее электричество — это движение электронов от атома к атому.Вы также можете проверить, что электроны несут отрицательный электрический заряд.

Для начала спросите студентов, знают ли они, откуда мы получаем электричество? (Возможные ответы: розетка в стене, электростанция, от ископаемого топлива.) Объясните ученикам, что в настоящее время электричество, которое мы используем в школах, на предприятиях и в домах, поступает от электростанции. Электростанция отправляет электроэнергию на подстанции, которые расположены в микрорайонах. Подстанции отправляют электроэнергию в местные предприятия и дома.

Затем спросите учащихся, знают ли они, как текущая электроэнергия может передаваться с электростанции на подстанции и, наконец, на предприятия и дома? (Ответ: через электрические провода.) Теперь спросите студентов, знают ли они, из какого материала сделаны эти провода? (Ответ: медь.) Покажите классу несколько пенсов и объясните, что провода, соединяющие электростанцию, подстанцию, а затем и предприятия и дома, сделаны из меди … как пенни! Сообщите учащимся, что мы используем медь для электрических проводов, потому что электричество может легко проходить через медь.Объясните: текущее электричество легче протекает через одни объекты, чем через другие. Материалы, через которые могут двигаться электроны, называются проводниками и . Большинство металлов являются хорошими проводниками, потому что электроны слабо прикреплены к атомам. В этом случае накопление отрицательного заряда может протолкнуть эти электроны через материал. Теперь спросите студентов, могут ли только твердые тела проводить электричество? (Ответ: Нет. Растворы электролитов также могут проводить электричество.) Объясните: когда определенные твердые вещества растворяются в жидкости, полученный раствор может проводить электричество; мы называем эти растворы растворами электролитов .

Спросите студентов, знают ли они, что мы называем материалами, которые не позволяют электронам проходить через них? (Ответ: Изоляторы.) В изоляторе электроны плотно прикреплены к атомам в материале, и их нельзя заставить перемещаться от одного атома к другому, поэтому электричество не течет. Некоторые хорошие примеры изоляторов включают пластик, ткань, воздух, камень и стекло. Объясните, что они узнают больше о проводниках и изоляторах во время занятия.

Наконец, расскажите студентам, что инженеры-электрики также используют медные провода в качестве проводников электричества при проектировании электронных плат (см. Рисунок 1).Медные провода на печатной плате называются дорожками и закреплены на изолированной пластиковой плате (часто зеленого цвета), называемой подложкой . Медные дорожки тщательно наносятся на печатную плату инженерами-электриками, подключающими электрические компоненты (такие как резисторы, конденсаторы и микрочипы) на печатной плате и обеспечивающие электричеством эти компоненты.

Рис. 1. Инженеры проектируют компоненты компьютера, используя преимущества различных электрических свойств материалов.авторское право

Copyright © Microsoft Corporation, 1983-2001.

Процедура

Фон — твердые тела

Металлы — хорошие проводники. Пластмассы, изделия из дерева, керамика и стекло — это изоляторы. Графит от карандаша проводит, но имеет более высокое сопротивление, чем металлы. Графит, как и кремний, является полупроводником; он имеет промежуточные электрические свойства между изоляторами и проводниками.Таким образом, в процессе работы, в зависимости от длины графита, лампочка может быть значительно тусклее, чем при использовании металлического предмета.

Сопротивление объекта зависит не только от его состава, но и от его длины, площади поперечного сечения и температуры. Например, длинный кусок меди имеет более высокое сопротивление, чем короткий кусок меди того же диаметра. Кусок меди длиной 1 м и диаметром 2 см имеет более высокое сопротивление, чем кусок меди длиной 1 м и диаметром 3 см.Если температура куска меди повышается, ее сопротивление также увеличивается.

Инженеры определяют наиболее эффективные способы использования материалов для данной цели. Когда инженер проектирует объект с определенным сопротивлением, он должен учитывать, насколько дорог этот материал, как форма объекта повлияет на его сопротивление и в каких диапазонах температур он будет подвергаться воздействию. Например, инженер может использовать более дорогой материал для изготовления небольшого критического элемента схемы и более дешевый материал для изготовления элементов схемы большего размера.

Предпосылки — жидкости и растворы

Именно присутствие в растворе ионов позволяет ему проводить электричество. Положительные ионы перемещаются к отрицательному электроду, а отрицательные ионы перемещаются к положительному электроду. Электропроводность раствора пропорциональна концентрации ионов в растворе. Следовательно, растворы с низкой концентрацией ионов слабо проводят электричество; в таких случаях во время активности лампочка тестера проводимости может не загораться или тускло светиться.

Лампочка не загорается, когда электроды помещены в дистиллированную воду. Однако в цепи может быть очень небольшой ток из-за присутствия в воде ионов H ⁺ (ионы водорода) и OH ^— (гидроксид). Эти ионы образуются при спонтанной диссоциации молекул воды. Эти ионы также спонтанно рекомбинируют с образованием молекул воды. Поскольку только несколько молекул воды диссоциируют за определенное время, ионы составляют очень небольшую часть частиц в дистиллированной воде.Поэтому дистиллированная вода — очень плохой проводник. С другой стороны, водопроводная вода может быть хорошим проводником электричества из-за наличия множества различных ионов, таких как Ca ²⁺ , Na ⁺ , Li ⁺ , Cl ^— и т. Д. из-за низкого напряжения, используемого в этой деятельности, водопроводная вода может не проводить электричество.

При добавлении ионного твердого вещества или соли к дистиллированной воде образуется раствор, проводящий электричество. Когда твердое ионное вещество, такое как поваренная соль NaCl, добавляется в воду, оно диссоциирует — распадается на ионы с противоположным зарядом — на Na ⁺ и Cl ^—.Соли — сильные электролиты — они полностью диссоциируют. Увеличение количества соли в растворе увеличивает проводимость раствора.

Кислоты и основания также распадаются с образованием ионов при растворении в воде. Следовательно, раствор кислоты или основания проводит электричество. Сильные кислоты, такие как серная кислота или соляная кислота, и сильные основания, такие как гидроксид натрия или гидроксид калия, являются сильными электролитами, потому что, когда они растворяются в воде, почти каждая молекула диссоциирует с образованием ионов.С другой стороны, слабые электролиты, такие как слабые кислоты и слабые основания, при растворении в воде производят относительно мало ионов. Лимонная кислота и уксусная кислота (в уксусе) — слабые кислоты. Пищевая сода и нашатырный спирт — слабые основания. Когда слабые электролиты растворяются в воде, раствор является плохим проводником. Увеличение концентрации слабого электролита в растворе увеличивает проводимость раствора. Увеличение количества кислоты или основания в растворе увеличивает проводимость раствора, позволяя заряду перемещаться по цепи и зажигать лампочку.

Материалы, растворяющиеся в воде без образования ионов, не являются электролитами. Сахар, этанол и керосин не являются электролитами. Неэлектролиты образуют растворы, которые не проводят электричество при растворении в воде.

Перед мероприятием

1. Соберите набор твердых предметов для учеников, чтобы они могли использовать их в качестве проводников или изоляторов (примеры см. В Списке материалов).
2. Приготовьте решения для тестирования учащимися. Смешайте дистиллированную воду и одну столовую ложку (14.8 мл) одного из предложенных ингредиентов (X) (соль, сахар, пищевая сода, лимонная кислота, уксус или аммиак) в контейнерах с разными этикетками.
3. Налейте в емкость одну чашку дистиллированной воды и промаркируйте ее. Налейте одну чашку водопроводной воды в другую и промаркируйте ее. Налейте в чашку одну чашку спортивного напитка и промаркируйте ее.

4. Отрежьте четыре куска проволоки диаметром 3 дюйма (7,6 см) и два куска проволоки диаметром 9 дюймов (23 см) для каждой группы.
5. Распечатайте рабочие листы (Рабочий лист и Рабочий лист по элементной проводимости), по одному на каждого учащегося.

Со студентами

1. С помощью инструмента для зачистки проводов или наждачной бумаги снимите изоляцию на 1/2 дюйма (1,3 см) с концов каждого куска провода, чтобы обеспечить надежное соединение.
2. Приклейте один конец короткого провода к положительному выводу аккумуляторной батареи D-типа липкой лентой. Подключите другой конец короткого провода к одному выводу патрона лампочки. Чтобы соединение было надежным, оберните провод вокруг винта на клемме держателя лампы U-образной формы. Подключите длинный кусок провода к отрицательной клемме батареи D-cell с помощью клейкой ленты.Подсоедините второй кусок длинного провода к открытой клемме патрона лампы.
3. Проверьте свою схему, соединив свободные концы провода вместе. Что происходит? (Ответ: электрическая цепь замкнута и лампочка горит.) Если лампочка не горит, проверьте все соединения и повторите попытку. Теперь оставьте цепь разомкнутой. Мы будем использовать эту схему в качестве тестера проводимости.
4. Используйте схему в качестве измерителя проводимости твердых предметов. Получите у учителя материалы для тестирования. Предскажите, будет ли каждый предмет проводить электричество.Затем прикоснитесь концами двух проводов к тестируемому объекту, чтобы проверить, замкнута ли цепь. Как узнать, является ли предмет проводником или изолятором? (Ответ: Если объект является проводником, лампочка загорится. Если объект является изолятором, лампочка не загорится.)

Рис. 1. Схема действия — тестер электропроводности для твердых тел. Авторское право

Авторское право © Джо Фридрихсен, Программа и лаборатория ITL, Университет Колорадо в Боулдере, 2003.

5. Предскажите, какие объекты, по вашему мнению, будут проводить электричество.Запишите свои прогнозы на сайте Will It Conduct? Рабочий лист.
6. Используйте тестер цепей, чтобы определить, является ли каждый объект проводником или изолятором. Запишите результаты теста в рабочий лист.
7. Сделайте тестер проводимости для жидкостей: модифицируйте тестер проводимости, добавив последовательно одну или две батареи (см. Рисунок 3). Используйте короткие отрезки провода для последовательного соединения батарей.
8. Осторожно оберните алюминиевой фольгой концы двух проводов с открытым концом, чтобы получился электрод.(Примечание: установка из фольги на Рисунке 3 отсутствует.) Сделайте каждый электрод длиной 1 дюйм (2,5 см) и шириной дюйма (6 мм).
9. Проверьте свою схему. Соедините кусочки фольги вместе, чтобы замкнуть цепь. Что происходит? (Ответ: когда вы соприкасаетесь фольговыми электродами вместе, лампочка загорается, потому что цепь замкнута.)
10. Предскажите, какие жидкости будут проводить электричество, записав свои прогнозы на листе. Как узнать, проводит ли жидкость электричество? (Ответ: если жидкость проводит электричество, лампочка загорится.)
11. Используйте схему в качестве измерителя проводимости жидкостей. Проверьте каждую жидкость, погрузив электроды в раствор и удерживая электроды близко , не касаясь друг друга . Будьте осторожны, держите провод только там, где он изолирован. Наденьте новые электродные полоски из алюминиевой фольги для каждого теста.

Рис. 2. Настройка деятельности: тестер электропроводности для жидкостей и растворов. Авторское право

Авторские права © Джо Фридрихсен, Программа и лаборатория ITL, Университет Колорадо в Боулдере, 2003.

12. Запишите результаты теста в рабочий лист. Чем ваши результаты отличались от ваших прогнозов?
13. Ответьте на все оставшиеся вопросы по программе Will It Conduct? Рабочий лист.
14. Заполните Рабочий лист по элементарной проводимости.

Оценка

Оценка перед началом деятельности

Вопрос для обсуждения: Запрашивайте, объединяйте и обобщайте ответы студентов:

• Спросите студентов, могут ли только твердые тела проводить электричество? (Ответ: Нет.Раствор электролита также может проводить электричество.)

Прогноз: Попросите учащихся предсказать результат действия до того, как оно будет выполнено.

• Положите пенни, стакан воды из-под крана и лист бумаги на стол и попросите учащихся предсказать, какие из них будут проводить электричество лучше и хуже. (Ответ: Только пенни будет хорошо проводить электричество.)

Встроенная оценка деятельности

Рабочий лист: Попросите учащихся использовать «Будет ли это поведение?». Рабочий лист для записи своих наблюдений и ответов на вопросы.

Оценка после деятельности

Анализ прогнозов: Попросите учащихся сравнить свои первоначальные прогнозы с результатами тестов, записанными на рабочих листах. Попросите студентов объяснить, почему одни решения проводят электричество, а другие — нет.

Внутри-внешний круг: Предложите ученикам сформировать два концентрических круга (внутренний-внешний круг), чтобы у каждого ученика был партнер, обращенный к ним из другого круга. Внешний круг обращен внутрь, а внутренний круг обращен наружу.При необходимости могут работать вместе три человека. Задайте студентам вопрос (см. Ниже). Попросите партнеров посоветоваться друг с другом, чтобы обсудить ответ. Если они не могут прийти к согласию относительно ответа, они могут проконсультироваться с другой парой. Призывайте ответы к внутреннему или внешнему кругу или классу в целом. Повторяйте, пока не дадите правильный ответ на все вопросы. Вопросы:

• Почему инженеры используют в схемах токопроводящие материалы? (Ответ: Инженеры используют проводники для создания частей цепи, в которых будет протекать электрический ток.)
• Инженер должен выбирать между изготовлением проволоки из меди или серебра. Какой материал вы порекомендуете им выбрать? Почему? (Ответ: Медь дешевле серебра.)
• Какие типы материалов являются хорошими проводниками? (Ответ: Любые металлы.)
• Некоторые металлы проводят лучше, чем другие? Почему? (Ответ: Да, проводимость зависит от количества валентных электронов (находящихся во внешней оболочке, доступных для перемещения). Для практических приложений плотность играет важную роль, и поэтому линии электропередач обычно изготавливаются из алюминия, а не из меди ( менее проводящий материал, но намного легче, поэтому, даже если он толще, алюминий будет легче при той же проводимости.)
• Как узнать, проводит ли жидкость электричество? (Ответ: если жидкость проводит электричество, цепь замыкается и загорается лампочка.)
• Какие три дирижера были лучшими в этом мероприятии? (Ответ: может отличаться в зависимости от предоставленных материалов.)
• Какой твердый проводник был лучшим в работе? (Ответ: Будет по-разному.)
• Какой жидкий проводник был лучшим в работе? (Ответ: Будет отличаться.)

Вопросы безопасности

• Попросите студентов быть особенно осторожными при зачистке провода, чтобы не порезать себя или других студентов.
• Попросите учащихся не держать пальцами изолированный провод на батарее D-элемента в течение длительного времени, потому что оголенные концы провода нагреваются, когда их держат за клеммы батареи.

Советы по поиску и устранению неисправностей

Напомните учащимся, что необходимо заменять электроды из алюминиевой фольги каждый раз, когда они проверяют другой раствор, поскольку электроды могут быть загрязнены предыдущим раствором.

Студенты должны быть осторожны, держа электроды из фольги немного раздвинутыми при помещении в жидкость; они получат ложное срабатывание, если два электрода соприкоснутся.

Расширения деятельности

Выберите один проводящий материал для проверки с помощью тестера проводимости. Берут образцы материала разной длины и сечения. Попросите учащихся использовать тестер проводимости, чтобы показать, что сопротивление увеличивается с увеличением длины и уменьшается с увеличением площади поперечного сечения.

Иметь студенческие исследования кислот и оснований. Какие бывают распространенные кислоты и основания и как они используются?

Предложите студентам провести исследования по использованию различных материалов в электрических цепях: меди, золота, алюминия, бумаги, пластика и т. Д.

Масштабирование активности

• Для младших классов попросите учащихся измерить проводимость по яркости лампы. Они должны поместить каждый объект в категорию в соответствии с интенсивностью света, производимого лампочкой, когда они тестировали объект: яркий, тусклый, ничего.

использованная литература

Experiments in Electrochemistry, Fun Science Gallery, по состоянию на март 2004 г. Ранее доступно по адресу: http://www.funsci.com/fun3_en/electro/electro.htm

Where Electricity Comes From, Южная Калифорния, Эдисон, по состоянию на март 2004 г .: http://www.sce.com/

Visualizing Electron Orbitals, Государственный университет Джорджии, по состоянию на август 2013 г .: http: // hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/chemical/eleorb.html

авторское право

© 2004 Регенты Университета Колорадо.

Авторы

Ксочитл Замора Томпсон; Сабер Дурен; Джо Фридрихсен; Дарья Котыс-Шварц; Малинда Шефер Зарске; Дениз Карлсон

Программа поддержки

Комплексная программа преподавания и обучения, Инженерный колледж, Университет Колорадо в Боулдере

Благодарности

Содержание этой учебной программы по цифровой библиотеке было разработано за счет гранта Фонда улучшения послесреднего образования (FIPSE), U.S. Министерство образования и Национальный научный фонд ГК-12, грант No. 0338326. Однако это содержание не обязательно отражает политику Министерства образования или Национального научного фонда, и вам не следует предполагать, что оно одобрено федеральным правительством.

Последнее изменение: 4 ноября 2021 г.

Ручки и отверстия в абстрактных пространствах: как работает

м

image: Исследования процветают в увлекательном мире топологии, абстрактной дисциплины, которая дает мощный потенциал… справиться с некоторыми из самых экзотических свойств материи. Таким образом, ученые из Школы Триеста исследовали, как точно оценить перенос заряда и токи в обычных ионных жидкостях в соответствии с квантовой природой материала. посмотреть еще

Кредит: Паоло Пеголо, Федерико Граселли, Стефано Барони

Сфера и куб можно деформировать друг в друга без надрезов и стежков.Кружка и стакан не могут, потому что, чтобы превратить первое во второе, нужно сломать ручку. Топология — это раздел математики, который формализует это различие между кружками и очками, распространив его также на абстрактные пространства с множеством измерений. Новая теория, разработанная учеными из SISSA в Триесте, смогла установить новую взаимосвязь между наличием или отсутствием «ручек» в пространстве расположения атомов и молекул, составляющих материал, и склонностью последних к поведению. электричество.Согласно этой теории, изоляционные материалы, «снабженные ручками», могут проводить электричество так же, как металлы, сохраняя при этом типичные свойства изоляторов, такие как прозрачность.

Исследование, которое только что было опубликовано в журнале Physical Review X , процветает в увлекательном мире топологии, абстрактной дисциплины, которая дает мощный инструмент (каламбур!) Для некоторых из самых экзотических свойств материи. . Таким образом, ученые из Школы Триеста исследовали, как точно оценить перенос заряда и токи в обычных ионных жидкостях в соответствии с квантовой природой материала.

Таким образом, они разработали теорию для объяснения физических явлений, которые были известны уже более века, но которые до сих пор не имели строгой интерпретационной базы и прогностической основы, тем самым заложив основы для крупных технологических разработок, например, в области термоэлектрической энергии. материалы.

Металлы и минеральная вода, отражение и прозрачность

«Обычно мы разделяем материалы на проводники и изоляторы в зависимости от их способности проводить электричество или нет», — объясняют авторы исследования Паоло Пеголо, Федерико Грасселли и Стефано Барони.«В металле, который является типичным проводником, некоторые электроны свободно перемещаются внутри ионной кристаллической решетки. Однако некоторые жидкости, такие как минеральная вода, также проводят электричество благодаря переносу заряженных ионов, растворенных в них. В этом случае мы говорим об ионных проводниках, которые прозрачны, а металлы отражают ». Ионные жидкости были в центре внимания недавнего исследования. «Мы хотели разработать теорию, основанную на квантовой природе атомов и способную описать перенос заряда в этом типе проводников», — объясняют ученые.«Звуковое объяснение этого явления также может быть полезно для создания новых материалов с беспрецедентными электрическими свойствами».

Топология на службе физики

Ученые заимствовали математический аппарат топологии. Таким образом, теория Пеголо, Грасселли и Барони связала перенос в ионных жидкостях с существованием в абстрактном пространстве структур, которые представляют собой отверстия или ручки. «Если эти структуры существуют, можно транспортировать электроны, не перемещая ионы, тем самым значительно улучшая свойства электропроводности материала, оставляя его неметаллическим и, следовательно, прозрачным.В отсутствие отверстий или ручек электроны остаются связанными со своим атомом, и проводимость становится менее эффективной ».« Эти явления, — продолжают исследователи, — известны в физике уже не менее ста лет. Наше исследование дает им элегантную и мощную математическую основу и надежную теоретическую опорную структуру ».

Возможные технологические разработки

Эта теория находит применение в науке о термоэлектрических материалах, которые тем эффективнее, чем больше они способны гарантировать проводимость электричества без нагрева.Исследователи приходят к выводу: «Материалы, описанные в этой теории, не обладают металлическими свойствами и, таким образом, способствуют теплоизоляции, но наличие электронов, которые достаточно подвижны для переноса, увеличивает их электропроводность. Оба эти качества являются важными качествами, которые на технологическом уровне: может внести большой вклад в разработку более эффективных и современных устройств «.

Наука о материалах электролитов также может извлечь выгоду из результатов этого исследования, поскольку лучшее понимание проводимости при отсутствии металличности может привести к разработке эффективных и электрохимически стабильных батарей.

###

---

---

Журнал

Физический обзор X

Заявление об ограничении ответственности: AAAS и EurekAlert! не несут ответственности за точность выпусков новостей, размещенных на EurekAlert! участвующими учреждениями или для использования любой информации через систему EurekAlert.

Есть металл, который проводит электричество, но не тепло

Диоксид ванадия

В науке существует закон, известный как закон Видемана-Франца, который просто гласит, что большинство металлов, которые являются хорошими проводниками электричества, также являются хорошими проводниками тепла. . Этот закон, по сути, объясняет, почему такие вещи, как моторы и смартфоны, нагреваются, когда они используются в течение длительного периода времени.

Однако был обнаружен один металл, нарушающий это правило. Известный как металлический диоксид ванадия (VO2), он, по-видимому, способен проводить электричество без сопутствующего тепла.VO2 уже является уникальным металлом — он может переключаться между изолятором и проводником при нагревании до 67 градусов по Цельсию (152 градусов по Фаренгейту), но его отклонение от закона Видемана-Франца означает, что он может быть идеальным для более широкого спектра применений. для каких других металлов не подходят.

Исследование, которое привело к раскрытию информации о VO2, было проведено группой ученых из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики (Лаборатория Беркли) и Калифорнийского университета в Беркли еще в январе.Исследователи были удивлены и взволнованы, увидев уникальные возможности этого материала.

«Это было совершенно неожиданное открытие, — сказал ведущий исследователь и физик Цзюньцяо Ву из отдела материаловедения лаборатории Беркли. «Это показывает резкое нарушение закона из учебников, который, как известно, был надежным для обычных проводников. Это открытие имеет фундаментальное значение для понимания основного электронного поведения новых проводников ».

Дальнейший анализ

Ву и его команда обратились к сотруднику Национальной лаборатории Ок-Ридж и профессору Университета Дьюка Оливье Делэру, чтобы узнать больше о VO2.Используя моделирование и эксперименты по рассеянию рентгеновских лучей, их совместные усилия позволили им наблюдать кристаллическую решетку материала — известную как фононы — и то, как движутся его электроны. Затем диоксид ванадия показал команде, что теплопроводность, приписываемая электронам, в десять раз меньше, чем ожидалось законом Видемана-Франца. Кроме того, электроны двигались подобно жидкости.

«Электроны движутся синхронно друг с другом, как жидкость, а не как отдельные частицы, как в обычных металлах», — объяснил Ву.«Для электронов тепло — это случайное движение. Нормальные металлы эффективно переносят тепло, потому что существует так много различных возможных микроскопических конфигураций, между которыми могут прыгать отдельные электроны ».

Ву добавил: «Напротив, скоординированное движение электронов в диоксиде ванадия, подобное маршевой полосе, вредно для теплопередачи, поскольку существует меньше конфигураций, доступных для электронов, которые могут беспорядочно прыгать между ними».

На этом сюрпризы не закончились. Затем команда обнаружила, что количество электричества и тепла, которое может проводить VO2, можно регулировать, когда вводятся другие материалы.Например, добавление металлического вольфрама одновременно снижает температуру, при которой VO2 становится металлическим, и делает его лучшим проводником тепла.

«Этот материал можно использовать для стабилизации температуры», — сказал Фань Ян, научный сотрудник лаборатории молекулярной литейной лаборатории Беркли и соавтор исследования. Далее Ян объяснил, что потребуются дополнительные работы и исследования, прежде чем диоксид ванадия можно будет коммерциализировать и использовать в общедоступных продуктах.

Тем не менее, команда отмечает, что VO2 может быть использован для удаления или, по крайней мере, уменьшения тепла в двигателях или для создания оконного покрытия, которое «улучшает эффективное использование энергии в зданиях.«Представьте себе, что вы можете охладить комнату без использования кондиционеров или стоячих вентиляторов или удерживать тепло внутри здания зимой.

Конечно, время покажет, справится ли диоксид ванадия с этой задачей. Независимо от результата, интересно узнать, как такие характеристики существуют в ничего не подозревающих материалах.

Заботитесь о поддержке внедрения чистой энергии? Узнайте, сколько денег (и планеты!) Вы можете сэкономить, переключившись на солнечную энергию на сайте UnderstandSolar.