Эбонит – один из наиболее востребованных поделочных и конструкционных материалов. Он изготавливается из натурального каучука путем вулканизации в присутствии небольшого количества серы. Эбонит достаточно часто используют как заменитель кости, рога и поделочных камней, и применяют для изготовления ножей, мундштуков, различных сувениров, а также браслетов, колец и т.д.
Благодаря такому широкому применению этого материала в бытовых целях, очень важно знать, можно ли использовать материал в электричестве и проводит ли эбонит электрический ток . Этот вопрос мы и рассмотрим далее.
В нашем интернет-магазине вы сможете с доставкой по Москве по доступным ценам. Мы предоставляем скидки на оптовые партии.
Эбонит – это проводник или диэлектрик?
Как известно, все материалы делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики. При этом такое деление является достаточно условным, так как возможность протекания электрического в телах зависит не только от вида вещества, но и от условий окружающей среды, агрегатного состояния, наличия примесей и множества других факторов.
Поэтому чаще всего деление веществ на проводники и диэлектрики принято проводить по величине удельного электрического сопротивления:
- Для проводников это значение составляет ρ
- Для диэлектриков – ρ > 108 Ом·м.
Полупроводники занимают среднее положение между этими двумя классами и обладают удельным электрическим сопротивлением, равным 10−5 – 108 Ом·м. Однако такое разделение не позволяет точно определить, проводит при данных условиях материал электрический ток или нет.
Понять является ли то или иное вещество проводником, изучив его физические свойства и поведение в электрическом поле. Поэтому, чтобы определить, проводит ли эбонит электрический ток или нет , рассмотрим , а также его поведение в электростатическом поле.
Как определить, проводит ли ток эбонит?
Согласно справочной литературы эбонит обладает следующими физико-механическими свойствами:
- Плотность материала равна 1,15–1,68 г/см³;
- Прочность эбонита при растяжении – 52–67 МН/м²;
- Удельное электрическое сопротивление составляет 1014 –1015 Ом⋅см.
Нас будет интересовать именно удельное сопротивление, так как оно определяет способность эбонита пропускать через себя электрический ток, то есть его электропроводность.
Электропроводность эбонита обратно пропорциональна его удельному электрическому сопротивлению и имеет значения порядка 10–15 –10–14 См. Следовательно, эбонит практически не проводит ток и является диэлектриком с высокими электроизоляционными свойствами .
Также это утверждение можно проверить опытным путем, включив эбонитовое изделие в электрическую цепь. В результате этого эксперимента цепь окажется разомкнутой и ток в ней протекать не будет.
Кроме того, эбонит в электростатических полях поляризуется, что говорит о его принадлежности к диэлектрикам . Это явление подтверждается опытами Фарадея и Франклина. В бытовых условиях также можно проверить данное утверждение. Достаточно потереть изделие из эбонита о кусок шерстяной ткани. В результате трения на поверхности эбонита накапливается отрицательный заряд, то есть происходит поляризация материала. Следовательно, эбонит – диэлектрик, а значит, он не проводит электричество.
Таким образом, проверить, проводит ли эбонит электричество, можно даже в домашних условиях. Для этого достаточно внимательно изучить физические свойства материала и провести опыт с поляризацией тела. Если вещество поляризуется (накапливает на поверхности статический заряд) и обладает высоким удельным электрическим сопротивлением, то оно является диэлектриком, в противном случае – проводником.
Здравый смысл подсказывает нам, что не стоит работать с оголенными электрическими проводами или даже включать вилку в розетку, стоя босиком в луже воды или даже просто с мокрыми руками. Поэтому большинство из нас считает, что вода хорошо проводит электричество. И правда, если мы стоим в ней, держа в руках провод под напряжением или неисправный электроприбор, вода повысит проводимость вашего тела и замкнет электрическую цепь, из-за чего ток протечет через вас. Это может привести к смертельным поражениям или хотя бы просто электрическому шоку.
Но на самом деле чистая дистиллированная вода вообще не проводит электричество. Ведь в ней нет ничего, что могло бы переносить заряд. Но, поскольку она является отличным растворителем, в ней всегда имеется некоторая концентрация заряженных частиц, где бы в природе она ни находилась.
Водопроводная вода всегда содержит в себе достаточно примесей, включая минералы и хлор, что позволяет ей проводить электричество достаточно сильно. Еще более опасной воду делает то, что она способна заполнять все открытые промежутки между вашим телом и любыми наэлектризованными проводами или предметами. Цепь замкнется даже при небольшом количестве водопроводной воды на вашем теле.
Кроме того, соль от пота также растворится в воде, увеличив ее проводимость. Примеси, которые могут проводить электричество, называются электролитами. Они включают в себя кислоты, соли и другие вещества. Электролиты подразделяются на слабые и сильные по степени своей относительной проводимости.
Батареи транспортных средств содержат в каждой ячейке электролитический раствор серной кислоты (H2SO4) и воду, что облегчает проводимость. Более новые батареи содержат гидроксид калия (KOH) или другого щелочного металла.
Электролиты способствуют перемещению ионов от катода к аноду при зарядке батареи и от анода к катоду при разрядке или включении электрической цепи. Растворяясь в воде, они распадаются на ионы – свободные движущиеся заряженные частицы, которые из-за своей подвижности внутри растворов могут переносить электрический ток в воде.
Все это можно подтвердить простым экспериментом. Вам понадобится электрическая цепь с батареей и лампочкой, которые соединены проводами. Разомкните ее и положите концы проводов контура в стакан чистой дистиллированной воды. Вы заметите, что лампочка не загорится. Теперь медленно начните растворять в воде обычную поваренную соль. Лампочка начнет светиться, и по мере растворения соли она будет становиться все ярче и ярче. Ведь поваренная соль, по-научному называемая хлористый натрий (NaCl), растворяясь, распадается на положительный ион натрия (Na) и отрицательный ион хлора (Cl). Тем самым она образует электролит, способный «переносить» электроны в воде и, соответственно, проводить ток.
Из физики известно, что электрический ток – это направленное движение электрически заряженных частиц. Разные вещества проводят электрический ток по-разному. По способности передавать электрические заряды вещества делятся на ПРОВОДНИКИ и НЕПРОВОДНИКИ электричества.
Проводниками называют тела, через которые электрические заряды могут проходить от заряженного тела к незаряженному, в проводниках имеется очень много свободных заряженных частиц. Хорошие проводники электричества – это металлы, почва, вода с растворенными в ней солями, кислотами или щелочами, графит и некоторые виды органических веществ. Тело человека также проводит электричество. Это можно показать на опыте с электроскопом. Зарядим электроскоп с помощью эбонитовой или стеклянной палочки, стрелка отклонится Затем дотронемся до заряженного электроскопа рукой. Стрелка тотчас вернётся в исходное положение – к нулю. Заряд с электроскопа уходит в наше тело. В данном опыте с небольшим зарядом это не опасно, но ощутимо «щёлкает» по пальцам. А большие заряды и токи опасны для жизни и здоровья.
Из металлов лучшие проводники электричества – серебро, медь, алюминий. Даже в обычной водопроводной воде растворено столько всевозможных солей, что она является весьма хорошим проводником, и об этом нельзя забывать, работая с электрооборудованием в условиях повышенной влажности иначе можно получить весьма ощутимый удар током, это опасно.
Проходя через живой организм электрический ток производит разные действия: термическое – ожоги определённых участков тела, нагрев кровеносных сосудов, крови, нервов; электролитическое (или химическое) – разложение крови и других органических жидкостей; биологическое – раздражение и возбуждение живых тканей организма, что сопровождается непроизвольными судорожными сокращением мышц, в том числе мышц сердца и лёгких. В результате всего этого могут возникнуть различные нарушения в организме вплоть до полной остановки работы сердца и лёгких.
Непроводниками называют такие тела, через которые электрические заряды не могут переходить от заряженного тела к незаряженному, так как в диэлектриках очень мало свободных заряженных частиц. Непроводниками электричества, или диэлектриками, являются эбонит, янтарь, фарфор, резина, различные пластмассы, шелк, капрон, масла, воздух (газы), стекло, плексиглас, сухое дерево и бумага. Изготовленные из диэлектриков тела называются ИЗОЛЯТОРАМИ (от итальянского слова ИЗОЛЯРО – уединять).
Проводники служат для передачи на расстояние электрической энергии (электрического тока), именно из них, в основном, изготавливаются высоковольтные электрические кабели, бытовая электропроводка. Изоляторы используются для обособления, изолирования проводников и обеспечения безопасности людей при работе с электроприборами. Для передачи электроэнергии необходимо собрать замкнутую электрическую цепь, в которую входят источник электрической энергии, проводники, по которым от этого источника электрический ток поступает к потребителям электрической энергии, и сами потребители.
При проведении опытов по электричеству всегда используются и проводники, и диэлектрики. Например, используя два электроскопа, мы зарядили один из них отрицательным зарядом, полученным на эбонитовой палочке при её трении о шерсть. При этом стрелка электроскопа отклонилась, показывая наличие заряда на нём. Если затем взять металлический стержень на изолирующей пластмассовой рукоятке и соединить заряженный электроскоп с незаряженным, то по проводящему ток стержню заряды частично перейдут на второй электроскоп, а вот разрядки электроскопа, как в случае его касания голой рукой, не происходит, так как рукоятка не проводит ток к руке человека. Именно поэтому рукоятки различных инструментов, например отвёрток, плоскогубцев, кусачек, делают из непроводящих материалов.
Основные меры защиты от поражения электрическим током:
Обеспечение недоступности токоведущих частей, находящихся под напряжением, для случайного прикосновения,
Защитное заземление, защитное отключение электроприборов;
Использование по возможности низких напряжений, особенно во влажных помещениях;
Применение двойной изоляции.
Знание и соблюдение правил техники безопасности при работе с электрическим током и различными электроприборами обязательно и для взрослых, и для детей. Чтобы учащимся младших классов было легче запомнить эти правила, можно использовать различные запоминающиеся плакаты, стихи. Примеры я подобрал из различных источников, кое-что придумал сам и оформил как советы по электробезопасности в приложении 1 к моей работе. В приложении 2 приведены меры первой помощи при поражении электрическим током.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ
Электропроводность веществ можно испытать с помощью специального прибора, но мы использовали обычную электрическую цепь. Главный элемент любой электрической цепи – источник электрического тока. Без него электрическая цепь не будет работать. Когда вы включаете в розетку вилку питающего шнура телевизора, для электрического утюга, чайников и других электроприборов – потребителей электрической энергии, то вы, по сути, подключаетесь к электростанции – производителю этой электроэнергии.
Для того чтобы проверить электропроводность твердых веществ, я собрал электрическую цепь, в которую входили: источник тока, ключ для замыкания и размыкания цепи, лампа для того, чтобы проверить, есть ток или нет, и контакты для подключения вещества в цепь.
Когда контакты помещают в вещество, становится ясно, проводит ли это вещество ток. Если вещество проводит электрический ток, цепь замыкается, и лампочка загорается. Если вещество неэлектропроводно, цепь остается разомкнутой, и лампочка не горит.
Опыт 1. Исследование твердых веществ.
В таблице 1 указаны десять твердых веществ, которые мы исследовали на электропроводность. В результате проверки выяснилось,
Таблица 1.
алюминий + пластмасса –
сталь + стекло –
латунь + орг. стекло –
медь + магнит –
древесина – резина – что алюминий, сталь, латунь, медь проводят электрический ток, а древесина, пластмасса, стекло, оргстекло, магнит и резина не проводят электрический ток.
Опыт 2. Исследование жидких веществ.
Для того, чтобы проверить электропроводность жидких веществ, мы изменили электрическую цепь (рис. 5). Кроме источника тока и ключа в цепь добавили амперметр вместо лампы и электролитический стакан вместо контактов.
Таблица 2.
раствор поваренной соли +
раствор медного купороса +
раствор морской соли +
раствор сахара –
В электролитический стакан мы помещали разные жидкости. Если у амперметра при замыкании цепи стрелка отклонялась, значит, данная жидкость проводит электрический ток.
В результате нашего эксперимента выяснилось, что раствор поваренной соли, медного купороса и морской соли проводит электрический ток, а чистая вода и сахарный сироп – нет.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведённые опыты подтвердили, что некоторые вещества хорошо проводят ток, это различные металлы и растворы солей. Другие твёрдые и жидкие вещества являются диэлектриками, т. е. непроводниками, это пластмассы или резина, из которых делают изоляцию электропроводов и корпуса электрических приборов, и многие другие вещества.
Моя работа достаточно важна для меня и других школьников, так как для безопасной работы с электрическими приборами дома и в школе нужно знать, как поступать в некоторых жизненных ситуациях. Например, человека ударило током от оборванного провода. Ни в коем случае нельзя трогать этот провод и человека голыми руками. Нужно отодвинуть провод с помощью какого-то не проводящего ток предмета, например сухой деревянной палки.
Чтобы научить учеников младших классов правилам электробезопасности, можно использовать подготовленные мной советы.
При появлении в нашей жизни электричества, мало кто знал о его свойствах и параметрах, и в качестве проводников использовали различные материалы, было заметно, что при одной и той же величине напряжения источника тока на потребителе было разное значение напряжения. Было понятно, что на это влияет вид материала применяемого в качестве проводника. Когда ученные занялись вопросом по изучению этой проблемы они пришли к выводу, что в материале носителями заряда являются электроны. И способность проводить электрический ток обосабливается наличием свободных электронов в материале. Было выяснено, что у некоторых материалов этих электронов большое количество, а у других их вообще нет. Таким образом существуют материалы, которые , а некоторые не обладают такой способностью.
Исходя из всего выше сказанного, все материалы поделились на три группы:
- проводники;
- полупроводники;
- диэлектрики;
Каждая из групп нашла широкое применение в электротехнике.
Проводники
Проводниками являются материалы, которые хорошо проводят электрический ток, их применяют для изготовления проводов, кабельной продукции, контактных групп, обмоток, шин, токопроводящих жил и дорожек. Подавляющее большинство электрических устройств и аппаратов выполнена на основе проводниковых материалов. Мало того, скажу, что вся электроэнергетика не могла б существовать не будь этих веществ. В группу проводников входят все металлы, некоторые жидкости и газы.
Так же стоит упомянуть, что среди проводников есть супер проводники, сопротивление которых практически равно нулю, такие материалы очень редки и дороги. И проводники с высоким сопротивлением — вольфрам, молибден, нихром и т.д. Такие материалы используют для изготовления резисторов, нагревательных элементов и спиралей осветительных ламп.
Но львиная доля в электротехнической сфере принадлежит рядовым проводникам: медь, серебро, алюминий, сталь, различные сплавы этих металлов. Эти материалы нашли самое широкое и огромное применение в электротехнике, особенно это касается меди и алюминия, так как они сравнительно дешевы, и их применение в качестве проводников электрического тока наиболее целесообразно. Даже медь ограничена в своем использовании, её применяют в качестве обмоточных проводов, многожильных кабелях, и более ответственных устройствах, еще реже встречаются медные шинопроводы. А вот алюминий считается королем среди проводников электрического тока, пускай он обладает более высоким удельным сопротивлением чем медь, но это компенсируется его весьма низкой стоимостью и устойчивостью к коррозии. Он широко применяется в электроснабжении, в кабельной продукции, в воздушных линиях, шинопроводах, обычных проводах и т.д.
Полупроводники
Полупроводники , что-то среднее между проводниками и полупроводниками. Главной их особенностью является их зависимость проводить электрический ток от внешних условий. Ключевым условием является, наличие различных примесей в материале, которые как раз-таки обеспечивают возможность проводить электрический ток. Так же при определенной компоновку двух полупроводниковых материалов. На основе этих материалов на данный момент, произведено множество полупроводниковых устройств: , светодиоды, транзисторы, семисторы, тиристоры, стабисторы, различные микросхемы. Существует целая наука, посвященная полупроводникам и устройствам на их основе: электронная техника. Все компьютеры, мобильные устройства. Да что там говорить, практически вся наша техника содержит в себе полупроводниковые элементы.
К полупроводниковым материалам относят: кремний, германий, графит, графен, индий и т.д.
Диэлектрики
Ну и последняя группа материалов, это диэлектрики , вещества не способные проводить электрический ток. К таким материалам относят: дерево, бумага, воздух, масло, керамика, стекло, пластмассы, полиэтилен, поливинилхлорид, резина и т.д. Диэлектрики получили широкое применение благодаря своим качествам. Их применяют в качестве изолирующего материала. Они предохраняют соприкосновение двух токоведущих частей, не допускают прямого прикосновения человека с этими частями. Роль диэлектриком в электротехнике не менее важна чем роль проводников, так как обеспечивают стабильную, безопасную работу всех электротехнических и электронных устройств. У всех диэлектриков существует предел, до которого они не способны проводить электрический ток, его называют пробивным напряжением. Это такой показатель, при котором диэлектрик начинает пропускать электрический ток, при этом происходит выделение тепла и разрушение самого диэлектрика. Это значение пробивного напряжения для каждого диэлектрического материала разное и приведено в справочных материалах. Чем он выше, тем лучше, надежней считается диэлектрик.
Параметром, характеризующим способность проводить электрический ток является удельное сопротивление R , единица измерения [ Ом ] и проводимость , величина обратная сопротивлению . Чем выше этот параметр, тем хуже материал проводит электрический ток. У проводников он равен от нескольких десятых, до сотен Ом. У диэлектриков сопротивление достигает десятков миллионов ом.
Все три вида материалов нашли широкое применение в электроэнергетике и электротехнике. А так же тесно взаимосвязаны друг с другом.