Temat

Przewodniki i izolatory prądu elektrycznego. Przepływ prądu w przewodnikach

Etap edukacyjny

Drugi

Podstawa programowa

VI. Elektryczność. Uczeń:

3) rozróżnia przewodniki od izolatorów oraz wskazuje ich przykłady.

Czas

45 minut

Ogólny cel kształcenia

Przedstawienie różnic między przewodnikami a izolatorami.

Kształtowane kompetencje kluczowe

1. Poznanie budowy przewodników.

2. Poznanie budowy izolatorów.

3. Wyjaśnienie dlaczego tylko w przewodnikach możliwy jest przepływ prądu.

Cele (szczegółowe) operacyjne

Uczeń:

- zna budowę przewodników i izolatorów,

- potrafi sformułować warunki przepływu prądu w przewodnikach metalicznych i cieczach.

Metody kształcenia

1. Wykład problemowy.

2. Porządkowanie i stosowanie uzyskanych wyników w nowych zadaniach o charakterze praktycznym lub teoretycznym.

Formy pracy

1. Praca indywidualna lub grupowa.

2. Współpraca uczniów z nauczycielem podczas wykładu problemowego.

Etapy lekcji

Wprowadzenie do lekcji

Odpowiedz na pytania wprowadzające do lekcji:

1. Z czego zbudowane jest każde ciało?

2. Opisz budowę atomu.

3. Od czego zależy liczba elektronów krążących wokół jądra atomowego?

Realizacja lekcji

Co to jest przewodnik?

Przewodnikiem jest ciało, w którym elektrony krążące wokół jądra atomowego są słabo związane z jadrem atomowym. Elektrony znajdujące się na najdalszych orbitach mogą się przemieszczać swobodnie po całym ciele.

[Ilustracja 1]

Przyjrzyjmy się uważniej budowie przewodników.

- Najczęściej wykorzystywanymi przewodnikami są metale. Atomy są w nich poustawiane regularnie. Nie mają swobody ruchu. Siła ich wzajemnego oddziaływania utrzymuje je w stałych odległościach i pozwala tylko na niewielkie drgania.
- Elektrony, które znajdują się najdalej od jądra atomowego (tak zwane elektrony walencyjne), łatwo odrywają się od swych atomów, a ponieważ siły działające na te elektrony ze strony wszystkich atomów metalu równoważą się, elektrony te mogą przemieszczać się swobodnie w całej objętości przewodnika.
- Stają się jak gdyby wspólną własnością całego przewodnika, a nie tylko macierzystych atomów. Pozostałe elektrony, te które są bliżej jąder atomowych, nie są w stanie się wyrwać i pozostają przy swych macierzystych atomach.

[Ilustracja 2]

Tak jest w metalach. Ale nie tylko w nich ładunki mają swobodę ruchu. Innym przykładem przewodników są elektrolity, czyli roztwory kwasów, zasad i soli. Cząsteczki wody działają na cząsteczki kwasów, zasad i soli jak nożyce – rozcinają je na części, z których jedna jest jonem dodatnim, a druga ujemnym. Tak jak cząsteczki wody mają one swobodę ruchu. W cieczy (inaczej niż w metalach) nie ma sił, które mogłyby unieruchomić cząsteczki.

[Ilustracja 3]

Co to jest izolator?

Izolatorem nazywamy każde ciało w którym elektrony krążące wokół jądra atomowego są bardzo mocno powiązane z tym jądrem i absolutnie nie mogą przemieszczać się po całym ciele. W określonych sytuacjach mogą przemieścić się nieznacznie w objętości atomu.

[Ilustracja 4]

Izolatory to materiały, których budowa wewnętrzna charakteryzuje się tym, że elektrony są bardzo mocno związane z atomami. Nie mogą się one łatwo oderwać od atomów i nie mają możliwości swobodnego ruchu w obrębie ciała. Można je naelektryzować przez pocieranie – wtedy niektóre elektrony odrywają się od atomów i przechodzą na powierzchnię drugiego ciała.
Do izolatorów zaliczamy m.in. szkło, porcelanę, plastik, drewno, gumę, wodę destylowaną, suche powietrze.

[Grafika interaktywna]

Co to jest prąd elektryczny?

Wiemy już, że ciała, które jako całość są elektrycznie obojętne, kryją w swym wnętrzu ładunki obydwu znaków. Wiemy też, że istnieją ciała zwane przewodnikami, gdzie niektóre z tych ładunków (elektronów lub jonów) mają swobodę ruchu. Ruch tych nośników ładunku jest chaotyczny. Jeżeli jednak jakiś czynnik zewnętrzny uporządkuje ruch ładunków, mamy do czynienia z prądem elektrycznym.

[Ilustracja 5]

Podsumowanie lekcji

- Ze względu na łatwość, z jaką ciała przewodzą prąd elektryczny, dzielimy je na przewodniki i izolatory.

- O właściwościach elektrycznych ciał decyduje ich budowa wewnętrzna. Ważną rolę odgrywają elektrony walencyjne.

- Elektron walencyjny to elektron znajdujący się na ostatniej (najbardziej zewnętrznej) powłoce atomu. Liczba elektronów walencyjnych oraz to, jak mocno są one związane z jądrem atomu, wpływają na wiele własności fizycznych pierwiastka, m.in.: na przewodnictwo cieplne i elektryczne.

- Przewodnictwo może być elektronowe lub jonowe.

- Przewodnik prądu elektrycznego to ciało, w którym ładunek elektryczny przenoszą elektrony walencyjne. Do przewodników elektronowych zaliczamy głównie metale, m.in.: miedź, aluminium, żelazo i złoto.

- W przewodniku jonowym nośnikami ładunku są jony dodatnie lub ujemne. Przepływowi prądu elektrycznego towarzyszy widoczny transport masy. Przewodnictwo jonowe zachodzi w cieczach, ciałach stałych i gazach.

- Izolator to substancja, która nie przewodzi prądu elektrycznego i charakteryzuje się niską koncentracją nośników ładunku. Do izolatorów zalicza się m.in.: gumę, styropian, suche drewno, wodę destylowaną i suche powietrze.