Электропроводность стекла при нагревании

Муниципальное общеобразовательное учреждение «Лицей» г. Дедовск

Направление: физика

Электропроводность стекла при нагревании

Окунев Егор

10 класс

                                                                                               Научный руководитель

Семишина Н.Б. учитель физики

                                                                                                  МОУ «Лицей» г. Дедовска

г. Дедовск

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение……………………………………………………………………………...3 ЧАСТЬ 1: ПРОВЕРКА ГИПОТЕЗЫ О ПРОВОДИМОСТИ СТЕКЛА……..5 1.1: УСТАНОВКА…………………………………………………………………...5 1.2: МУЛЬТИМЕТР…………………………………………………………………6 1.3: ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ…………………………………………..7 1.4: НАБЛЮДЕНИЯ…………………………………………………………………8 ЧАСТЬ 2: ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ.....10 2.1: ТРУДНОСТИ С ИЗМЕРЕНИЕМ ТЕМПЕРАТУРЫ…………………………10 2.2: АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ МЕТОД……………………………………………….10 2.3: НАХОЖДЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ…………………………………………...11

Заключение………………………………………………………………………….15  

Источники…………………………………………………………………………..16

ВВЕДЕНИЕ           

           Электропроводность – это способность вещества проводить электрический ток. Электропроводность напрямую зависит от сопротивления вещества (G=1/R). Обозначается буквой G, [G]=[См] – Сименс. Значит, чем больше сопротивление – тем хуже его электропроводность и наоборот. [1]

           Все вещества в зависимости от их электропроводности можно разделить на 3 типа:

• Проводники (медь, сталь, алюминий)

Эти вещества обладают высокой электропроводностью. Они имеют большое количество свободных частиц, способных переносить заряд.

• Полупроводники (кремний, селен, теллур)

Они занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Они отличаются от проводников тем, что их электропроводность сильно зависит от внешних факторов (например, от температуры). [2]

• Диэлектрики (бумага, резина)

Такие вещества обладают ничтожно малой электропроводностью. Они могут использоваться в качестве изолирующих материалов.

           Обратим внимание на диэлектрики. Они обладают очень низкой электропроводностью. Однако, у некоторых диэлектриков электропроводность может многократно возрасти при нагревании.

           Остановимся подробнее на стекле. Стекло – аморфное вещество. Аморфными называют твёрдые тела, у которых отсутствует кристаллическая структура. [3] Такие вещества очень похожи на жидкости. Их часто называют «переохлажденными жидкостями». При нагревании аморфные вещества размягчаются и переходят в жидкое состояние. [4]

           В стекле находятся ионы натрия, которые способны переносить электрический заряд. Когда стекло находится в твердом состоянии, ионы натрия практически не двигаются и не могут переносить электрический заряд. В этом состоянии стекло обладает огромным удельным сопротивлением (примерно  Ом·м). [5] При нагревании подвижность ионов натрия увеличивается, и они переносят большее количество заряда. Удельное сопротивление многократно уменьшается (уменьшается примерно в  раз). [6]

           Я решил провести эксперимент со стеклом. Я хотел узнать: способно ли стекло проводить электрический ток как проводник? Можно ли отнести стекло к полупроводникам? Как изменяется сопротивление и электропроводность стекла при нагревании?

           По моей гипотезе, стекло при обычных условиях содержит малое количество подвижных частиц, способных переносить электрический заряд. При нагревании количество этих частиц будет увеличиваться и электропроводность соответственно тоже. А когда стекло нагреется, а это значит, что подвижность этих частиц многократно возрастёт, стекло станет проводником.

           На основе результатов эксперимента я отвечу на поставленные вопросы и проверю свою гипотезу.

           Для проверки гипотезы и ответа на поставленные вопросы нужно включить небольшую стеклянную палочку в электрическую цепь с прибором, измеряющим сопротивление этой палочки, и нагреть эту палочку. И далее наблюдать за всеми изменениями сопротивления и также агрегатного состояния стекла.

           Цели и задачи:

• Проверить гипотезу об электропроводности стекла при нагревании.
• Исследовать зависимость сопротивления от степени нагрева.
• Выяснить: относится ли стекло к полупроводникам.

ЧАСТЬ 1: ПРОВЕРКА ГИПОТЕЗЫ О ПРОВОДИМОСТИ СТЕКЛА

 1.1: УСТАНОВКА          

           Для проверки гипотезы о том, что стекло способно проводить электрический ток, я собрал установку (рис. 1), состоящую из подставки, сделанной из диэлектрического материала, с двумя параллельно расположенными электродами и мультиметра, который соединён с электродами с помощью двух клемм типа «крокодил».

           На электродах располагается стеклянная палочка. Во время эксперимента, она нагревалась с помощью переносной газовой горелки с узким соплом. Температура пламени горелки – более 1100ºС.

           В эксперименте использовалось обыкновенное оконное стекло.

Рис. 1

1.2: МУЛЬТИМЕТР

           Рассмотрим поподробнее наш основной прибор для измерения – мультиметр (рис. 2). Использовался цифровой мультиметр DT 838 с несколькими режимами работы, в том числе измерение напряжения, силы тока, сопротивления, «прозвонка» электрической цепи (проверка её целостности; не срабатывает при высоком сопротивлении).

Рис. 2    

           Я использовал режим измерения сопротивления в пределах от 0 Ом до 2000 кОм. Такой высокий порог измерения был взят из-за того, что сопротивление стекла даже в жидком состоянии может превышать десятки тысяч Ом. «Прозвонка» в этом случае не работает. Поэтому использовать этот режим в эксперименте не получится.

           Обратим внимание на то, что обозначают показания мультиметра в режиме измерения сопротивления:

• Значение «1» (рис. 3) указывает на то, что сопротивление выше чем предел режима и стремится к бесконечности.

Рис. 3                                              Рис. 4

• Значения от «000» до «1999» (рис. 4) обозначают измеряемое сопротивление (если выбранный на тумблере мультиметра режим имеет значение с буквой «k», то значение умножается на 1000).

            Отмечу, что, если мультиметр выводит значения на экран при измерении сопротивления, то это означает, что цепь или участок цепи замкнутый. В противном случае на экране будет значение «1».  Следовательно, смена значений с «1» на «000 – 1999» будет свидетельствовать о том, что цепь замкнулась.

1.3: ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ           

         Важно также не забывать о безопасности. Опыт проводился в присутствии взрослого. Во время эксперимента, я использовал защитные очки и перчатки. Так как эксперимент огнеопасный, то рядом находился огнетушитель. Около рабочего места не располагалось никаких взрывоопасных и легковоспламеняющихся веществ. Использовалось только исправное оборудование.

1.4: НАБЛЮДЕНИЯ

           Начинаем нагревать стеклянную палочку. Поначалу пламя было голубым (в горелке сгорает газ), но через некоторое время пламя стало оранжевым. Это связано с тем, что сгорают свободные ионы натрия (рис. 5), которые находятся в стеклянной палочке.

Рис. 5

           На данной стадии мультиметр показывает «1», что говорит нам о том, что цепь не замкнута и стеклянная палочка ведёт себя как диэлектрик.

           Ещё через некоторое время, показания мультиметра стали изменятся (рис. 6). Показания менялись довольно быстро. Мультиметр измерял сопротивление с порогом измерения 2000кОм. Опираясь на следствие из параграфа 1.2, мы можем утверждать, что цепь замкнулась, и стеклянная палочка, включенная в эту цепь, стала проводником.

Рис. 6

           Это подтверждает мою гипотезу.

           На основе 1-ой части моего эксперимента, мы можем сказать, что стекло является скорее полупроводником, чем просто диэлектриком. Так как у стекла изменяется электропроводность в зависимости от условий. В нашем случае от температуры.

ЧАСТЬ 2: ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ

2.1: ТРУДНОСТИ С ИЗМЕРЕНИЕМ ТЕМПЕРАТУРЫ         

           Во второй части своего эксперимента я исследую зависимости сопротивления стекла. Исследовать зависимость сопротивления от температуры получится только путём эмпирического измерения температуры (т. е. относительно так называемых реперных точек). У нас таких точек две: температура размягчения стекла (приблизительно 700ºС) и непосредственно плавления стекла (приблизительно 850ºС), когда стекло становится жидкостью. Использовать обыкновенный термометр не получится, так как температуры слишком велики и обыкновенный термометр не дал бы точных показаний. Для этой задачи подошел бы оптический пирометр, но мне этот прибор не доступен.

           Данный метод измерения даёт результаты с большими погрешностями. После нескольких попыток, я понял, что стекло ведёт себя по-разному: иногда оно плавилось долго, иногда быстро. Точно определить моменты плавления или размягчения не удавалось. Это не позволило точно определить количество переданного тепла. Тем более, что температуры размягчения и плавления стекла – температуры приблизительные. Погрешность может достигать 100ºС.

2.2: АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ МЕТОД

           Поскольку использовать указанный выше метод не получилось, то я решил найти другую зависимость: сопротивления от времени нагревания. По моему мнению, зависимость будет практически такой же, как если бы мы находили зависимость сопротивления от температуры (при условии, что стекло получает одинаковое количество тепла за одинаковые промежутки времени). Поэтому я находил зависимость R(τ), где τ – время в секундах, R – сопротивление. Зависимость сопротивления от времени я находил не только при нагревании стекла, но и при его охлаждении.

           Зависимости я буду изображать на графиках. Так я смогу понять: как изменялось сопротивление и электропроводность соответственно.

2.3: НАХОЖДЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ

           Для нахождения зависимости, я использовал те же приборы и то же стекло, которые использовались в первой части эксперимента. Помимо этого, я использовал секундомер и камеру. Камера фиксировала на записи время, показываемое секундомером, и сопротивление, показываемое мультиметром (рис. 7). Секундомер начинал счёт времени тогда, когда пламя горелки подносилось к стеклянной палочке.

Рис. 7

           На основе данных из полученной видеозаписи было удобно определить зависимость и построить графики. Было проведено несколько попыток. Были получены сведения о сопротивлении стеклянной палочки в разные моменты времени. Данные, полученные из этих видеозаписей отличались, но незначительно. Поэтому в показанных ниже графиках отображены средние значения. Также отмечу, что длина палочки и её диаметр во время эксперимента практически не изменялись, поэтому этими изменениями мы можем пренебречь.

           На графике 1 представлен график зависимости сопротивления от времени нагревания. Нагревание постоянное и равномерное.

           Пунктир на графике выше значения 2000 кОм означает то, что эти значения приблизительные. Мультиметр не способен измерять сопротивление выше 2000 кОм.

График 1

           Этот график показывает нам, что зависимость R(τ) не постоянная. Сопротивление изменяется неравномерно. Сначала сопротивление уменьшается быстро и гораздо медленнее потом, когда стекло было уже практически в жидком состоянии.

           Как мы видим, сопротивление стекла даже в жидком состоянии не ниже нескольких десятков кОм, что делает стекло даже в этом состоянии плохим проводником. «Прозвонка» на мультиметре не срабатывает. Однако, стекло всё равно является проводником в этом состоянии.

           Для того, чтобы довести стекло до состояния жидкости не потребовалось много времени (приблизительно 30 секунд). Это объясняется тем, что стеклянная палочка была совсем небольшой (не более двух сантиметров в длину и не более пяти миллиметров в диаметре).

           Зависимость на 1-ом графике напоминает логарифмическую или показательную. Данная зависимость не может быть универсальной для всех веществ, подобных по своей электропроводности стеклу. Эта зависимость также не универсальна для всех видов стекла. Все виды стекла различаются по самым разным признакам (различия в основном из-за разнообразных составов). От этого будет различаться их электропроводность.

           На графике 2 отображена зависимость сопротивления от времени остывания стеклянной палочки.

           Пунктир на графике 2 означает то же, что и в графике 1.

График 2

           График 2 схож с графиком 1, только сопротивление во втором увеличивается, а не уменьшается. График 2 также схож с графиками логарифмической или показательной функций. Сопротивление также изменяется (увеличивается) неравномерно.

           Палочка остывает и отвердевает за меньший промежуток времени. Это может быть связано с большой потерей тепла в окружающую среду. И с тем, что палочка располагается на металлических электродах.

           Из второй части эксперимента я выяснил, что сопротивление стекла изменяется неравномерно и при нагревании, и при охлаждении.

           А также, что сопротивление стекла даже в жидком состоянии очень велико.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

           Проведённый эксперимент позволил мне ответить на поставленные вопросы.

           Я выяснил, что стекло способно проводить электрический ток при нагревании. Это подтверждает мою гипотезу о том, что стекло становится проводником при нагревании.

          Основываясь на результатах первой части эксперимента, я могу утверждать, что стекло является полупроводником, то есть веществом, электропроводность которого зависит от условий окружающей среды.

          Во второй части эксперимента я выяснил, что сопротивление стекла при нагревании/охлаждении изменяется (уменьшается/увеличивается) неравномерно и то, что эта зависимость не может быть универсальной.

           Было установлено, что сопротивление стекла даже в жидком состоянии слишком велико и оно не может использоваться в качестве провода в отличие от меди или алюминия.

           Свойству стекла, описанному в эксперименте, может найтись практическое применение. Например, в качестве датчика, реагирующего на определённую температуру. Температуру, при которой стекло будет проводить электричество можно «отрегулировать» на стадии его производства с помощью определённых добавок, которые будут влиять на свойства изготавливаемого стекла. Стекло здесь, так же, как и в моём эксперименте, является участком цепи.

ИСТОЧНИКИ

1. ru.wikipedia.org
2. electrono.ru
3. chemistry-chemists.com
4. Грачёв А.В. Физика 10 класс//Структура твёрдых тел: Учебное пособие. М.: «Вентана граф» ,2015.

Ссылки:

[1] с. 3 http://electrono.ru/elektricheskaya-cep-i-ee-osnovnye-zakony/4-elektricheskoe-soprotivlenie-i-provodimost 

[2] с.3 https://ru.wikipedia.org/wiki/Полупроводники

[3] с. 3 Грачёв А.В. Физика 10 класс//Структура твёрдых тел: Учебное пособие. М.: «Вентана граф» ,2015. – 348 с.  

[4] с. 3 Грачёв А.В. Физика 10 класс//Структура твёрдых тел: Учебное пособие. М.: «Вентана граф» ,2015. – 349 с.  

[5] с.4 http://chemistry-chemists.com/N2_2016/ChemistryAndChemists_2_2016-P11-1.html

[6] с. 4 http://chemistry-chemists.com/N2_2016/ChemistryAndChemists_2_2016-P11-1.html