תכונות מתכות -הולכת חשמל -מדריך למורה נושא שכבת גיל זמן רציונאל
אפיון מתכות באמצעות זיהוי תכונותיהן – הולכת חשמל -תצפית כיתה ה 90דקות יחידה זו עוסקת בנושא אפיון חומרים ותכונותיהם במסגרת תחום התוכן - מדעי החומר -פיזיקה. כל החומרים בטבע מאופיינים על פי ההרכב ,המקור ,התכונות הכימיות והפיזיקליות שלהם .המתכות כסוג של חומר הן קבוצה גדולה של חומרים שיש להן תכונות משותפות ( מוצקות בטמפרטורת החדר למעט הכספית, קשות ,מבריקות ,ניתנות לריקוע ,משמיעות צליל מתכתי בהקשה ,מוליכות חום ומוליכות חשמל) .יחד עם זה כל מתכת מאופיינת בתכונות ייחודיות משלה. היחידה מתמקדת בהולכת חשמל בחומרים עם דגש על קבוצת המתכות ומומלץ לשלבה עם היחידה העוסקת בהולכת חום .מוליכות חשמלית תלוייה בגורמים הבאים :סוג המוליך ,אורך המוליך ועוביו .בפעילות זו התלמידים בוחנים את סוג המוליך כתכונה דיכוטומית :מוליך או מבודד, בתחילת הפעילות התלמידים מבצעים מדידה כמותית באמצעות מד זרם (מיליאמפרמטר) המודד את עוצמת הזרם החשמלי העוברת במעגל החשמלי שהרכיבו ,כשמחברים אליו מתכות שונות (נחושת ,ברזל, אלומיניום) וחומרים אחרים (עץ ,זכוכית ,פלסטיק) .בהמשך התלמידים משווים בין תכונת המוליכות החשמלית בחומרים השונים שבדקו על פי עוצמת הזרם החשמלי שעברה במעגל :עוצמה גבוהה יחסית לעומת עוצמת זניחה יחסית וממיינים את החומרים למוליכים( :חומרים שמאפשרים מעבר של זרם חשמלי דרכם ,חומרים שסוגרים מעגל חשמלי) ו-מבודדים(:חומרים שאינם מאפשרים מעבר של זרם חשמלי דרכם, חומרים שפותחים מעגל חשמלי). מוליכות חשמלית – היא תכונה המתארת את יכולתו של החומר להעביר דרכו זרם חשמלי ,ומתייחסת ליכולת של האלקטרונים לעבור בחומר. מוליכות גבוהה יותר משמעותה היא שהאלקטרונים יכולים לעבור בחומר יותר בקלות ,ולכן עוצמת הזרם במעגל החשמלי גדולה יותר .קיימות דרגות שונות של מוליכות חשמלית .בקצה האחד של הסקלה הרציפה של דרגות ההולכה החשמלית ,ניתן למצוא חומרים המוליכים חשמל היטב ומכונים "מוליכים" (כמו יסודות מתכתיים מסויימים) ובקצה השני של הסקלה נמצאים חומרים שמוליכותם זניחה ומכונים "מבדדים" (כמו עץ ,פלסטיק פשוט וקלקר) .ניתן לדרג את החומרים המוליכים חשמל על-פי מידת
המוליכות שלהם ,ממוליכים טובים ועד למוליכים גרועים.
imagine explore learn •
•
זרם חשמלי זרם חשמלי הוא תופעה של זרימת מטענים דרך מוליך. במקרה של מוליך מתכתי הזרם החשמלי הוא תנועה של אלקטרונים חופשיים בכיוון אחד. עוצמת הזרם היא כמות המטען החשמלי (מספר האלקטרונים) העוברת דרך חתך של מוליך במשך יחידת זמן אחת .ככל שקצב מעבר המטענים במוליך (מספר האלקטרונים בשנייה) גדול יותר ,כך עוצמת הזרם גדולה יותר .עוצמת הזרם תלויה לא רק בסוג המוליך אלא גם באורך המוליך ובעובי המוליך .יחידת המידה לעוצמת הזרם החשמלי נקראת אמפר (.(A חשוב להדגיש כי עוצמת הזרם אינה מלמדת על הכמות הכוללת של מטען שעברה במוליך ,שכן כמות המטען תלויה גם במשך הזמן של הזרימה. (מתוך ערכת ה.ל.ה) כדי להימנע מתפיסות שגויות במושגים הקשורים לדרך בה נמדד הזרם החשמלי העובר במעגל ,ניתנת כאן הבהרה בנושא אמצעי מדידה .פעמים רבות משתמשים בכיתה בנורה כמדד לקיום של זרם חשמלי במעגל החשמלי (כשנורה דולקת אזי המעגל חשמלי סגור ועובר בו זרם חשמלי ולהיפך כשנורה אינה דולקת אזי המעגל החשמלי פתוח ולא עובר זרם במעגל .לעיתים אף משתמשים בעוצמת ההארה של הנורה כמדד לעוצמת הזרם :העוצמה משתנה ומושפעת מהאנרגיה שהסוללות מספקות) .חשוב לחדד את ההבנה שמדידה באמצעות נורה היא מדידה איכותית לעומת השימוש במד הזרם (אמפרמטר/מיקרואמפרמטר) המודד את עוצמת הזרם באופן מדויק יותר מהנורה .מומלץ להדגיש את ההבדל בין מדידה איכותית (נורה) לעומת מדידה כמותית (מד זרם) ולהתאים את אמצעי המדידה לפעילות. מטרות תוכן וציוני דרך
מדעי החומר –פיזיקה תת נושא :חומרים רעיונות והדגשים: חומרים מאופיינים על -פי ההרכב ,המקור ,התכונות הכימיות והפיזיקליות ציוני דרך: תכונות המשותפות למתכות :מבריקות ,מוליכות חום ,מוליכות חשמל ,מוצקות בטמפרטורת החדר (מלבד כספית). הקשר בין תכונות המתכות לבין השימושים בהן בבית ,בתעשייה, בתחבורה ועוד: מוליכות חום (בישול ,חימום) מוליכות חשמלית (הפעלת מכשירי חשמל)
מושגים עיקריים
מוליכות חשמל ,הולכת חשמל ,עוצמת זרם ,אמפר ,מיליאמפר ,מוליך, מבדד,מעגל חשמלי פתוח ,מעגל חשמלי סגור.
ידע קודם נדרש
מיומנויות המאה 21-
ידע תחום התוכן: מתכות כסוג של חומר דוגמאות למתכות :ברזל ,בדיל ,עופרת ,אלומיניום ,נחושת,זהב ,כסף מיומנויות למידה: איסוף נתונים על תכונות המתכות ,ארגון המידע בטבלה ,השוואה ביןתכונות מתכות והבניית הכללות על מאפייני המתכות. מיומנויות חקר וגילוי: עריכת תצפית ,איסוף וארגון מידע ,קריאת נתונים מגרף, כתיבת תוצאות ,הסקת מסקנות. חקר (פתרון בעיות) ,השוואה ,זיהוי ,ייצוג ידע בסמלים ותרשימים
מהלך הפעילות
אתגר
צפייה בסרטון העט המוליך משמשת כגרוי ללמידה בנושא הולכת חשמל במתכות ולבדיקת ידע קודם של תלמידים .העט המוליך חשמל הומצא במעבדה הטכנולוגית MITבמסצ'וסטס ,ארה"ב .החומר הנובע מהעט מוליך חשמל וכך ניתן לסגור מעגלים בכל צורה שרק בוחרים .התכונה שיש לחומר בעט היא תכונה של מוליכות חשמלית. מה נחקור? -בשלב הזה יש לציין שמבצעים תצפית המבוססת על מדידות של תכונת מוליכות חשמל ללא התערבות .זה לא ניסוי .הדיון בהבדל בין תצפית לניסוי מתקיים לאחר ביצוע הניסוי ,בשלב שבו מנתחים תוצאות ומסיקים מסקנות. לפניכם סרטון המציג המצאה טכנולוגית שעושה שימוש באחת מתכונות המתכות .העט הומצא במעבדה הטכנולוגית MITבמסצ'וסטס ,ארה"ב .צפו בסרטון ורשמו במהלך הצפייה באיזו תכונה משתמשים בסרטון?
העט המוליך מה נחקור? נערוך תצפית שמטרתה לבדוק הולכת חשמל במתכות שונות (נחושת, ברזל ,אלומיניום) וחומרים אחרים (עץ ,זכוכית ,פלסטיק) ,נמדוד עוצמת הזרם החשמלי העוברת במעגל דרך החומרים השונים .נשווה בין התוצאות המתקבלות ונמיין את החומרים שנבדקו לשתי קבוצות :מוליכים: (חומרים שעובר דרכם זרם חשמלי) ומבודדים( :חומרים שלא מאפשרים מעבר של זרם חשמלי).
imagine explore learn •
•
ציוד
טאבלט אינשטיין +או לאבמייט איינשטיין+
חיישן זרם ()+250 mA
פס או מוט ברזל
פס או מוט נחושת
פס או מוט אלומיניום
פס או מוט עץ
פס או מוט זכוכית
פס או מוט פלסטיק
*יש להקפיד שכל המוטות/פסים יהיו זהים בגודלם וצורתם.
רגע לפני...
מרכיבי מעגל חשמלי :סוללה ( ,)1.5Vנורה ( ,)1.5Vחוטי חשמל (.)2
ההשערה מתבססת על ידע קודם שיש לתלמידים על חומרים שנמצאים בטבע וכן על ההתנסויות בנושא חשמל ומרכיבי המעגל החשמלי בכיתה ג'. שערו אילו חומרים מבין החומרים שתבדקו יוליכו חשמל ואיזה חומרים לא יוליכו חשמל .מיינו את החומרים לשתי קבוצות :מוליכים( :חומרים המעבירים זרם חשמלי) ומבודדים( :חומרים שאינם מעבירים זרם חשמלי)
ביצוע הניסוי
עבודה קבוצתית .1חשוב לציין בפני התלמידים שיש לבצע פעולת איפוס (קירוב ל )0-בחיישן לפני תחילת המדידות .יחד עם האיפוס ,יש לקחת בחשבון סטייה של 3 %בדיוק במדידות. .2
התוצאות המתקבלות מוצגות בשברים עשרוניים העשויים להקשות על תלמידים להבין גודל של זרם במעגל .ולהבחין בין עוצמת זרם גבוהה במוליכים לבין עוצמת זרם זניחה במבודדים .גם המרה ממיליאמפרמטר לאמפר עשוייה להקשות על הבנת הגודל של זרם חשמלי: -mAמיליאמפר= אלפית האמפר 1/1000 1000מיליאמפר = 1אמפר
לכן מומלץ להשתמש באנלוגיה להמחשת המושג זרם .בדיון בסעיף תוצאות ומסקנות הוצע להשתמש באנלוגיה של זרם מכוניות (נלקח מתוך ערכת ה.ל.ה) להסבר של זרם חשמלי העוברת דרך חומרים.
.1חברו את חיישן הזרם. .2לפני תחילת המדידות יש לאפס את חיישן הזרם :לחצו על כפתור ההגדרות הנמצא ליד החיישן והפעילו את האיפוס (.)set zero .3הגדירו את מערך אוגר הנתונים.
מערך אוגר הנתונים זרם ()+250 mA קצב הדגימה:
1בשנייה
משך הדגימה:
20שניות
.4חברו אל חיישן הזרם נורה וסוללה ,בנו מעגל חשמלי סגור ובדקו את תקינות מרכיביו (הנורה דולקת ,עובר זרם חשמלי
במעגל). .5הוסיפו למעגל החשמלי שהרכבתם כל פעם אחד מהחומרים הבאים :ברזל ,נחושת ,אלומיניום ,עץ,זכוכית,פלסטיק ובדקו :
האם הנורה דולקת?
מה עוצמת הזרם החשמלי שעובר במעגל?
.6השלימו את טבלת מוליכות החשמל של החומרים שבדקתם במהלך ביצוע הניסוי.
imagine explore learn •
•
.7בצעו חזרה על המדידות (סעיפים )5-8למניעת טעויות מדידה ולהגדלת מהימנות הניסוי . עבודה קבוצתית עיבוד נתונים
בשלב הזה מתבצע איסוף נתוני המדידה בטבלה ממנה יוכלו התלמידים להסיק מסקנות לגבי החומרים המוליכים (עוצמת זרם גבוהה יחסית למבדדים ,נורה דולקת ,מצב ":מעגל חשמלי סגור") לעומת מבדדים(עוצמת זרם נמוכה יחסית למוליכים ,נורה אינה דולקת ,מצב ":מעגל חשמלי פתוח"). השלימו את הטבלה : החומר
ברזל אלומיניום נחושת פלסטיק עץ זכוכית
עוצמת הזרם החשמלי שעוברת במעגל (-mA מילי אמפר)
נורה דולקת במעגל
מעגל חשמלי סגור/פתוח
כן/לא
סגור/פתוח
כן/לא
סגור/פתוח
כן/לא
סגור/פתוח
כן/לא
סגור/פתוח
כן/לא
סגור/פתוח
כן/לא
סגור/פתוח
בפעילות זו התלמידים בוחנים את סוג המוליך (החומר) כתכונה דיכוטומית: תוצאות ומסקנות
מוליך או מבודד .בחטב ביניים משתמשים במושג :זרם מכוניות כאנלוגיה לזרם חשמלי .אפשר להעזר באנלוגיה הזו כדי להמחיש את המושג זרם חשמלי (גודל פיזיקלי מופשט) אך במגבלות של שימוש באנלוגיה שאינה
השוואה חד חד ערכית. בתופעה של זרימת מכוניות בכביש ,עוצמת זרם המכוניות היא כמות המכוניות העוברות בכביש .עוצמת זרם המכוניות מושפעת מהחומר (כביש/דרך עפר) דרכן היא עוברת (תלוי אם הדרך משובשת /מפותלת / נוחה) .גם הזרם החשמלי העובר במעגל החשמלי מושפע מסוג המוליך (החומר) דרכו הוא עובר.
לשאלות : 1 -5התלמידים נעזרים בטבלת הנתונים שנאספה במהלך המדידה כדי למיין את החומרים שנמדדו לשתי קבוצות :קבוצת החומרים בהם הנורה דלקה ועוצמת הזרם יחסית הייתה גבוהה קרי ,קבוצת המתכות :נחושת ,ברזל ,אלומיניום ,פליז או כל מתכת אחרת שתשמש למדידה .לעומת החומרים שפתחו את המעגל החשמלי ,הנורה לא דלקה ועוצמת הזרם החשמלי הייתה יחסית נמוכה קרי ,קבוצת העץ ,זכוכית, פלסטיק .במשך הם ממינים את קבוצות החומרים לשתי קטגוריות : מוליכים (חומרים שהעבירו זרם חשמלי דרכם) לעומת מבודדים ( חומרים שלא העבירו זרם חשמלי דרכם .מומלץ להדגיש שעובר תמיד זרם כלשהוא אך עוצמת הזרם במבדדים זניחה) .כאן גם אפשר לחדד את ההבדל בין מדידה אכותית כשמשתמשים בנורה כמדד למעבר זרם לעומת מדידה כמותית באמצעות חיישן ורואים שעובר זרם חשמלי בעוצמה זניחה. דיון במליאה שאלה :7המללת התופעה היא חלק משמעותי בהבנתה ,ניתן להמליל ולהציג בתרשים זרימה חזותי. מוליכות חשמלית היא תכונתו של חומר להוליך זרם חשמלי דרכו: (ההסבר הבא מיועד למורה בלבד :מוליכות חשמלית מתייחסת ליכולת של האלקטרונים לעבור בחומר .מוליכות גבוהה יותר משמעותה היא שהאלקטרונים יכולים לעבור בחומר יותר בקלות ,ולכן עוצמת הזרם במעגל החשמלי גדולה יותר .סוג החומר משפיע על עוצמת הזרם החשמלי).
יכולת של חומר להעביר זרם חשמלי סוג החומר מבדד
מוליך חשמל
(עץ ,פלסטיק ,זכוכית)
(מתכות)
imagine explore learn •
•
חומר מעביר זרם חשמלי דרכו
חומר אינו מעביר זרם חשמלי דרכו
עוצמת הזרם העוברת (עובר זרם בעוצמה גבוהה)
(עובר זרם זניח)
כל המתכות מוליכות חשמל טוב ,אך מידת המוליכות שלהן שונה .עץ, גומי ,זכוכית ,פלסטיק אינם מוליכים חשמל הם חומרים מבודדים .בכדי לבדוק האם חומר מוליך חשמל משתמשים בנורה המחוברת לסוללה בחוטים מתאימים .אם הנורה מאירה זהו הסימן שחומר מעביר זרם חשמלי .אם הנורה אינה מאירה – החומר הוא מבודד .העברת חשמל טובה יותר ,תגרום לנורה להאיר חזק יותר .זוהי מדידה איכותית ,כשרוצים לבצע מדידה כמותית משתמשים בחיישן מד זרם (אמפרמטר) המאפשר למדוד את עוצמת הזרם החשמלי העוברת במעגל במדוייק. לשאלות :9-10האדם מנצל את תכונות מוליכות חשמל בחיי היומיום למשל חוטי החשמל עשויים מחוטי נחושת (מתכת) אך עטופים בפלסטיק למניעת התחשמלות.
.1רשמו את שמות החומרים בהם הנורה דלקה והמעגל החשמלי היה סגור. .2
האם עוצמת הזרם שעברה דרך החומרים הללו היתה יחסית: גבוהה /זניחה
.3רשמו את שמות החומרים בהם הנורה לא דלקה והמעגל החשמלי היה פתוח . .4האם עוצמת הזרם שעברה בחומרים הללו היתה יחסית :גבוהה / זניחה מיינו את החומרים שמדדתם לשתי קבוצות :חומרים מוליכים: (חומרים שמעבירים זרם חשמלי ) וחומרים מבודדים (חומרים שאינם מעבירים זרם חשמלי).
מוליכים
מבודדים
דיון במליאה .5הסבירו למה מתכוונים כשאומרים על חומרים מוליכים? .6הסבירו למה מתכוונים כשאומרים על חומרים שהם מבודדים? המשגת התופעה :הולכת חשמל .7נסו להגדיר את תופעת הולכת החשמל ,התייחסו לכל סוגי החומרים ,לתכונת המוליכות החשמלית ולהכללתם כקטגוריה בעלת תכונות משותפות. .8כיצד ניתן לנצל את התכונה של הולכת חשמל בחיי היומיום? .9כיצד ניתן לנצל את התכונה של מבודדים בחיי היומיום?
יישום
מטרת משימת היישום היא העברה של הידע שנלמד בפעילויות היישום הללו מתקיימת העברה של הידע ממוחשי למופשט .הבנת התופעה באמצעות ייצוגה בסימנים מוסכמים ובדרך של התנסות וירטואלית עם חומרים שונים בעלי אותם מאפיינים של מוליכים ומבודדים.
.1
הקיפו את המעגלים החשמליים שיעבור בהם זרם חשמלי והנורה
תאיר:
imagine explore learn •
•
" .2סוגרים מעגל" התנסות וירטואלית בפעילות:
מוליכים ומבודדים הולכת חשמל היא היכולת של חומרים להעביר זרם חשמלי דרכם. רקע מדעי
התכונה של
העברת הזרם החשמלי נקראת מוליכות חשמלית .ישנם
חומרים בטבע אשר מוליכים (מעבירים) זרם חשמלי דרכם ,הם נקראים "מוליכים" .חומרים מוליכים סוגרים מעגל חשמלי .ישנם חומרים שאינם מאפשרים מעבר של זרם חשמלי דרכם הם נקראים מבודדים .מבודדים פותחים מעגל חשמלי .כל המתכות מוליכות חשמל טוב ,אך מידת המוליכות שלהן שונה .ניתן לדרג את החומרים המוליכים חשמל על-פי מידת המוליכות החשמלית שלהם ,ממוליכים טובים ועד למוליכים גרועים. האדם מנצל את התכונה של מוליכות חשמל לתועלתו למשל ,שימוש במתכת הנחושת (נפוצה מאוד בטבע וזולה יותר מכסף) לייצור כבלים וחוטי חשמל להעברת החשמל לבית ולהעברת חשמל במוצרי חשמל. האדם מנצל את התכונה של חומרים מבודדים לתועלתו למשל שימוש בחומר פלסטיק (אינו מוליך חשמל) בשקעים הביתיים כהגנה מפני התחשמלות.
imagine explore learn •
•