Univerza v Ljubljani Pedagoška fakulteta

Mehanske lastnosti kovin - prevodnost

Maša Tramte

Seminarska naloga pri predmetu Didaktika tehnike s seminarjem I

Mentor: dr. Janez Jamšek, doc.

Ljubljana, 2008

Povzetek Namen seminarske naloge je zasnovati nazoren in sistematično pripravljen preskus za prikaz prevodnosti kovin, ki ga je mogoče uporabiti pri pouku Tehnike in tehnologije. Bistvo je v preskusu in zasnovanju le tega. Na začetku seminarske je predstavljen in opisan električni krog s simboli (ki ga učenci spoznajo v 7. razredu) in kakšni pogoji morajo biti prisotni, da po električnem krogu teče električni tok. Seminarska naloga se dotika tudi postopkov pridobivanja kovin. Glede na vrste kovin poznamo železne (ki vsebujejo železo) in neželezne kovine (brez železa). Opisane so količine, katere vplivajo na električno prevodnost kovin. Podrobneje je obdelana kovinska lastnost prevodnost, kjer je ločena na električno in toplotno prevodnost. Tiste kovine, ki najbolje prevajajo elektriko so uporabljene tudi v preskusu na koncu seminarske. Preskus temelji na električni prevodnosti izbranih kovin. Pri poskusu spreminjamo parametre, ki vplivajo na spremembo električne prevodnosti. Model preskušanja električne prevodnosti je zasnovan na podlagi elektromotorčka, navitja različnih kovinskih žic pa predstavljajo različne preizkušance.

Kazalo 1 Uvod........................................................................................................................................ 4 2 Navezava na učni načrt......................................................................................................... 4 3 Pregled obstoječega gradiva................................................................................................. 4 4 Prevodnost kovin .................................................................................................................. 5

4.1 Električni krog (7. razred) ................................................................................................ 5 4.2 Delitev snovi (7. razred)................................................................................................... 5

Izolanti - nekovine.............................................................................................................. 5 Polprevodniki - polkovine.................................................................................................. 5 Prevodniki - kovine ............................................................................................................ 5

4.3 Pridobivanje kovin (8. razred).......................................................................................... 6 4.4 Vrste kovin (8. razred) ..................................................................................................... 6

Železne (črne) kovine......................................................................................................... 6 Neželezne (barvaste) kovine .............................................................................................. 7

4.5 Lastnosti kovin (8. razred) ............................................................................................... 7 4.6 Lastnosti kovin – prevodnost (8. razred).......................................................................... 7

Električna prevodnost kovin............................................................................................... 7 Toplotna prevodnost kovin................................................................................................. 8

4.7 Kovinska zgradba............................................................................................................. 9 4.8 Določanje prevodnosti kovin ........................................................................................... 9 4.9 Prevodnost kovin pri pouku Tehnika in tehnologija ...................................................... 10

5 Preskus prevodnosti kovin.................................................................................................. 10 Deli elektromotorja: ......................................................................................................... 10 Delovanje elektromotorja:................................................................................................ 11

5.1 Določitev kriterijev preskusa ......................................................................................... 11 5.2 Zasnova modela.............................................................................................................. 11 5.3 Preskusni vzorci ............................................................................................................. 12 5.4 Meritve ........................................................................................................................... 14

6 Navodila učitelju pri izvedbi preskusa .............................................................................. 15 7 Sklep ..................................................................................................................................... 16 8 Literatura............................................................................................................................. 16 9 Priloge................................................................................................................................... 17

1 Uvod Moja seminarska naloga govori o mehanskih lastnostih kovin - prevodnosti kovin, o tehniškem eksperimentu in preskusu. Namen seminarske naloge je, da bo služila v pomoč pri obravnavanju te tematike v 7. in 8. razredu devetletne osnovne šole, kjer jo učenci spoznajo pri predmetu Tehnika in tehnologija. Preskus za prevodnosti kovin letni učni načrt za osnovno šole ne zajema in ga načeloma ne izvajajo pri pouku. Poskušali bomo ugotoviti kaj in v kolikšni meri vpliva na večjo oziroma manjšo prevodnost kovin. V tej seminarski nalogi je opisan način preskušanja električne prevodnosti različnih kovin. Zanimalo nas bo od katerih parametrov je odvisna večja ali manjša prevodnost kovin. Zanimalo nas bo s čim se meri prevodnost kovin in v kakšnih enotah se izraža. Poskušali bomo odgovoriti na podobna vprašanja kot so: Ali se prevodnost razlikuje glede na to kakšno kovino imamo? Katere kovine prevajajo elektriko najbolje in katere je sploh ne prevajajo? Ali električni tok prevajajo tudi nekovinski materiali? Kakšne parametre moramo spremeniti kovinskemu preizkušancu, da se bo njegova električna prevodnost spremenila? Ali poleg električne prevodnosti poznamo še kakšno drugo?

2 Navezava na učni načrt V letnem učnem načrtu predmeta Tehnika in tehnologija [1] se v 7. razredu devetletne osnovne šole pri tematiki Tehnična sredstva obravnava temo Električni krog in krmiljenje. Znanja o elektriki združimo v projektu. Predmet, ki ga želimo izdelati, gradijo učenci po korakih. Sproti dobivajo vsa potrebna znanja, da lahko iščejo ustrezne rešitve. Katera znanja jim manjkajo, bodo opredeljevali sproti, ob vsakem novem problemu. Tako znanj ne pridobivajo na zalogo, temveč sproti in to tista, ki so potrebna [1]. Operativni cilji pri električnem krogu, ki naj bi jih učenec znal, so: opiše električni krog z virom napetosti, stikalom in porabnikom, ugotovi potrebne pogoje, da v električnem krogu teče elektrika in da razlikuje med električnimi prevodniki in izolanti [1]. To predznanje naj bi učenci imeli, da bi lahko kasneje razumeli pojem prevodnost. V 7. razredu učenci izdelujejo tudi elektromotorček, ki deluje na principu električnega in magnetnega polja. To bo tudi moje izhodišče za pisanje seminarske naloge in predstavitev preskusa električne prevodnosti kovin. V 8. razredu devetletne osnovne šole pa se začne tematika Gradiva in obdelave, ki zajema temo Načrtovanje in izdelava predmeta iz kovine. Učenci tu spoznavajo in uporabijo kovine ob načrtovanju izdelka iz kovine. S kovino lahko kombiniramo tudi druga gradiva. Pridobivanje novih znanj je vpleteno v sam projekt tako, da tvori logično celoto. Novo orodje in tehnologije spoznavajo učenci takrat, ko jih je treba uporabiti. Tako se tu ne ločuje teoretičnih in praktičnih vsebin [1]. Operativni cilji tukaj so: učenec najpogostejše kovine razvrsti v železne in neželezne kovine in preizkusi nekaj lastnosti kovin [1]. O tem je tudi napisana moja seminarska naloga: mehanske lastnosti kovin - prevodnost.

3 Pregled obstoječega gradiva Učenci so začeli s spoznavanjem različnih kovin pri predmetu Zgodovina, ko so obravnavali različne kamene dobe in izdelavo orodij in orožij, katere so bile plod pračloveka. V tretji triadi učenci pri predmetu Kemija spoznajo periodni sistem elementov, po katerem se orientirajo glede na to, kje se nahajajo kovine, nekovine in pol-kovine. Do obravnavanja prevodnosti kovin pa pride pri predmetu Tehnika in tehnologija, v 7. razredu devetletke, ko ločujejo materiale glede na mehanske in fizikalne lastnosti ter jih razdelijo v tri skupine: kovine, nekovine in izolante. Kovine so začeli razvrščati tudi glede na to, kako dobro prevajajo elektriko. V učbenikih (delovnih zvezkih) TIT za učence za 7. razred osnovne šole najdemo poenostavljene primere preskušanja prevodnosti [15]. Učenci spoznajo električni krog in izdelujejo elektromotorček [16]. V 8. razredu znanje o kovinah nadgradijo [l7]. Splošno o prevodnikih je na obširno napisano v [4], bolj specifične razlage o prevodnosti kovin pa se nahajajo v [11]. Na spletu se nahaja tudi povzetek snovi iz predmeta Tehnika in tehnologija v [2].

5

4 Prevodnost kovin Pri kovinah poznamo dve vrsti prevodnosti. Električna prevodnost in toplotna prevodnost kovin. Kovine so pomembno gradivo izdelkov, ki nas obdajajo. Imajo veliko podobnih lastnosti: sijaj, barvo, neprozornost, visoka plastičnost (lahko jih preoblikujemo), visoka trdnost, velika prevodnost električnega toka in toplote, odpornost proti koroziji. Poznamo okoli 70 vrst kovin, v tehniki jih danes uporabljamo le okoli 30 [2].

4.1 Električni krog (7. razred) Električni krog je sestavljen iz vira napetosti, porabnika (upora) in žice. Vir napetosti poganja električni tok, ki teče po žici. Zato je žica narejena iz materiala, kateri prevaja elektriko. Sestavimo električni krog tako, da iz žepne svetilke vzamemo baterijo in žarnico. Namesto kovinskih trakov uporabimo za sestavljanje električnega kroga kovinske (bakrene) žice. Navijemo en konec žice okoli enega priključka baterije in drugi konec žice okoli vratu žarnice. Drugo žico na enak način navijemo okoli drugega priključka baterije in drugi konec žice prislonimo na srednji priključek žarnice. Žarnica zasveti takrat, ko je stik zanesljiv [3], slika 4.1 (a). Električni krog žepne svetilke lahko predstavimo shematsko, slika 4.1 (b). Na sliki 4.1 (c) so poimenovani simboli, ki nastopajo v shemi električnega vezja.

(a) (b) (c)

Slika 4.1: (a) Električni krog s stikalom, (b) električni krog, (c) simboli v električnih vezjih [2]. Električnega toka ne vidimo neposredno, zaznamo lahko le njegov učinek – žarnica sveti. Električni krog pa lahko prekinemo ne le tako, da krog razklenemo (stikalo), ampak tudi tako, da v električni krog vstavimo snov, ki električnega toka ne prevaja.

4.2 Delitev snovi (7. razred) Vse snovi niso enake. Razlikujejo se po lastnostih, kot so; material, gostota, teža, prožnost, prevodnost toplote in električnega toka. Zato snovi delimo na prevodnike, polprevodnike in izolante.

Izolanti - nekovine Izolanti (nekovine) so materiali, ki ne prevajajo električnega toka. Na primer; žica je ovita v plastično prevleko zaradi varnosti, da nas ne strese, ko jo primemo. Lahko bi rekli, da so izolanti vsi materiali, ki ne prevajajo elektrike. Med njih sodijo večinoma umetni materiali: guma, plastika, keramika, steklo [4] in naravni materiali kot so les, azbest, smola, in granit [5].

Polprevodniki - polkovine Polprevodniki (pol-kovine) so materiali, elementi, ki jih glede na njihove fizikalne lastnosti ne moremo uvrstiti niti med prevodnike, niti med izolante. Imajo mnogo večjo ohmsko upornost v primerjavi s prevodniki in hkrati mnogo manjšo ohmsko upornost v primerjavi z izolanti. Njegova značilna lastnost je, da se pri majhni dovedeni energiji obnaša kot izolator, pri večji dovedeni energiji pa ima lastnosti slabega prevodnika.

Prevodniki - kovine Prevodniki (kovine) so materiali, ki dobro prevajajo električni tok. Kovina je neprozorna, navadno trdna kovna snov s sijajem [6]. Poleg kovin prevajajo električni tok tudi raztopine soli, baz in kislin.

6

4.3 Pridobivanje kovin (8. razred) Večina kovin v zemeljski skorji je kemijsko vezanih z drugimi elementi. Pravimo jim spojine. Spojinam na pogled običajno ne moremo pripisati vsebnosti kovine, posebno, ker so pomešane z drugimi zemeljskimi minerali – jalovino. Tako kamnini rečemo ruda. Odstotek kovine v rudi odloča, ali jo je gospodarno izkopavati ali ne. Dostopne zaloge rud so vse manjše. Pravimo, da so kovine neobnovljivi naravni vir [7]. Nahajališča rud so lahko na zemeljski površini (dnevni kop), velikokrat pa morajo slediti rudnim žilam v globino ( rudniki). Rude so bolj ali manj bogate, vsebujejo različen odstotek kovine ( ruda z jalovino). Čim več izkopanina vsebuje rude, tem bolj se splača iz nje pridobivati kovino [5].

Kovine pridobivamo večinoma iz rud po posebnih postopkih (taljenje rud v pečeh, plavži). Nekaj kovin pa je tudi samorodnih1 [2].

(a) (b) (c)

Slika 4.3: Samorodne kamnine od leve proti desni: (a) živo srebro, (b) zlato, (c) baker [8].

4.4 Vrste kovin (8. razred) Kemijsko čiste kovine uporabljamo v tehniki le v posebnih primerih (zlato, srebro, baker, aluminij). Poleg teh neprestano izdelujejo nove zlitine, ki nastanejo, če dva ali več kovin raztalijo in jih zmešajo med seboj. Zlitina ima drugačne lastnosti kot kovine, ki jo sestavljajo [7].

Železne (črne) kovine Železo je gotovo najpomembnejša kovina, ki jo uporabljamo v tehniki. Je mehko, krhko in se spaja s kisikom - oksidira2. Tehnološko ni pomembno, zato so postopki pridobivanja zasnovani tako, da v procesu taljenja rude uporabljajo gorivo z mnogo ogljika. Med atome železa se vežejo ogljikovi atomi, ki mu dajejo najrazličnejše ugodne tehnološke lastnosti. Iz železa izdelajo jeklo, ki je čistejše tehnološko in vsebuje malo ogljika [7]. Železne kovine so cenejše, se dobro ulivajo in dobro mehansko obdelujejo, imajo veliko trdnost in manjši koeficient temperaturne razteznosti ter slabšo prevodnost toplote. Železne kovine so težje od neželeznih. Delitev:

Litine (sive, nodularne, temprane) [6]. Jekla (konstrukcijska, orodna): so zlitine železa z ogljikom in drugimi legirnimi elementi3 [5].

1 Snov v naravi, ki je čista, brez primesi. 2 Oksidirati pomeni spreminjati lastnosti (v tem primeru lastnosti železa) pod vplivom kisika [9]. 3 Legirni elementi ugodno vplivajo na žilavost jekel [10].

Slika 4.2: Rudnik [8].

7

Neželezne (barvaste) kovine Vse kovine, razen železa, in vse zlitine, v katerih je delež drugih kovin večji od deleža železa, sodijo v skupino neželeznih kovin. V glavnem so dobri prevodniki električnega toka, so dobri konstrukcijski materiali, večina jih je odpornih proti koroziji4, veliko zlitin barvnih kovin je uporabnih za drsne ležaje in lote, primerne so tudi za vlivanje in mehansko obdelovanje. [6] Ločimo jih na težke in lahke kovine glede na njihovo težo oziroma gostoto. Meja naj bi bila okoli 5.000 kg/m3 :

Težke kovine (cink, kositer, baker, svinec, živo srebro, nikelj, kobalt, kadmij) [5]. Lahke kovine (aluminij, magnezij, litij, titan) [5]. Redke kovine (krom, vanadij, molibden, volfram). Plemenite kovine (platina, zlato, srebro). Zlitine (bron, medenina, cin): imenujemo jih tudi legure5 [11].

4.5 Lastnosti kovin (8. razred) Kovino ponavadi izberemo glede na njene lastnosti. Vsaka kovina ima celo vrsto lastnosti, od katerih so le nekatere tiste, ki ustrezajo določeni uporabi te kovine:

Togost – v kolikšni meri gradivo obdrži obliko, žilavost – v kolikšni meri je gradivo odporno proti lomljenju, trdnost – v kolikšni meri je gradivo odporno proti delovanju zunanjih sil, trdota – v kolikšni meri se da gradivo raziti ali označevati s trdimi predmeti, korozijska odpornost – v kolikšni meri in kako gradivo oksidira, gostota – koliko je gradivo kompaktno, obdelovalnost – kako se da gradivu spreminjati obliko, sposobnost spajanja – v kolikšni meri se da gradivo spajati z drugim gradivom, električne lastnosti – v kolikšni meri gradivo prevaja elektriko, termične lastnosti – v kolikšni meri gradivo prevaja toplota [6].

4.6 Lastnosti kovin – prevodnost (8. razred) Prevodnost je ena izmed lastnosti kovin, ki jih dandanes veliko uporabljamo in izkoriščamo. Prevodnost dopušča prehajanje toplote ali električnega toka. Zato poznamo dve vrsti prevodnosti kovin, ena je električna prevodnost in druga toplotna (termična) prevodnost.

Električna prevodnost kovin

4 Korozíja je razdiralni napad na kovino in najpogosteje temelji na elektrokemičnih reakcijah, ki potekajo zaradi nestabilnosti materiala v nekem okolju (primer: vremenski vplivi) [10]. 5 Legura je trdna raztopina dveh ali več kovin [10].

Slika 4.4: Električna prevodnost v odvisnosti od vrstnega števila elementa [12].

8

Električno prevodnost imenujemo tudi specifična prevodnost. Ta označuje sposobnost posameznih materialov za prevajanje električnega toka. Dobri električni prevodniki so srebro, baker in aluminij. Uporabljajo jih kot električne prevodnike. Druge kovine, kot so na primer jekla, tudi prevajajo elektriko, vendar ne tako dobro [5]. Na sliki 4.4 si lahko ogledamo prevodnost kovinskih elementov glede na njihovo vrstno število v periodnem sistemu. Koeficient električne prevodnosti označimo z grško črko sigma – σ ali gama - γ , ki ima enoto (Ωcm)-1, kar je razvidno iz preglednice 4.1. Večji kot je koeficient električne prevodnosti, bolj kovina prevaja električni tok. Iz enote lahko sklepamo, da je električna prevodnost odvisno od obratne vrednosti upornosti in obratne vrednosti dolžine. Graf prikazuje spreminjanje električne prevodnosti po periodnem sistemu. Najboljšo električno prevodnost imajo baker, srebro in zlato. Preglednica 4.1: Vrstna števila elementov in njihova električna prevodnost [12].

PREVODNIKI Vrstno število Električna prevodnost - γ /(Ωcm)-1

Srebro 47 0,63 x 106 Baker 29 0,58 x 106 Zlato 79 0,42 x 106

Aluminij 13 0,34 x 106 POLPREVODNIK

Germanij 32 0,22 x 10-1 IZOLANT Diamant (C) 6 1 x 10-16

Električna prevodnost je v splošnem odvisna tudi od temperature. Z naraščajočo temperaturo električna prevodnost večine čistih kovin močno pada medtem ko je pri večini zlitin ta pojav mnogo manj izrazit. Po drugi strani pa električna prevodnost elektrolitov, izolatorjev in polprevodnikov s temperaturo hitro narašča [10]. Zato podatki iz preglednice 4.1 veljajo pri temperaturi 20˚C.

Toplotna prevodnost kovin Toplotna prevodnost je merilo sposobnosti materiala za prevajanje toplote. Dobri prevodniki toplote so obenem tudi dobri električni prevodniki. Materiali z dobro toplotno prevodnostjo, kot na primer baker, se uporabljajo predvsem v toplotnih menjalnikih. Ta značilnost podaja raztezek 1 m dolge palice pri spremembi temperature za 1o C [5]. Koeficient toplotne prevodnosti označimo z malo grško črko lambda – λ, ki ima enoto W/Km. Večji kot je, bolj kovina prevaja toploto. Iz enote lahko sklepamo, da je toplotna prevodnost odvisna od moči [W], obratne vrednosti temperature in obratne vrednosti debeline. Graf 4.5 prikazuje spreminjanje toplotne prevodnosti po periodnem sistemu. Količinsko pa so vrednosti predstavljene v preglednici 4.2. Najboljšo toplotno prevodnost imajo baker, srebro in zlato.

Slika 4.5: Toplotna prevodnost v odvisnosti od vrstnega števila elementa [12]. Iz slike 4.4 in 4.5 ter preglednic 4.1 in 4.2 je razvidno, da električna in toplotna prevodnost ne naraščata oz. padata z manjšanjem oz. večanjem vrstnega števila tega elementa. Torej, kaj je tisto, kar bistveno vpliva na boljšo oziroma slabšo električno prevodnost kovin? Zakaj so ravno srebro, baker, zlato in aluminij najboljši prevodniki elektrike in hkrati tudi toplote? Velika električna prevodnost je posledica gibanja elektronov skozi kristal. Podobno, kot električno prevodnost, lahko razložimo toplotno prevodnost. Elektroni sprejmejo kinetično energijo ionov, ki močneje vibrirajo na mestih, kjer je kovina topla. Ti elektroni trčijo z drugimi ioni.

9

Preglednica 4.2: Vrstna števila elementov in njihova toplotna prevodnost [12].

Vrstno število kovine PREVODNIKI Toplotna prevodnost - λ /W/Km 47 Srebro 420 29 Baker 390 79 Zlato 310 13 Aluminij 210

/, zlitina Medenina 85 26 Železo 75

/, zlitina Jeklo 45 80 Živo srebro 30

4.7 Kovinska zgradba Kovine so dobri prevodniki električnega toka. Prevodnost z naraščanjem temperature pada. Enako so tudi kovine dobri prevodniki toplote. Vse te lastnosti kovin so posledica kovinske zgradbe [11]. Pri sobni temperaturi so razen živega srebra (Hg), ki je tekoče, vse kovine v trdnem agregatnem stanju.

Slika 4.6: Kovinska vez [14]. Kovine imajo kristalno mrežo, ki je zgrajena iz istovrstnih atomov. Kovinska kristalna mreža je zgrajena iz pozitivnih kovinskih ionov, ki so praviloma razvrščeni v prostoru in so med seboj povezani z elektroni, ki ne pripadajo enemu atomu ali atomski skupini, pač pa se gibljejo v tako imenovanem elektronskem plinu po vsej kovini. Elektroni se lahko prosto gibljejo po kovinskih orbitalah, ki se raztezajo po vsej kovini. Z gibljivostjo elektronov si razlagamo prevodnost toplote in elektrike.

4.8 Določanje prevodnosti kovin

Prevodnost oziroma upornost kovin najpogosteje merimo z ohm-metrom. Ohm-meter je naprava, ki nam izmeri upornost v enotah ohm [Ω]. Ohm (oznaka Ω) je izpeljana enota mednarodnega sistema enot za merjenje električnega upora (električne upornosti). Imenuje se po nemškemu fiziku Georgu Simonu Ohmu, ki je odkril in zapisal sorazmernostno povezavo med električno napetostjo in električnim tokom, znano kot Ohmov zakon. Električni upornik ima električni upor enega ohma, če pri toku 1 A na njem pade napetost za 1 V (R=V/I). To lahko izrazimo tudi v osnovnih enotah SI: električni upornik, ki porabi 1 W električne moči pri toku 1 A, ima upor 1 Ω. Ker je upor 1 relativno zelo majhna vrednost, se uporabljajo še predpone tisoč ohmov, ki je 1 kiloohm z oznako kΩ, milijon omov pa je 1 megaohm z oznako MΩ. Tudi pr preskusu na koncu seminarske naloge bomo upornost električnih vodnikov merili z ohm-metrom. Na sliki 4.7 je prikazan ohm-meter.

10

Slika 4.7: Ohm-meter.

4.9 Prevodnost kovin pri pouku Tehnika in tehnologija Pri pouki Tehnika in tehnologija se lahko prevodnost kovin preskuša z električnim krogom [3], ki vsebuje žarnico, ploščato baterijo in električni vodnik. Na podlagi svetlosti žarnice lahko ocenimo kakšna je prevodnost kovine, iz katere je narejen električni vodnik. Menjavamo električne vodnike in opazujemo s kakšno jakostjo sveti žarnica. Tem bolj kot sveti, čim večja je prevodnost električnega vodnika. Pri preskušanju lastnosti materialov učenci ločijo kovinske in nekovinske materiale, tako da jih približajo magnetu. Toda tudi vseh kovinskih materialov magnet ne privlači, oziroma slabše.

Slika 4.8: Preskušanje različnih materialov [5].

5 Preskus prevodnosti kovin S preprostim enosmernim elektromotorjem lahko prikažemo prevodnost različnih kovinskih materialov. Elektromotor je električni porabnik, ki električno energijo pretvarja v mehansko. Elektromotorji so tudi v nekaterih gospodinjskih pripomočkih (npr. v paličnem mešalniku, sesalniku za prah, električnem vrtalniku, …). Delovanje elektromotorja je povezano s preskušanjem prevodnosti tako, da ko spreminjamo rotorju količine (dolžina, presek, specifična prevodnost), se njegova frekvenca vrtenja spreminja.

Deli elektromotorja: stator predstavlja podstavek, magnet in nosilna stebra (zasnova modela),

11

rotor motorja je navitje žice, ki se med delovanjem vrti (preskusni vzorci), konca navitja predstavljata gred in kolektor elektromotorja hkrati.

Slika 5.1: Model elektromotorčka.

Delovanje elektromotorja: Osnova za delovanje je v zakonitosti, da se ista pola magneta odbijata, različna pa privlačita. V to se prepričaš, če vzameš dva magneta in ju približaš. Magneta se bosta privlačila, če pa enega obrneš, se bosta odbijala. Magnet ima magnetno polje s severnim in južnim polom. Ko skozi navitje (tuljavico) steče enosmerni električni tok, se prav tako okoli tuljavice ustvari magnetno polje s severnim in južnim polom. Okrog trajnega magneta je magnetno polje, ki z magnetnim navorom zavrti tuljavico, ko skozi njo teče električni tok. Navor se manjša in rotor bi se ustavil, ko se zavrti za 90 stopinj. Tedaj se na gredi rotorja prekine električni tok in ponovno steče, ko se zavrti za pol obrata. S tem zagotovimo, da sile (navor) delujejo ves čas v isto smer in omogočijo vrtenje rotorja (preskusnega vzorca) [15].

5.1 Določitev kriterijev preskusa Kriteriji za preskus prevodnosti kovin morajo biti:

natančnost (razlika med različnimi testiranci mora biti očitna in dobro vidna), ponovljivost (preskus moramo biti sposobni ponoviti večkrat pri enakih pogojih), enostavnost (preskus ja zmožen izvesti tako učitelj kot učenec), primerljivost (dobljeni rezultati se morajo približno ujemati s splošno znanimi teoretičnimi vrednostmi), dostopnost (material za izdelavo modela le lahko praktično dobiti v vsaki delavnici, drugače pa ga

kupimo v trgovini, saj je tudi cenovno ugoden). Zasnova modela mora biti za vse preizkušance enaka. Preizkušanci pa se bodo med seboj razlikovali v tistih lastnostih, ki naj bi vplivali na različne rezultate pri merjenju prevodnosti kovin.

5.2 Zasnova modela Zasnova modela je pomembna s stališča, da so vsi preskušanci (ki jih testiramo na tem modelu) testirani na enak način. To pomeni, da so pri vsakem poskusu popolnoma enaki pogoji. Spreminjamo le tisto spremenljivko od česar je odvisna električna prevodnost kovin. Več o tem sledi v poglavju o preskusnih vzorcih. Slika 5.2 prikazuje sestavne dele zasnove modela. Model sem gradila po korakih kot so zapisani v delovnem zvezku za 8. razred [18]. Smisel tako zasnovanega preskusa je v tem, da preverim, če bi elektromotorček, narejen po merah iz delovnega zvezka, res deloval.

12

Slika 5.2: Podstavek, aluminijasti ploščici in magnet. Zasnova modela po korakih (slika 5.3):

iz lesa odrežem in oblikujem podstavek z dimenzijami 60 mm x 45 mm x 15 mm, iz aluminijaste• tanke pločevine odrežem in oblikujem dva enaka podpornika z dimenzijami 50 mm x

20 mm. Na zgornjem in spodnjem delu zvrtam luknjo s premerom 2 mm. Nato čez spodnji luknji vstavim vijaka in s pomočjo vijača pritrdim podpornika na daljše stranice lesenega podstavka tako, da sta podpornika v pokončni legi v primerjavi s podstavkom, ki je vzporeden s tlemi,

na sredino lesene podlage pritrdim močan magnet z dimenzijami 30 mm x 20 mm x 5 mm.

Slika 5.3: Stator elektromotorja. .

5.3 Preskusni vzorci Preskusni vzorci bodo izolirani električni vodniki. Električni vodniki so narejeni iz električnega prevodnika (najpogosteje iz kovine) in med seboj povezujejo električne porabnike in vire napetosti. Po električnem vodniku teče električni tok. V našem primeru bo vir napetosti ploščata baterija.

• Aluminij in magnet ne reagirata med sabo tako močno kot baker in magnet, zato sem izbrala aluminij, da zmanjšam morebitno privlačnost med magnetom in ploščicama.

13

Slika 5.4: Spremenljivke [17]. Preskušali bomo vzorce različnih navitij, ki se razlikujejo po:

l [m] dolžini navitja (N - število ovojev), S [mm] preseku žice, ξ ali ρ [Ωm] specifični upornosti oziroma prevodnosti γ [(Ωm)-1]žice (material iz katere je žica).

Na sliki 5.4 so prikazane vse tri spremenljivke. Iz različnih kovinskih žic (slika 5.5) oblikujem tuljavice, oziroma navitja, ki bodo prvi preizkušanci za ta poskus, zato morajo imeti enak presek žice in enako dolžino oziroma enako število ovojev navitja.

Slika 5.5: Navitji, ki se razlikujeta po materialu (aluminij in baker).

Drugi preizkušanci bodo iz enakega materiala, prav tako bo presek žic enak, spreminjali pa bomo dolžino navitja, oziroma število navojev na tuljavici. Preizkušanci tretje vrste pa se bodo razlikovali le po preseku, med tem ko bodo dolžine in materiali konstante. Konstanta pri vseh treh različnih spremenljivkah preizkušancev pa bo obseg, oziroma premer navitja. Ta bo znašal vedno 25 mm. Iz (5.1) lahko zapišemo razmerja med količinami:

ρ=RS/l. (5.1) Specifična upornost je premo sorazmerna s presekom žice in obratno sorazmerna z njeno dolžino. Torej, lahko sklepamo; čim daljša bo žica (čim večje število ovojev bo imela), tem manjša bo specifična upornost. In čim tanjša bo žica, tem manjša bo specifična upornost. Najmanjšo specifično upornost bi torej imeli, če bi imelo navitje le en ovoj (najkrajšo dolžino) in velik presek žice. Specifična upornost je obratno sorazmerna s specifično prevodnostjo, kar je razvidno iz spodnje formule. Zato lahko sklepamo tudi o obratnem razmerju z dolžino in presekom žice. Specifična prevodnost bo največja takrat, ko bo najmanjša specifična upornost:

ρ=1/γ. (5.2) Dimenzije testirancev so naslednje: debelino oziroma premer žice znaša 0,6 mm in 1,5 mm. Iz premera izračunamo presek žice (S). število ovojev žice se bo spreminjalo. Testiranci imajo po 7 in 14 ovojev. Iz števila ovojev izračunamo dolžino žice (l). Testiranci pa so narejeni tudi iz različnih materialov. Nekateri bodo iz bakra, drugi iz aluminija. Z različnim materialom se spreminja tudi specifična prevodnost; le to najdemo v tabeli na strani 8. tako imamo narejenih 8 različnih preizkušancev za preskus prevodnosti kovin. 4 preizkušanci so narejeni iz aluminijaste žice:

prvi preizkušanec ima presek S1 in dolžino l1, drugi preizkušanec ima presek S2 in dolžino l2, tretji preizkušanec ima presek S1 in dolžino l2 in četrti preizkušanec ima presek S2 in dolžino l1.

Drugi 4 preizkušanci pa so narejeni iz bakrene žice:

prvi preizkušanec ima presek S1 in dolžino l1, drugi preizkušanec ima presek S2 in dolžino l2,

14

tretji preizkušanec ima presek S1 in dolžino l2 in drugi preizkušanec ima presek S2 in dolžino l1.

Vrednosti presekov in dolžin so podani v podpoglavju 5.4.

5.4 Meritve Ko preskusim delovanje elektromotorčka, ugotovim, da ne deluje tako kot bi moral. Rotor (navitje) se ne zavrti za cel krog, ampak se le odklanja od ravnovesne lege. Za to je mogoče kriv magnet, ki ni dovolj močen, da bi pognal rotor z dovolj veliko silo. Mogoče pa so mere zasnove modela napačno podane v delovnem zvezku. Če bi model elektromotorčka deloval, bi meritve izvajali tako, da bi pri vsakem testirancu, v enakem časovnem intervalu, šteli njegove vrtljaje. Tisti testiranec (navitje), ki bi naredil največ vrtljajev, v enakem časovnem intervalu, bi imel največjo prevodnost. Nato sem poskusila še z izdelavo tablice v obliki polkroga, kjer sem označila stopinjsko skalo. Tablica bi bila kot nekakšen merilec odklonov rotorja. Konce navitji (rotorja) sem podaljšala, kar bi služilo za kazalec, ki bi se odklanjal od ravnovesne lege. Za koliko bi se dejansko odklonil, pa bi odčitali na stopinjski skali iz tablice. Toda ti odkloni so se med seboj komaj kaj razlikovali, premalo, da bi bili lahko rezultati zanesljivi in ponovljivi. Ker elektromotorček ni deloval, bom morala izvesti drugačen preskus prevodnosti kovin. Pomagala si bom s tem, kar imam že narejeno od zasnove modela. Prav mi bodo prišla navitja, in pa stator motorčka za stojalo testirancev. S statorja odstranim magnet, ker mi ne bo služil več (slika 5.6). in z ohm-metrom izmerili kakšna je upornost testiranca, če čezenj teče tok z virom napajanja 4,5 V, ki bo za vse testirance enak (konstanten).

Slika 5.6: Model za preskušanje testirancev. Na model (slika 5.6) postavimo različne testirance. Potrebujemo tudi ploščato baterijo kot vir napetosti. Plus in minus baterije povežemo vsakega na en konec testiranca (navitja). Sedaj čezenj teče električni tok. Nato ohm-meter vežemo vzporedno z navitjem in izmerimo upornost navitja (slika 5.7).

15

Slika 5.7: Merjene upornosti vodnikov.

Iz spodnjih podatkov so, v preglednici 5.1, izračunane teoretične vrednosti uporov vodnikov po enačbah (5.1) in (5.2). Opazimo, da se bakrova testiranca, z enakim presekom S1 in različnima dolžinama l1 in l2 , med seboj po upornosti razlikujeta za skoraj točno za faktor 2. Navitje z dolžino l2 ima 2x večjo upornost kot navitje z dolžino l1. Enako velja za ostale pare z enakim presekom in specifično prevodnostjo. S1 = 0,2826 x 10-6 m2 (manjši presek) S2 = 1,7663 x 10-6 m2 (večji presek) l1 = 0,550 m (krajša žica) l2 = 1,100 m (daljša žica) γ (Cu) = 58 x 106 (Ωm)-1 (specifična prevodnost bakra) γ (Al) = 34 x 106 (Ωm)-1 (specifična prevodnost aluminija) Preglednica 5.1: Teoretične vrednosti uporov vodnikov. Baker (Cu) l1 (N= 7) l2 (N = 14) Aluminij (Al) L1 (N= 7) l2 (N = 14) S1 0,0335 Ω 0,0671 Ω S1 0,0572 Ω 0,114 Ω S2 0,00537 Ω 0,0107 Ω S2 0,0092 Ω 0,018 Ω Ko izvedemo meritve tudi praktično s poskusom, izmerjene rezultate vpišemo v preglednico 5.2 in opazimo, da sta tako kot bakrova testiranca, z enakim presekom S1 in različnima dolžinama l1 in l2 , kot vsi ostali pari testirancev (enakih presekov in materialov, ter različnih dolžin) v enakem odnosu kot v preglednici 5.1. 2x daljši testiranec ima 2x večjo upornost. Preglednica 5.2: Izmerjene vrednosti uporov vodnikov. Baker (Cu) l1 (N= 7) l2 (N = 14) Aluminij (Al) L1 (N= 7) l2 (N = 14) S1 104 Ω 200 Ω S1 28 Ω 62 Ω S2 27 Ω 53 Ω S2 5 Ω 9 Ω S tem poskusom smo dokazali, da je električna upornost res premo sorazmerna z dolžino in obratno sorazmerna s presekom. Iz obeh preglednic je lepo razvidno, da se razmerje med teoretičnimi vrednosti uporov vodnikov ujema z razmerjem izmerjenih vrednosti z ohm-metrom. Razvidno je tudi, da imajo testiranci, z specifično prevodnostjo aluminija, večjo upornost kot testiranci iz bakra. Torej je baker boljši prevodnik kot aluminij.

6 Navodila učitelju pri izvedbi preskusa Če kot učitelj izvajate tak preskus pred učenci, morate biti pozorni, da z žic snamete izolacijo na tistih delih, kjer z ohm-metrom merite upornost. Pri poskusu merjena prevodnosti različnih kovin, vam ni potrebno žice zvijati v navija. Žice so lahko ravne, le različnih dolžin, presekov in materialov.

16

Če pa vam uspe izdelati elektromotorček, pri kateremu se rotor vrti, morate biti pozorni,da se preizkušanec (navitje) ne dotika magneta, ampak da je nekaj milimetrov nad njim. Okolico, kjer izvajamo poskus moramo izolirati, tako da ne poskus nimajo vpliva drugi dejavniki (drugi magneti, kovinski predmeti, itd…). Učenci morajo vedeti kaj je magnet in kakšne učinke ima na kovine. Vedeti morajo, da ima magnet dva pola; severni in južni pol. Poznati morajo pojem silnica in da silnice potekajo od severa proti jugu (od plusa proti minusu) in da so vedno zaključene same vase (torej potekajo tudi vzdolž magneta - v njegovi notranjosti). Učencem je treba pojasniti v kakšnem odnosu sta električno in magnetno polje in da pride do največjega efekta takrat, ko sta med seboj pravokotna. Iz preskusa je razvidno, da se navitje odkloni iz mirovne lege v eno smer. Nato na bateriji zamenjamo plus in minus in poskus ponovimo. Učencem razložimo, da se tuljavica sedaj odkloni v drugo smer kot prej zato, ker smo spremenili smer toka čez navitje. Učenci lahko sodelujejo pri poskusu, saj ni nevarnosti zaradi visoke napetosti. Poskus izvajamo z baterijo, ki ima napetost 4,5 V. pri tem poskusu pa se lahko učenci navajajo in učijo uporabljati ohm-meter, tako da odčitavajo vrednosti iz njega in nastavljajo najbolj primerna območja za določeno vrednost, ki jo pokaže ohm-meter (upornost vodnika).

7 Sklep Za izdelavo elektromotorčka je potrebno imeti veliko natančnosti in potrpežljivosti, saj se hitro lahko zgodi, da elektromotorček ne dela tako, kot smo si zamislili. Ko smo spreminjali različne parametre testirancem, smo ugotovili, da je električna prevodnost odvisna od specifične upornosti žice, od njenega preseka in dolžine. Električna prevodnost, bi bila največja, če bi imeli neskončno dolg vodnik, s presekom skoraj 0 mm2 in specifično prevodnostjo superprevodnika. Slabosti pri izdelavi elektromotorčka so te, da nisem imela na razpolago dovolj različnih materialov za preizkušance. Smiselno bi bilo imeti še žice iz medenine, cinka, jekla, zlata, srebra. Zaradi velike denarne vrednosti zadnjih dveh materialov, sta mi bila nedostopna za uporabo pri preskusu električne prevodnosti. Tako bi lahko še bolj nazorno prikazala dejstvo, da sta res srebro in baker daleč najboljša prevodnika od ostalih kovin. Sledita jima zlato in aluminij. Pri mojem neuspelem poskusu izdelave elektromotorčka, je bilo krivih več dejavnikov. Dimenzije navitja se niso skladale med seboj. Tu strmim predvsem k premeru navitja testirancev (25cm). Mogoče je bil vzrok nedelovanja tudi neprimerno število navojev (7 in 14). Ali pa megnet ni povzročal dovolj velikega magnetnega polja, kar pripelje do premajhne sile, da bi rotor pognala v tek. Prevodnost kovin bi lahko prikazali tudi z električnim krogom, stikalom in žarnico. Ko bi uporabili žico z veliko specifično prevodnostjo, bi žarnica svetila najmočneje in obratno. Če bi v električni krog dali nek izolant, žarnica nebi svetila in s tem tudi lepo pokazali, da vse snovi ne prevajajo električnega toka.

8 Literatura [1] A. Praprotnik in ostali, Učni načrt – Tehnika in tehnologija (Ljubljana, Ministrstvo za šolstvo znanost in šport, Zavod RS za šolstvo, 2002). [2] Povzetek snovi - TIT [http://www.o-frs.lj.edus.si/gradiva_ucencev/tehnika/Povzetek_NPZ_9r_08.pdf]. [3] S. Kocijančič, Tehnika in tehnologija 7, učbenik (Ljubljana, TZS, 2001). [4] Prevodniki in izolanti [http://eoet1.tsckr.si/material/nivo3S/01/eOet1_3S_01-12.html]. [5] J. Bezjak, Materiali v tehniki (Ljubljana, TZS, 1997). [6] B. Aberšek, Tehnika 8, učbenik (Ljubljana, DZS, 2000). [7] S. Kocijančič, Tehnika in tehnologija 8, učbenik (Ljubljana, TZS, 2001). [8] Pregledovalnik Google [http://www.google.com]. [9] Slovar slovenskega knjižnega jezika [http://bos.zrc-sazu.si/sskj.html]. [10] Wikipedija [http://sl.wikipedia.org/wiki/]. [11] Kovine [http://ro.zrsss.si/borut/Kovine/mainpage.htm]. [12] Grafični prikazi [http://www.gimptuj.net/profesorji/bzmazek/grafi.html]. [13] Kovine in nekovine [http://www.kii.ntf.uni-lj.si/keminfo/proj/ro00m/index1.htm]. [14] Kovinska vez [http://www.educa.fmf.uni-lj.si/izodel/sola/2000/di/lahajnar/vezi1/kovinska.html]. [15] S. Fošnarič, Tehnika in tehnologija 7, učbenik (Limbuš, IZOTECH, 2003). [16] S. Fošnarič, Tehnika in tehnologija 7, delovni zvezek (Limbuš, IZOTECH, 2003). [17] Material [http://eoet1.tsckr.si/material/eOet1_02_03_01_02.html]. [18] B. Aberšek, Tehnika 8, delovni zvezek (Ljubljana, DZS, 2000).

17

9 Priloge (a) rešen učni list 1. Katere kovine so dobri prevodniki elektrike? ________________________________________________________________________________________ 2. Katere prevodnosti kovin poznamo? ________________________________________________________________________________________ 3. Od česa je odvisen upor kovinskih žic (vodnika)? Skicirajte vodnik in na njem označite odvisne parametre in napišite njihove enote! _______________________________________ _______________________________________ _______________________________________ _______________________________________ 4. V kakšnem razmerju sta specifična prevodnost in specifična upornost? _______________________________________________________________________________________ 5. V katerem razredu devetletne osnovne šole se obravnava kovine? _______________________________________________________________________________________ 6. Iz česa je sestavljen elektromotorček? _______________________________________________________________________________________ 7. v kakšnem odnosu morata biti magnetno in električno polje, da je efekt na vrtenje zanke največji? _______________________________________________________________________________________ (b) nerešen učni list 1. Katere kovine so dobri prevodniki elektrike? __ srebro, baker, zlato, aluminij_________________________________________________________________ 2. Katere prevodnosti kovin poznamo? __ električna, toplotna, magnetna ______________________________________________________________ 3. Od česa je odvisen upor kovinskih žic (vodnika)? Skicirajte vodnik in na njem označite odvisne parametre in napišite njihove enote! __presek S [mm2], dolžina l [m] in specifična upornost [Ω] ali specifična prevodnost

4. V kakšnem razmerju sta specifična prevodnost in specifična upornost? ______v obratnem sorazmerju_______________________________________________________________

18

5. V katerem razredu devetletne osnovne šole se obravnava kovine? _________v 8. razredu_____________________________________________________________________ 6. Iz česa je sestavljen elektromotorček? _______________iz rotorja, statorja in ogrodja__________________________________________________ 7. v kakšnem odnosu morata biti magnetno in električno polje, da je efekt na vrtenje zanke največji? ____________med njima mora biti 90 stopinjski kot, med seboj morata biti pravokotna_________________