Juht ja isolaator

Tunni ülesehitus

  1. Sissejuhatus, 5 min
  2. Elektroskoop ja laengu ülekanne, 15 min
  3. Juht ja isolaator, 20 min
  4. Kokkuvõte, 5 min

Ettevalmistus

Õpetaja paneb valmis näidiskatseteks vajalikud vahendid:

  • elektroskoop (kui on võimalik, siis kaks), klaas- või eboniitpulk ja riie selle hõõrumiseks, metallist keha, nt joonlaud kahe elektroskoobi ühendamiseks, eri materjalist kehad (plastjoonlaud, paber, riidetükk, metallist nael/kruvi, pliiatsisüsi jne) elektrijuhtivuse demonstreerimiseks
  • klemmidega lapik patarei (4,5 V), hõõglamp, kolm juhet, krokodillklemmid, eri materjalist kehad (plastjoonlaud, paber, riidetükk, metallist nael/kruvi, pliiatsisüsi, elektrolüüdi vesilahus, mille sisse on asetatud metallist elektroodid jne)

Õpetaja prindib soovi korral elektroskoobi ehitamise töölehe.

Eelteadmised

Õpilane

  • teab, mis on hõõrdeelekter ja kuidas seda tekitada; 
  • teab, mis on laeng, ning oskab nimetada kahte eri tüüpi laenguid; 
  • seletab, milline jõud mõjub samanimeliste ja erinimeliste laengute vahel; 
  • tunneb aatomi ehitust, oskab nimetada aatomis olevaid elementaarosakesi ja nende laenguid;
  • oskab seletada, mis on maandamine.

Eesmärgid

Õpilane

  • teab, mis on elektroskoop, oskab seda kasutada ja seletab selle tööpõhimõtet;
  • teab, mis põhimõttel laeng kehade vahel jaguneb;
  • võrdleb juhte ja isolaatoreid ning toob nende kohta näiteid.

Seotud materjal

Avita, „Füüsika 9. klassile“

Märksõnad

  • elektroskoop, osuti, varras, korpus, laeng, laengu ülekanne ja jagunemine, juht, isolaator, dielektrik, vaba elektron

Lõiming

Läbivad teemad

  • Tehnoloogia ja innovatsioon
  • Tervis ja ohutus
Seotud sisu
Muud tegevused

1. Sissejuhatus

5

  • Näidiskatse

Tunni sissejuhatuseks võiks õpetaja teha näidiskatse elektroskoobiga. Selleks on vaja elektroskoopi, klaas- või eboniitpulka ning riiet, millega neid hõõruda. Katsega saab näitlikustada laengu üle kandumist pulgalt elektroskoobile ning elektroskoobi tööd. Laeng kandub elektroskoobile üle siis, kui teda pulga laetud osaga puudutada, kuid elektroskoobi osuti hakkab liikuma juba varem.

Kui elektroskoobile on laeng antud, võiks õpetaja õpilastelt küsida, kuidas sellest laengust vabaneda. Selleks tuleb õpetajal või mõnel õpilastest elektroskoobi varrast käega puudutada või puudutada varrast kehaga, millel on vastaslaeng.

Näidiskatse tegemiseks on vajalik elektroskoop, eboniit- või klaaspulk ja riie hõõrumiseks.
Seotud sisu
Muud tegevused

2. Elektroskoop ja laengu ülekanne

15

  • Elektroskoop
  • Tv lk 10 ül 1
  • Laengu jagunemine
  • Tv lk 10–11 ül 2

Kui näidiskatse on tehtud, saab lähemalt tutvuda elektroskoobi ehituse ja tööpõhimõttega. Seda võiks teha, täites samal ajal tv lk 10 ül 1 esimese osa. Õpetaja võiks elektroskoopi tutvustades õpilastega arutleda, mis on selle erinevate osade (metallvarras, osuti, kummist/plastist kork) eesmärk. Siis võiksid õpilased mõelda, miks hakkab osuti, kui sellele laeng antakse, liikuma. Põhjuseks on nähtus, mida õpilased on juba õppinud, st samanimeliste laengute tõukumine. Ülesande kaks viimast küsimust võiks esialgu jätta vastamata, selleni jõutakse tunni teises osas.

Elektroskoobi osad

Soovi korral võivad õpilased ka ise käepärastest vahenditest elektroskoobi ehitada (juhend).

Tv lk 10 ül 1

Vastused

Sama ülesanne Opiqus

Elektroskoop

Kui elektroskoobile antakse laeng, siis tema osuti pöördub, sest osuti püüab metallvardast, millel on samanimeline laeng, eemale liikuda.

Kui koolis on kasutada kaks elektroskoopi ja võimalik on need ühendada metallist kehaga, saab näitlikustada ka laengu liikumist ühelt kehalt teisele. Selleks tuleb ühele elektroskoobile anda negatiivne laeng ning ühendada ta metallist keha abil teise, laadimata elektroskoobiga. Laeng jaguneb elektroskoopide vahel võrdselt. Näidata saab ka seda, mis juhtub, kui omavahel ühendada üks negatiivselt ja teine positiivselt laetud elektroskoop. Kui sellist näidiskatset pole võimalik teha, saab olukorda selgitada ka joonistega. Oluline on seletada ka seda, et kui elektroskoobil on positiivne laeng, ei hakka need laengud teise kehasse liikuma, sest positiivse laenguga prootonid ei ole vabad, nad on tuumas kinni ja liikuda ei saa. Siis liiguvad teisest elektroskoobist negatiivsed laengud positiivse laenguga elektroskoopi ja võrdsustavad seeläbi laengu. Selgitust aitab visualiseerida ka vastav video.

Et veenduda, kas õpilased said selgitusest aru, võiks lahendada ka vastavasisulise töövihikuülesande lk 10–11 ül 2.

Kui ühendada laetud ja laadimata elektroskoop metalljoonlauaga, liigub osa joonlauas olevatest vabadest elektronidest laadimata elektroskoopi ja laetud elektroskoobist liigub sama palju laenguid joonlauda sealt lahkunud laengute asemele.
Laadimata elektroskoobi näit suureneb sama palju, kui laetud elektroskoobi laeng vähenes.
Laengu jagunemist kahe keha vahel aitab näitlikustada see video.

Tv lk 10–11 ül 2

Vastused

Sama ülesanne Opiqus

Elektroskoobi laeng

Seotud sisu
Muud tegevused

3. Juht ja isolaator

20

  • Juht ja isolaator
  • Näidiskatsed
  • Tv lk 11 ül 3 ja lk 10 ül 1 teine pool

Nüüd võiks õpetaja viia jutu erinevatele materjalidele, mida tunnis tehtud katsetes kasutati: kumm, plastik, klaas, metall. Kõigil neil materjalidel on hõõrdeelektri katsetes oma roll, sest osa neist on juhid, osa isolaatorid. Juhtide ja isolaatorite näited võiksid õpilased tabeli kujul vihikusse üles märkida.

Elektrijuhtmetena kasutatakse metalli (tavaliselt vaske), mitte nööri, sest metall on juht, nöör aga isolaator.
Elektrikud teevad sageli tööd isoleerivast materjalist (tavaliselt kummist või lateksist) kinnastes.
Üks levinumaid elektrolüüte on naatriumkloriid ehk keedusool (NaCl), mis vees lahustudes laguneb naatriumi (Na+) ja kloori (Cl-) ioonideks. Need ioonid kannavad elektrilaengu mööda naatriumkloriidi lahust ühelt kehalt teisele.
Grafiit, mida kasutatakse näiteks pliiatsites, on hea elektrijuht.
Vesi, juhul kui selles on lahustunud elektrolüüte, juhib samuti elektrit. Seetõttu ei ole hea mõte äikesega ujuma minna.

Juht on aine, mida mööda elektrilaeng saab liikuda ühelt kehalt teisele.

Isolaator ehk mittejuht (dielektrik) on aine, mida mööda laeng edasi ei kandu.

Juhid ja isolaatorid

Juhid

Isolaatorid

metallid

plastid

elektrolüütide vesilahused

mineraalid

inimese kehavedelikud

klaas

grafiit

portselan

puit

destilleeritud vesi

gaasid

Et kontrollida toodud näidete õigsust, on võimalik teha kaks erinevat näidiskatset või kasutada arvutisimulatsiooni.

Katse 1. Vajalikud vahendid: klemmidega lapik patarei (4,5 V), hõõglamp, kolm juhet, krokodillklemmid, eri materjalist kehad (plastjoonlaud, paber, riidetükk, metallist nael/kruvi, pliiatsisüsi, elektrolüüdi vesilahus, mille sisse on asetatud metallist elektroodid jne).

Esmalt pannakse kokku lihtne vooluring, mis koosneb patareist, hõõglambist ja kahest juhtmest, et näidata, et hõõglamp läheb põlema. Siis ühendatakse vooluring ühest kohast lahti, ühendatakse vooluringi ka kolmas juhe ning kahe lahtise juhtmeotsa vahele asetatakse ükshaaval erinevast materjalist kehasid. Kui hõõglamp süttib, juhib materjal elektrit.

Katse 2. Vajalikud vahendid: elektroskoop, klaaspulk ja villane riie, eri materjalist kehad (plastjoonlaud, paber, riidetükk, metallist nael/kruvi, pliiatsisüsi jne).

Esmalt antakse laetud klaaspulgaga elektroskoobile laeng, siis kasutatakse eri materjalist kehasid, et seda laengut elektroskoobist ära juhtida. Kui elektroskoobi laeng kaob, juhib materjal elektrit.

[välise sisuosa algus]
[välise sisuosa lõpp]
Tartu Ülikooli teaduskooli video, kus katsetatakse eri materjalide elektrijuhtivust.

Eri materjalide elektrijuhtivust saab näitlikustada ka arvutisimulatsiooniga. Selleks tuleb esmalt kokku panna vooluring ning siis ühendada ükshaaval vooluringis olevad kehad.

Vabade elektronide hulk

Ainete ehitus on väga erinev, seetõttu on neil ka erinevad omadused. Metallides on palju vabu elektrone, sest iga aatomi valentselektronid (aatomi väliskihi elektronid) on muutunud vabadeks elektronideks. Näiteks sisaldab 1 cm3 metalli u 1023 ‒1024 vaba elektroni. Need elektronid saavad vabalt liikuda metalli sees ja kannavad laengut edasi. Isolaatorites on vabu laengukandjaid väga vähe, võrreldes metallidega võib erinevus olla üle miljardi (109) korra.

Metallides hoiab aatomeid koos metalliline side, mis tekib, sest metalliaatomite tuumad seovad valentselektrone väga nõrgalt. Tänu sellele tekivad vabad elektronid, mis saavad aaatomitevahelises ruumis vabalt liikuda. ​Tekib nn elektronpilv ehk kogum vabadest elektronidest, mis on kõigile aatomitele ühised. Need elektronid on ühtlasi ka metallilise sideme põhjustajaks.

Süsiniku (C) üks allotroop ehk teisend, mis erineb vaid aatomite paigutuse poolest, on grafiit. Grafiit on vabade elektronide tõttu samuti hea elektrijuht. Iga grafiidi aatom on seotud kolme teise aatomiga, moodustades kuusnurkseid võresid. Kuna iga süsiniku aatomi kohta on kolm sidet, aga valentselektrone on grafiidil neli, jääb üks elektron igas sidemes üle ning sellest saab vaba elektron.

Vasakul süsiniku allotroop teemant ja paremal grafiit. Teemant ei juhi elektrit, sest iga selle aatom on sidemes nelja teise aatomiga, mistõttu ühtegi elektroni üle ei jää. Grafiidi elektrijuhtivuse tagavad sidemes üle jäävad valentselektronid, st vabad elektronid.
Grafiidi aatomid moodustavad kuusnurkadest võresid, mis omakorda moodustavad kihte. Kihid on teineteisega nõrgalt seotud ja saavad seetõttu teineteise suhtes liikuda.

Tv lk 11 ül 3 ja lk 10 ül 1 teine pool

Vastused

Sama ülesanne Opiqus

Juht ja mittejuht

Seotud sisu
Muud tegevused

4. Kokkuvõte

5

  • Kokkuvõte

Tunni võiks lõpetada liikumisülesandega, kus õpetaja lepib õpilastega kokku liigutused või käemärgid juhi ja isolaatori jaoks. Näiteks tuleb seista ühel jalal, kui ese on isolaator, ja tõsta käed, kui ese on juht. Seejärel nimetab või näitab õpetaja erinevaid klassis olevaid esemeid (vajaduse korral täpsustab, millist osa neist on silmas peetud) ja õpilased peavad vastavalt reageerima. 

Mõned näited: õpik, vihik, pastapliiats, hariliku pliiatsi süsi, joonlaud, lauajalg, ukselink, kustutuskumm, kirjaklamber, arvuti toitejuhtme sisemus, arvuti toitejuhtme isolatsioon, mõni riideese, kraanivesi jne.

Juht – tõsta käed üles

Isolaator – seisa ühel jalal

Seotud sisu
Muud tegevused

Lisamaterjal

  • Tööleht, mis võtab kokku peatükkides 1.1.–1.4. õpitu ja vastustega tööleht õpetajale.
  • lk 11 ül 4 ja 5 vastused.
  • Praktiline töö, mille käigus õpilased ehitavad elektroskoobi ja kasutavad seda ning analüüsivad katsetulemusi.
  • Füüsikaportaali video, kus näidatakse elektroskoobi laengu kadumist süüdatud tiku abil.
  • ERRi teadusportaali Novaator artikkel grafeeni elektrijuhtivuse kohta.
  • Video, kus teadussaate Rakett69 teadustoimetaja Juhan Koppel seletab, kuidas vesi elektrit juhtima panna.
[välise sisuosa algus]
[välise sisuosa lõpp]
Elektrilaengu teema kokkuvõtteks ja kontrolltööks kordamiseks soovitame seda Videoõpsi keskkonna õppevideot.
Seotud sisu
Muud tegevused

Tunni kirjeldus ja kodutöö

Tunni kirjeldus

Õpiku ptk 1.4. Juht ja isolaator

Harjutamine: tv lk 10–11

Kodutöö

Vaata kodus ringi ning pane vihikusse kirja 5 (võimalikult erinevat) eset, mis juhivad elektrit, ja 5 eset, mis elektrit ei juhi.

Valmistu kontrolltööks. Selleks vaata üle õp ptk 1.1.–1.4. ja tv lk 4–11.

Seotud sisu
Muud tegevused