מדריך למורה -חשמל הולכת -תכונות מתכות

imagine • explore • learn

נושא

תצפית -חשמלהולכת –אפיון מתכות באמצעות זיהוי תכונותיהן

שכבת גיל

הכיתה

דקות 90 זמן

-במסגרת תחום התוכן חומרים ותכונותיהםאפיון נושא יחידה זו עוסקת ב רציונאל

.פיזיקה -החומרמדעי

התכונות הכימיות , ההרכב, המקור פי מאופיינים עלבטבע חומריםה כל

הן קבוצה גדולה של חומריםכסוג של חומר המתכות . שלהם הפיזיקליותו

, כספיתה למעטטמפרטורת החדר במוצקות שיש להן תכונות משותפות )

בהקשה, מוליכות קשות, מבריקות, ניתנות לריקוע, משמיעות צליל מתכתי

. יחד עם זה כל מתכת מאופיינת בתכונות ייחודיות חום ומוליכות חשמל(

משלה.

היחידה מתמקדת בהולכת חשמל בחומרים עם דגש על קבוצת המתכות

מוליכות חשמלית ומומלץ לשלבה עם היחידה העוסקת בהולכת חום.

בפעילות זו תלוייה בגורמים הבאים: סוג המוליך, אורך המוליך ועוביו.

, מבודדאו מוליךכתכונה דיכוטומית: סוג המוליך בוחנים אתהתלמידים

מד זרם באמצעותמדידה כמותית מבצעיםבתחילת הפעילות התלמידים

במעגל תהעוברהזרם החשמלי עוצמת המודד את (אמפרמטרמילי)

, ברזל, נחושת)שונות מתכות החשמלי שהרכיבו, כשמחברים אליו

. בהמשך התלמידים(פלסטיק, זכוכית, עץ)חומרים אחרים ו( אלומיניום

על פי שבדקו המוליכות החשמלית בחומרים השונים תכונתמשווים בין

עוצמת הזרם החשמלי שעברה במעגל: עוצמה גבוהה יחסית לעומת

חומרים : )מוליכיםלממיינים את החומרים ועוצמת זניחה יחסית

(חומרים שסוגרים מעגל חשמלידרכם, זרם חשמלימאפשרים מעבר של ש

, דרכם זרם חשמליאפשרים מעבר של משאינם חומרים ):מבודדים-ו

.(חומרים שפותחים מעגל חשמלי

את יכולתו של החומר להעביר תהמתאר התכונהיא – חשמלית מוליכות

. מתייחסת ליכולת של האלקטרונים לעבור בחומר, ודרכו זרם חשמלי

האלקטרונים יכולים לעבור בחומר משמעותה היא שיותר גבוההמוליכות

קיימות דרגות .גדולה יותר החשמליולכן עוצמת הזרם במעגל , יותר בקלות

בקצה האחד של הסקלה הרציפה של דרגות . שונות של מוליכות חשמלית

חשמל היטב ומכונים מוליכיםניתן למצוא חומרים ה, ההולכה החשמלית

ובקצה השני של הסקלה ( יים מסויימיםכמו יסודות מתכת" )מוליכים"

פלסטיק , כמו עץ) "מבדדים"נמצאים חומרים שמוליכותם זניחה ומכונים

פי מידת -עלחשמל המוליכיםניתן לדרג את החומרים (.פשוט וקלקר

.ועד למוליכים גרועים ממוליכים טובים, שלהם המוליכות

דרך מוליך.זרם חשמלי הוא תופעה של זרימת מטענים זרם חשמלי

הוא תנועה של אלקטרונים הזרם החשמלי מוליך מתכתי במקרה של

.חופשיים בכיוון אחד

העוברת )מספר האלקטרונים( היא כמות המטען החשמלי עוצמת הזרם

ככל שקצב מעבר המטענים .דרך חתך של מוליך במשך יחידת זמן אחת

הזרם גדולה כך עוצמת, גדול יותר( מספר האלקטרונים בשנייה)במוליך

באורך המוליך לא רק בסוג המוליך אלא גם עוצמת הזרם תלויה. יותר

A).) אמפריחידת המידה לעוצמת הזרם החשמלי נקראת .ובעובי המוליך

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(

זרם ה דרך בה נמדדשגויות במושגים הקשורים לכדי להימנע מתפיסות

ניתנת כאן הבהרה בנושא אמצעי מדידה. פעמים העובר במעגל, החשמלי

במעגל של זרם חשמלי בנורה כמדד לקיום בכיתה משתמשים רבות

החשמלי )כשנורה דולקת אזי המעגל חשמלי סגור ועובר בו זרם חשמלי

ולהיפך כשנורה אינה דולקת אזי המעגל החשמלי פתוח ולא עובר זרם

משתמשים בעוצמת ההארה של הנורה כמדד לעוצמת אףבמעגל. לעיתים

חשוב הזרם: העוצמה משתנה ומושפעת מהאנרגיה שהסוללות מספקות(.

איכותית לעומת שמדידה באמצעות נורה היא מדידהנה לחדד את ההב

את עוצמת הזרם ( המודדמיקרואמפרמטר/אמפרמטר)ד הזרם מהשימוש ב

מדידה איכותית מומלץ להדגיש את ההבדל בין .באופן מדויק יותר מהנורה

ולהתאים את אמצעי המדידה )מד זרם(לעומת מדידה כמותית )נורה(

.לפעילות

מטרות תוכן

וציוני דרך

פיזיקה–מדעי החומר

חומריםתת נושא:

רעיונות והדגשים:

התכונות הכימיות והפיזיקליות, המקור, פי ההרכב -חומרים מאופיינים על

:ציוני דרך

מוליכות , מוליכות חום, ותקיברמ :תכונות המשותפות למתכות .(מלבד כספית)טמפרטורת החדר במוצקות , חשמל

בתעשייה, המתכות לבין השימושים בהן בביתהקשר בין תכונות , :ודבתחבורה וע

(חימום, בישול)מוליכות חום ( הפעלת מכשירי חשמל)מוליכות חשמלית

אמפר, מיליאמפר, מוליך, , עוצמת זרם, חשמל, הולכת חשמלמוליכות מושגים עיקריים מבדד,מעגל חשמלי פתוח, מעגל חשמלי סגור.

imagine • explore • learn

:ידע תחום התוכן קודם נדרשידע מתכות כסוג של חומר

דוגמאות למתכות: ברזל, בדיל, עופרת, אלומיניום, נחושת,זהב, כסף :מיומנויות למידה

על תכונות המתכות, ארגון המידע בטבלה, השוואה בין איסוף נתונים - .תכונות מתכות והבניית הכללות על מאפייני המתכות

21-מיומנויות המאה

:מיומנויות חקר וגילוי

קריאת נתונים מגרף, איסוף וארגון מידע, ,עריכת תצפית .הסקת מסקנות, כתיבת תוצאות

ייצוג ידע בסמלים , זיהוי, השוואה(, פתרון בעיות)חקר תרשימיםו

פעילותמהלך ה

אתגר

בנושא הולכת חשמל ללמידה משמשת כגרוי העט המוליךצפייה בסרטון

הומצא המוליך חשמל העט .ידע קודם של תלמידיםולבדיקת במתכות

החומר הנובע מהעט .ב"ארה, וסטס'במסצ MITבמעבדה הטכנולוגית

בוחרים. התכונה מוליך חשמל וכך ניתן לסגור מעגלים בכל צורה שרק

שיש לחומר בעט היא תכונה של מוליכות חשמלית.

תצפית המבוססת על מדידות בשלב הזה יש לציין שמבצעים -מה נחקור?

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

. צפו במסצ'וסטס, ארה"ב MITבמעבדה הטכנולוגית המתכות. העט הומצא

בסרטון ורשמו במהלך הצפייה באיזו תכונה משתמשים בסרטון?

המוליך העט

מה נחקור?

במתכות שונות )נחושת, חשמלנערוך תצפית שמטרתה לבדוק הולכת

עוצמת ברזל, אלומיניום( וחומרים אחרים )עץ, זכוכית, פלסטיק(, נמדוד

נשווה בין . החומרים השוניםדרך הזרם החשמלי העוברת במעגל

: מוליכים ת:התוצאות המתקבלות ונמיין את החומרים שנבדקו לשתי קבוצו

מאפשרים : )חומרים שלא מבודדים( ו)חומרים שעובר דרכם זרם חשמלי

מעבר של זרם חשמלי(.

ציוד

+טאבלט אינשטיין+ או לאבמייט איינשטיין

( 250חיישן זרם 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

יהיו זהים בגודלם וצורתם. /פסים*יש להקפיד שכל המוטות

( מרכיבי מעגל חשמלי: סוללהV1.5( נורה ,)V1.5( חוטי חשמל ,)2.)

רגע לפני...

חומרים שנמצאים שיש לתלמידים על ידע קודם לההשערה מתבססת ע

וכן על ההתנסויות בנושא חשמל ומרכיבי המעגל החשמלי בכיתה ג'. בטבע

החומרים שתבדקו יוליכו חשמל ואיזה חומרים לא שערו אילו חומרים מבין

: )חומרים מוליכים יוליכו חשמל. מיינו את החומרים לשתי קבוצות:

: )חומרים שאינם מעבירים זרם מבודדיםהמעבירים זרם חשמלי( ו

חשמלי(

ביצוע הניסוי

עבודה קבוצתית

)קירוב חשוב לציין בפני התלמידים שיש לבצע פעולת איפוס .1

. יחד עם האיפוס, יש לפני תחילת המדידות בחיישן (0-ל

במדידות. בדיוק 3לקחת בחשבון סטייה של %

התוצאות המתקבלות מוצגות בשברים עשרוניים העשויים .2

ולהבחין להבין גודל של זרם במעגל. להקשות על תלמידים

עוצמת זרם גבוהה במוליכים לבין עוצמת זרם זניחה בין

גם המרה ממיליאמפרמטר לאמפר עשוייה במבודדים.

להקשות על הבנת הגודל של זרם חשמלי:

mA - 1/1000מיליאמפר= אלפית האמפר

אמפר 1מיליאמפר = 1000

ה להמחשת המושג זרם. בדיוןימומלץ להשתמש באנלוגלכן )נלקח זרם מכוניותהשתמש באנלוגיה של הוצע ל בסעיף תוצאות ומסקנות

ערכת ה.ל.ה( להסבר של זרם חשמלי העוברת דרך חומרים.מתוך

imagine • explore • learn

.חברו את חיישן הזרם .1

לחצו על : הזרם לפני תחילת המדידות יש לאפס את חיישן .2

איפוסוהפעילו את החיישן הנמצא ליד ה הגדרותכפתור ה

(set zero.)

.הגדירו את מערך אוגר הנתונים .3

מערך אוגר הנתונים

+(mA 250) זרם

בשנייה 1 קצב הדגימה:

שניות 20 משך הדגימה:

חברו אל חיישן הזרם נורה וסוללה, בנו מעגל חשמלי סגור .4

ובדקו את תקינות מרכיביו )הנורה דולקת, עובר זרם חשמלי

במעגל(.

הוסיפו למעגל החשמלי שהרכבתם כל פעם אחד מהחומרים .5

עץ,זכוכית,פלסטיק ובדקו : הבאים: ברזל, נחושת, אלומיניום,

?האם הנורה דולקת

?מה עוצמת הזרם החשמלי שעובר במעגל

טבלת מוליכות החשמל של החומרים שבדקתם השלימו את .6

.במהלך ביצוע הניסוי

למניעת טעויות מדידה ( 5-8)סעיפים בצעו חזרה על המדידות .7

.ולהגדלת מהימנות הניסוי

עיבוד נתונים

עבודה קבוצתית

התלמידים בטבלה ממנה יוכלו נתוני המדידהבשלב הזה מתבצע איסוף

)עוצמת זרם גבוהה יחסית החומרים המוליכים להסיק מסקנות לגבי

( לעומת מבדדים)עוצמת "סגורחשמלי מעגל מצב :"למבדדים, נורה דולקת ,

מעגל חשמלימצב :"זרם נמוכה יחסית למוליכים, נורה אינה דולקת,

(."פתוח

השלימו את הטבלה :

עוצמת הזרם החומרהחשמלי שעוברת

-mAבמעגל ) מילי אמפר(

נורה דולקת במעגל

מעגל חשמלי

סגור/פתוח

סגור/פתוח כן/לא ברזל

אלומיניוםלא/כן פתוח/סגור

נחושתלא/כן פתוח/סגור

פלסטיקלא/כן פתוח/סגור

עץלא/כן פתוח/סגור

זכוכיתלא/כן פתוח/סגור

תוצאות ומסקנות

בפעילות זו התלמידים בוחנים את סוג המוליך )החומר( כתכונה דיכוטומית:

כאנלוגיה זרם מכוניותבמושג: בחטב ביניים משתמשים .מבודדאו מוליך

זרם מושג את המחיש האפשר להעזר באנלוגיה הזו כדי ל. לזרם חשמלי

שאינה אנלוגיהשל שימוש באך במגבלות ( גודל פיזיקלי מופשטחשמלי )

imagine • explore • learn

.השוואה חד חד ערכית

היא כמות בתופעה של זרימת מכוניות בכביש, עוצמת זרם המכוניות

חומר המכוניות העוברות בכביש . עוצמת זרם המכוניות מושפעת מה

/ מפותלת / משובשת תלוי אם הדרך )דרכן היא עוברת ( /דרך עפר)כביש

סוג המוליך מושפע מ במעגל החשמלי העוברגם הזרם החשמלי .(נוחה

. דרכו הוא עובר (החומר)

התלמידים נעזרים בטבלת הנתונים שנאספה במהלך : 1 -5ות לשאלבוצות: קבוצת החומרים לשתי קחומרים שנמדדו המדידה כדי למיין את ה

בהם הנורה דלקה ועוצמת הזרם יחסית הייתה גבוהה קרי, קבוצת נחושת, ברזל, אלומיניום, פליז או כל מתכת אחרת שתשמש : המתכות

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 : חומרים ( לעומת מבודדים ) זרם חשמלי דרכםירו מוליכים )חומרים שהעב

כלשהוא תמיד זרם. מומלץ להדגיש שעובר שלא העבירו זרם חשמלי דרכם. כאן גם אפשר לחדד את ההבדל בין (הזניחבמבדדים זרם אך עוצמת ה

מדידה אכותית כשמשתמשים בנורה כמדד למעבר זרם לעומת מדידה זרם חשמלי בעוצמה זניחה.כמותית באמצעות חיישן ורואים שעובר

דיון במליאה המללת התופעה היא חלק משמעותי בהבנתה, ניתן להמליל : 7שאלה

ולהציג בתרשים זרימה חזותי.

:דרכו חשמלית היא תכונתו של חומר להוליך זרם חשמלי מוליכות

מוליכות חשמלית מתייחסת ליכולת )ההסבר הבא מיועד למורה בלבד:

משמעותה היא יותר גבוההשל האלקטרונים לעבור בחומר. מוליכות

האלקטרונים יכולים לעבור בחומר יותר בקלות, ולכן עוצמת הזרם ש

סוג החומר משפיע על עוצמת הזרם גדולה יותר. החשמליבמעגל

.החשמלי(

יכולת של חומר להעביר זרם חשמלי

סוג החומר

מבדד חשמל וליך מ

)מתכות( )עץ, פלסטיק, זכוכית(

חומר אינו מעביר זרם חשמלי דרכו חומר מעביר זרם חשמלי דרכו

עוצמת הזרם העוברת

)עובר זרם זניח( )עובר זרם בעוצמה גבוהה(

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

החומר הוא מבודד. העברת חשמל –מאירה חשמלי. אם הנורה אינה

זוהי מדידה איכותית , כשרוצים טובה יותר, תגרום לנורה להאיר חזק יותר.

המאפשר לבצע מדידה כמותית משתמשים בחיישן מד זרם )אמפרמטר(

.במדוייקבמעגל העוברת למדוד את עוצמת הזרם החשמלי

בחיי היומיום : האדם מנצל את תכונות מוליכות חשמל9-10לשאלות

למשל חוטי החשמל עשויים מחוטי נחושת )מתכת( אך עטופים בפלסטיק

למניעת התחשמלות.

רשמו את שמות החומרים בהם הנורה דלקה והמעגל החשמלי .1

היה סגור.

האם עוצמת הזרם שעברה דרך החומרים הללו היתה יחסית: .2

גבוהה / זניחה

דלקה והמעגל רשמו את שמות החומרים בהם הנורה לא .3

החשמלי היה פתוח .

האם עוצמת הזרם שעברה בחומרים הללו היתה יחסית: גבוהה / .4

זניחה

מיינו את החומרים שמדדתם לשתי קבוצות: חומרים מוליכים:

)חומרים שמעבירים זרם חשמלי ( וחומרים מבודדים )חומרים

שאינם מעבירים זרם חשמלי(.

מבודדים מוליכים

imagine • explore • learn

דיון במליאה

הסבירו למה מתכוונים כשאומרים על חומרים מוליכים? .5

הסבירו למה מתכוונים כשאומרים על חומרים שהם מבודדים? .6

המשגת התופעה : הולכת חשמל

נסו להגדיר את תופעת הולכת החשמל, התייחסו לכל סוגי .7

החומרים, לתכונת המוליכות החשמלית ולהכללתם כקטגוריה

משותפות.בעלת תכונות

כיצד ניתן לנצל את התכונה של הולכת חשמל בחיי היומיום? .8

כיצד ניתן לנצל את התכונה של מבודדים בחיי היומיום? .9

יישום

ה של הידע שנלמד בפעילויות היישום היא העבריישום מטרת משימת ההללו מתקיימת העברה של הידע ממוחשי למופשט. הבנת התופעה

ובדרך של התנסות וירטואלית עם סימנים מוסכמים ב הייצוגבאמצעות חומרים שונים בעלי אותם מאפיינים של מוליכים ומבודדים.

הקיפו את המעגלים החשמליים שיעבור בהם זרם חשמלי והנורה .1

:תאיר

"סוגרים מעגל" התנסות וירטואלית בפעילות: .2

מוליכים ומבודדים

רקע מדעי

. זרם חשמלי דרכםלהעביר חומריםהיא היכולת של חשמלהולכת

ישנם . מוליכות חשמליתהתכונה של העברת הזרם החשמלי נקראת

הם נקראים , זרם חשמלי דרכם( מעבירים)חומרים בטבע אשר מוליכים

ישנם חומרים שאינם . חומרים מוליכים סוגרים מעגל חשמלי ".מוליכים"

מבודדים . מאפשרים מעבר של זרם חשמלי דרכם הם נקראים מבודדים

אך מידת , ות מוליכות חשמל טובכל המתכ. פותחים מעגל חשמלי

פי -ניתן לדרג את החומרים המוליכים חשמל על .המוליכות שלהן שונה

. ממוליכים טובים ועד למוליכים גרועים, ת שלהםמידת המוליכות החשמלי

שימוש , האדם מנצל את התכונה של מוליכות חשמל לתועלתו למשל

םלייצור כבלי( נפוצה מאוד בטבע וזולה יותר מכסף)במתכת הנחושת

.וחוטי חשמל להעברת החשמל לבית ולהעברת חשמל במוצרי חשמל

עלתו למשל שימוש האדם מנצל את התכונה של חומרים מבודדים לתו

בשקעים הביתיים כהגנה מפני ( אינו מוליך חשמל)בחומר פלסטיק

.התחשמלות

imagine • explore • learn