Електричні властивості речовин
Матеріал
Урок 23. Електричні властивості речовин
Мета уроку: сформувати в учнів уявлення про електричні властивості речовин, навчити розрізняти провідники, напівпровідники та діелектрики, розуміти застосування електричні властивості в побуті та медицині.
Очікувані результати для вчителя:
Очікувані результати для учнівства:
Ключові слова:
- електропровідність
- вільні електрони
- провідник
- діелектрик
- напівпровідник
- кров
- жирові тканини
- мембрана клітин
- ЕКГ
План уроку:
- Мотиваційна частина
- Теоретичний блок
2.1. Що таке електропровідність?
2.2. Класифікація речовин за електричними властивостями
2.3. Електричні властивості тканин: основа для діагностики
2.4. Біоелектрика: як тіло створює та передає електричні сигнали
2.5. Медична діагностика - Практичний блок
- Попрактикуймо самостійно
- Рефлексія
Дружня порада вчителю
Тривалість до 3 хв.
Проблемне питання
Чому одні матеріали можуть проводити струм, а інші – ні?
Джерело: https://gemini.google.com/
Відповідь:
Матеріали проводять електричний струм, якщо містять вільні електрони, які можуть рухатися – такі матеріали називаються провідниками. Якщо електрони міцно зв’язані з атомами і не можуть вільно переміщатися, струм не проходить – це ізолятори.
Що спільного між людським тілом і електричним колом?
Джерело: https://gemini.google.com/
Відповідь:
Людське тіло та електричне коло мають спільні риси у здатності проводити електрику завдяки рухливим зарядженим частинкам (іонам у тілі, електронам у колі), чинити опір цьому потоку (різний для тканин тіла та компонентів кола), створювати різницю потенціалів, що рухає заряди (мембранні потенціали в тілі, напруга в колі), та генерувати потік заряду, який передає сигнали (біоелектричні імпульси в тілі, електричний струм у колі).
Посилання на відео джерела:
Відео
Відео
Відео
Дружня порада вчителю
Тривалість до 20 хв.
2.1. Що таке електропровідність?
Дружня порада вчителю
Сформувати базове розуміння поняття.
Використайте аналогію: електрони – це «туристи на ковзанці», які ковзають (у провідниках) або не можуть зрушити з місця (у діелектриках).
Покажіть схему: металева решітка + хмара вільних електронів.
Дайте учням завдання: класифікувати предмети в класі на провідники та непровідники.
Створіть три стовпчики на дошці: «Провідники», «Напівпровідники», «Діелектрики». Нехай учні додають приклади.
Покажіть фото або принесіть зразки (мідь, скло, кремній).
Електропровідність – це здатність речовини проводити електричний струм.
Електричний струм – упорядкований рух заряджених частинок. Основну роль у цьому процесі, зазвичай, відіграють електрони.
2.2. Класифікація речовин за електричними властивостями
Дружня порада вчителю
Актуалізуючі питання:
Що насправді рухається в дроті, коли ми вмикаємо лампу?
У яких ситуаціях у повсякденному житті від електропровідності залежить безпека?
Чи можна зробити речовину провідною, якщо вона зазвичай не проводить струм?
Струм виникає тоді, коли в речовині є вільні носії заряду (електрони, йони), які можуть рухатись під дією електричного поля.
У провідниках (переважно метали) є вільні електрони, які відірвані від своїх атомів і можуть вільно рухатися по всій речовині.
Кристалічна решітка металу –це регулярна структура з позитивно заряджених іонів та хмари вільних електронів, яку іноді називають електронним газом.
Приклади провідників (див. рис. 1):
- Мідь – чудовий провідник, використовується у дротах.
- Алюміній – дешевший, застосовується у лініях електропередач.
- Графіт – неметал, але проводить струм завдяки рухомим електронам у шаруватій структурі.
Джерело: https://gemini.google.com/ Рис. 1 Приклади провідників
Дружня порада вчителю
Чому ми не отримуємо удар струмом, торкаючись пластикової ручки чайника, але можемо – якщо доторкнемося до оголеного дроту?
Чому метали зазвичай використовують для електропроводки, а скло чи гуму – ні?
Яка речовина краще підійде для створення ізоляції навколо електродів: пластик чи мідь? Чому?
Що відбудеться, якщо провідник замінити на діелектрик у електричному колі?
Речовини, що не проводять струм – діелектрики. У діелектриках електрони міцно прив’язані до своїх атомів, тому вони не можуть рухатися. Ці речовини є хорошими ізоляторами.
При дії електричного поля відбувається поляризація атомів або молекул – вони зміщуються так, що виникає внутрішнє протиполе, але струм не тече.
Приклади діелектриків (див. рис. 2):
- Пластик – оболонка електричних проводів.
- Скло – ізолятори в електронних приладах.
- Гума – захисні рукавички електриків.
Джерело: https://gemini.google.com/ Рис. 2 Приклади діелектриків
Напівпровідники – це речовини, які мають слабку провідність, що залежить від температури, освітлення (фотопровідність) та наявності домішок (легування).
В ідеальних умовах атоми напівпровідника утворюють ковалентні зв’язки – електрони не можуть рухатися. Але при порушенні цих зв’язків з’являються вільні електрони й дірки (місця, де електрона не вистачає).
Приклади напівпровідників (див. рис. 3):
- Кремній (Si) – основа сучасної мікроелектроніки.
- Індій (In) – має важливе значення в сучасній електроніці та оптоелектроніці.
- Германій (Ge) – раніше використовувався у транзисторах.
Джерело: https://gemini.google.com/ Рис. 3 Приклади напівпровідників
Сенсори в телефонах, мікропроцесори, діоди, транзистори – усе це створено з напівпровідникових матеріалів.
Дружня порада вчителю
Що станеться, якщо діелектрик сильно нагріти або механічно деформувати?
Електропровідність речовин – це не постійна величина. Вона може змінюватися під дією зовнішніх факторів:
- Температури;
- Освітлення;
- домішок;
- механічного тиску;
- електричного та магнітного полів.
2.3. Електричні властивості тканин: основа для діагностики
Дружня порада вчителю
Почніть із життєвої ситуації або проблеми.
Пов’язуйте зі знаннями з біології: де в організмі є вода, іони, клітини.
Застосуйте «мозковий штурм» або метод «тонкого запитання» для залучення уваги.
Актуалізуючі питання:
Чому вода в організмі робить тіло провідником електричного струму?
Як можна «побачити» склад тіла, не заглядаючи всередину – лише через електричні властивості?
Кров і міжклітинна (інтерстиціальна) рідина – добрі електропровідники (див. рис. 1, таб. 1).
Фізичні причини:
- складаються здебільшого з води (понад 90 %), яка є полярним розчинником;
- містять велику кількість розчинених іонів (Na⁺, K⁺, Cl⁻, Ca²⁺, Mg²⁺ тощо), які рухаються під дією електричного поля;
- іонний струм – основа електропровідності у біологічних рідинах (на відміну від металів, де струм переносять електрони);
Джерело: https://gemini.google.com/
Дружня порада вчителю
Чому саме іони Na⁺, K⁺, Cl⁻ мають вирішальне значення для нервової та м’язової діяльності?
Na⁺ і Cl⁻ переважно знаходяться поза клітинами (плазма крові, міжклітинна рідина). K⁺ – основний іон всередині клітини. Вони створюють електрохімічний потенціал, що використовується для передавання сигналів (наприклад, у нервових волокнах). Порушення балансу Na⁺/K⁺ веде до аритмії, судоми чи м’язової слабкості. Саме рух іонів через мембрану лежить в основі реєстрації електричних сигналів серця (ЕКГ). Препарати, які впливають на іонні канали, застосовуються для лікування гіпертонії, епілепсії, серцевих захворювань.
Електрична провідність крові використовується для неінвазивного вимірювання гідратації організму. У методі біоімпедансної спектроскопії оцінюють кількість рідини в організмі, масу м’язів і жиру саме за електричною провідністю.
Жирова тканина, сухожилля, кістки – природні ізолятори (діелектрики) (див. рис. 2, таб. 1).
Дружня порада вчителю
Які тканини перешкоджають поширенню електричних сигналів у тілі людини?
Як жирові відкладення можуть впливати на точність електрокардіограми (ЕКГ)?
Джерело: https://gemini.google.com/
Фізичні причини:
- низький вміст води, практично не містять вільних іонів;
- жирові молекули – неполярні, тобто не підтримують утворення струму;
- у сухожиллях та кістках щільна структура білкових волокон та мінералів, що перешкоджає руху зарядів.
Через вищевказане під час ЕКГ або ЕЕГ реєстрація сигналу через шкіру та підшкірний жир потребує використання контактного гелю – для зменшення опору.
При електростимуляції (наприклад, фізіотерапія) велика товщина жирової тканини зменшує ефективність процедури.
Клітинні мембрани – біологічні напівпровідники (див. рис. 3, таб. 1).
Джерело: https://gemini.google.com/
Фізичні причини:
- мембрани побудовані з ліпідного бішару, який сам по собі є діелектриком;
- вмонтовані білки-канали та насосні системи створюють керовану провідність – струм проходить тільки за певних умов;
- у збудженні нейронів/м’язів мембрана працює як електричний комутатор, відкриваючи або закриваючи йонні канали.
Дружня порада вчителю
Поясніть, як провідність шкіри, товщина жиру, гідратація впливають на якість сигналу.
Таблиця 1 Електричні властивості
| Середовище | Тип електропровідності | Основні носії заряду | Медичне значення |
|---|---|---|---|
| Кров, міжклітинна рідина | Провідник | Іони (Na⁺, K⁺, Cl⁻) | Діагностика, ЕКГ, біоімпеданс, електролітний баланс |
| Жир, кістки, сухожилля | Діелектрик | Практично відсутні | Перешкода для сигналів, вплив на якість ЕКГ/ЕЕГ |
| Клітинні мембрани | Напівпровідник (умовно) | Керовані канали | Основна структура для передачі нервових імпульсів |
Закон електропровідності розчинів:
(1) 
де σ – електропровідність розчину, λ – молярна провідність (залежить від типу іона), n – концентрація електроліту.
Зі зростанням температури рухливість іонів зростає, в’язкість розчину зменшується, провідність збільшується.
У тілі людини температура підтримується на рівні 37 °C – оптимальні умови для іонного обміну.
У гіпотермії (понижена температура тіла) – зменшується провідність тканин, порушується передача сигналів.
При гарячці – навпаки, можлива гіперактивність нейронів – судоми.
2.4. Біоелектрика: як тіло створює та передає електричні сигнали
Дружня порада вчителю
Як клітина створює напругу без батарейки чи джерела живлення?
Що станеться з м’язом, якщо заблокувати натрієві канали в мембрані?
Як електричні імпульси передаються від клітини до клітини – це хвиля, струм чи щось інше?
У стані спокою клітинна мембрана має електричний потенціал (приблизно -70 мВ) – це результат нерівномірного розподілу іонів по обидва боки мембрани:
Na⁺ – більше поза клітиною, K⁺ – всередині.
Під час збудження відбувається деполяризація: мембрана тимчасово стає проникною до Na⁺, і потенціал змінюється (стає позитивним усередині).
Це викликає електричний імпульс, що передається вздовж аксона нервової клітини або по серцевому м’язу.
У серці імпульси генеруються в синусовому вузлі (природний водій ритму). Електричні хвилі поширюються по провідниковій системі серця.
Антиаритмічні засоби змінюють проникність каналів для Na⁺, K⁺, Ca²⁺, впливаючи на збудливість міокарда. Порушення мембранного потенціалу спостерігається при гіпокаліємії, інсульті, епілепсії.
2.5. Медична діагностика
Дружня порада вчителю
Як ЕКГ дозволяє лікарям побачити, що відбувається всередині серця без жодного розрізу?
Електрокардіограма (ЕКГ) – реєстрація електричної активності серця (див. рис. 4). Вона дає змогу діагностувати ішемію, інфаркт, порушення ритму чи гіпертрофію камер серця.
Основу ЕКГ складає вимірювання потенціалів на поверхні шкіри, що викликані деполяризацією/реполяризацією серцевого м’яза.
Однак, щоб електрод зареєстрував слабкий електричний сигнал, поверхня контакту має бути провідною. Шкіра має високий електричний опір, тому використовують електродний гель, який знижує опір і забезпечує кращу передачу сигналу.
Дружня порада вчителю
Демонстрація або фото ЕКГ-датчика, електродного гелю.
Джерело: https://gemini.google.com/
Дружня порада вчителю
Чому під час зняття ЕЕГ потрібно зволожувати або знежирювати шкіру голови?
Яким чином електрична активність мозку показує, чи ми спимо, думаємо або маємо епілепсію?
Електроенцефалограма (ЕЕГ) – реєстрація електричної активності кори головного мозку (див. рис. 5). Використовується при діагностиці епілепсії, енцефалопатій, розладів сну.
Джерело: https://vesta-med.com/
Дружня порада вчителю
Як електричні сигнали відрізняються між здоровим і ураженим м’язом?
Електроміографія (ЕМГ) – вимірювання електричної активності м’язів у спокої та під час скорочення (див. рис. 6). Вона дає інформацію про стан нервово-м’язової передачі (наприклад, при міастенії, невропатіях).
Джерело: https://awatage.com/
Дружня порада вчителю
Як можна «побачити» склад тіла, не заглядаючи всередину – лише через електричні властивості?
Біоелектричний імпеданс – вимірювання хімічного складу тіла за його електричним опором (див. рис. 7). Через тіло пропускається слабкий змінний струм (часто 50–100 кГц).
Залежно від опору різних тканин, можна оцінити:
- масу м’язів;
- вміст жиру;
- вміст води.
Дружня порада вчителю
Тривалість до 15 хв.
Завдання № 1
(Класифікація речовин)
Наведіть по 2 приклади провідників, діелектриків і напівпровідників. Поясніть, чому вони належать саме до цієї групи.
- Провідники:
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Діелектрики:
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Напівпровідники:
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
Відповідь:
Провідники: мідь, алюміній (мають вільні електрони).
Діелектрики: скло, гума (електрони міцно зв’язані з атомами).
Напівпровідники: кремній, германій (провідність змінюється від температури, освітлення тощо).
Завдання № 2
(Пошук застосування)
Доберіть по одному прикладу технічного або побутового використання:
- Провідника
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Діелектрика
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Напівпровідника
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Феромагнетика
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
Поясніть, чому обрано саме ці матеріали.
| _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
Відповідь:
Провідник – мідь у кабелях (низький опір).
Діелектрик – пластик у розетках (ізоляція).
Напівпровідник – кремній у мікросхемах (керований струм).
Феромагнетик – залізо в динаміках (створення магнітного поля).
Завдання № 3
(Визначення типу речовини за провідністю)
Обладнання: джерело живлення, лампочка, з’єднувальні дроти, зразки речовин (мідь, пластик, залізо, графіт, скло, алюміній, дерево, гума)
Інструкція:
- Складіть просте електричне коло.
- Включіть кожен зразок у коло.
- Якщо лампочка засвітилась – речовина проводить струм.
- Занотуйте результат.
| _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
Відповідь:
Провідники: мідь, алюміній, графіт, залізо.
Діелектрики: пластик, скло, дерево, гума
Завдання № 4
(Дослідження електропровідності води з різним вмістом солей)
Дружня порада вчителю
Мета досліду:
- ознайомити учнів з практичним методом вимірювання електропровідності;
- показати зв’язок між кількістю розчинених іонів і здатністю рідини проводити електричний струм;
- провести аналогію між розчинами і біологічними рідинами: кров’ю, плазмою, міжклітинною рідиною;
- актуалізувати значення електролітного балансу в медичній практиці.
Обладнання:
- 4 чисті прозорі ємності (склянки, пластикові стакани);
- чиста ложка для дозування солі;
- кухонна сіль;
- дистильована вода (з аптечного флакону або з лабораторії);
- мінеральна вода (типу «Моршинська», «Боржомі», будь-яка негазована);
- Мультиметр або тестер;
- електроди (можна зробити з графітових стержнів від м’яких олівців або взяти з лабораторного набору);
Підготовчі дії:
- Перевірте мультиметри перед уроком.
- Забезпечте підписані стакани:
- №1 – дистильована, №2 – 1 ложка солі, №3 – 2 ложки, №4 – мінералка.
- Поясніть, як зчитувати дані з мультиметра: опір (Ω) або провідність (мкС, мС).
- Нехай учні фіксують дані у таблицю – це створює відчуття дослідницької роботи.
- Мотивуйте не просто записувати, а аналізувати: «Чому саме так?», «Що змінилося?»
Після вимірювань проведіть рефлексійне обговорення
Обладнання:
- Мультиметр (режим вимірювання опору – Ω або провідності – S)
- Два електроди (графіт або сталь)
- Пластикові або скляні стакани
- Чиста ложка
- Чотири зразки рідин:
- Дистильована вода
- Вода з 1 ложкою кухонної солі
- Вода з 2 ложками кухонної солі
- Мінеральна вода
Хід досліду:
- Налийте по 100 мл кожної рідини в окремий стакан.
- У другий стакан додайте 1 ч. ложку солі й ретельно розмішайте.
- У третій стакан – 2 ч. ложки солі (на той самий об’єм), також добре перемішайте.
- Увімкніть мультиметр у режимі вимірювання опору (Ω) або провідності (S).
- Занурте електроди в перший зразок (дистильована вода), не торкаючись один одного.
- Зніміть показник і запишіть у таблицю.
- Повторіть вимірювання для інших зразків.
- Зробіть висновок: у якому випадку вода проводить струм краще і чому?
Таблиця спостережень:
| № | Зразок рідини | Кількість іонів (низька/середня/висока) | Опір (Ω) / Провідність (S) | Провідність (низька/середня/висока) |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Дистильована вода | |||
| 2 | Вода з 1 ложкою солі | |||
| 3 | Вода з 2 ложками солі | |||
| 4 | Мінеральна вода |
Питання для обговорення:
- Чому електропровідність дистильованої води майже нульова?
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Як впливає кількість розчиненої солі на провідність?
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Чому мінеральна вода проводить струм, навіть якщо ми не додавали сіль?
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Який із розчинів найбільше нагадує рідини в тілі людини?
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
Дружня порада вчителю
Тривалість до 5 хв.
Завдання орієнтованого на розвиток аналітичного мислення та розуміння медичного застосування фізичних знань.
Дослід: «Аналіз біоелектричного імпедансу крові»
Ситуація:
Під час лабораторного дослідження було проведено вимірювання біоелектричного імпедансу крові людини.
Отримане значення: 520 Ом.
Умовні табличні значення імпедансу крові (при температурі тіла 37°C):
| Стан організму | Біоімпеданс крові (Ом) |
|---|---|
| Норма | 450-500 |
| Легка дегідратація | 500-550 |
| Важка дегідратація | >550 |
| Переводнення (гіпергідратація) | <450 |
Порівняйте отримане значення (520 Ом) із табличними.
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
Визначте, до якого стану організму належить це значення. Поясніть, що могло викликати зміну імпедансу у цьому випадку.
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
Зробіть висновок, яке практичне заключення може зробити лікар.
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
Порада пацієнту: Сформулюйте коротку рекомендацію (1 речення), що робити далі.
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
Відповідь:
Порівняйте отримане значення (520 Ом) із табличними. Значення, отримане під час досліду: 520 Ом Табличний діапазон норми: 450-500 Ом
Висновок про стан: Легка дегідратація організму
Ймовірна причина: Можливе недостатнє споживання рідини, втрата води через потовиділення, підвищена температура повітря або фізичне навантаження
Порада пацієнту: Випити 1-2 склянки води або рідину з електролітами та контролювати вживання води протягом дня.
Дружня порада вчителю
Тривалість до 2 хв.
Заохочуйте учнів бути чесними та відвертими у своїх роздумах.
- Що мене здивувало?
- Що запам’яталося найкраще?
- Чому ці знання можуть врятувати життя?
| _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
Дружня порада вчителю
Міні-проєкт: «Я – провідник: як тіло людини взаємодіє з електричним струмом»
Критерії оцінювання:
Критерій Макс. балів Вірність інформації 4 Креативність оформлення 3 Практичне розуміння 3 Самостійність 2
Міні-проєкт «Я – провідник: як тіло людини взаємодіє з електричним струмом»
Формат: постер, презентація, коротке есе.
Мета: описати, як електричний струм проходить через тіло людини, які фактори впливають на провідність і чому це важливо в побуті, медицині та безпеці.
Інструкція:
- Знайди та опиши щонайменше 3 ситуації, коли тіло людини проводить електричний струм або взаємодіє з ним.
- Наприклад: удар електростатикою після ковзання по килиму, робота лікаря з ЕКГ, тренування з фітнес-браслетом, який зчитує пульс через імпеданс шкіри.
- Поясни, у яких умовах тіло людини добре проводить струм, а коли – майже ні.
- Зроби висновок:
- У чому небезпека електроструму для людини?
- Як ці знання використовуються в медицині?
- Підготуй коротке представлення (1–2 хв або один слайд/плакат).
Урок 23. Електричні властивості речовин
Мета уроку: сформувати в учнів уявлення про електричні властивості речовин, навчити розрізняти провідники, напівпровідники та діелектрики, розуміти застосування електричні властивості в побуті та медицині.
Очікувані результати для учнівства:
Ключові слова:
- електропровідність
- вільні електрони
- провідник
- діелектрик
- напівпровідник
- кров
- жирові тканини
- мембрана клітин
- ЕКГ
План уроку:
- Мотиваційна частина
- Теоретичний блок
2.1. Що таке електропровідність?
2.2. Класифікація речовин за електричними властивостями
2.3. Електричні властивості тканин: основа для діагностики
2.4. Біоелектрика: як тіло створює та передає електричні сигнали
2.5. Медична діагностика - Практичний блок
- Попрактикуймо самостійно
- Рефлексія
Проблемне питання
Чому одні матеріали можуть проводити струм, а інші – ні?
Джерело: https://gemini.google.com/
Що спільного між людським тілом і електричним колом?
Джерело: https://gemini.google.com/
Посилання на відео джерела:
Відео
Відео
Відео
2.1. Що таке електропровідність?
Електропровідність – це здатність речовини проводити електричний струм.
Електричний струм – упорядкований рух заряджених частинок. Основну роль у цьому процесі, зазвичай, відіграють електрони.
2.2. Класифікація речовин за електричними властивостями
Струм виникає тоді, коли в речовині є вільні носії заряду (електрони, йони), які можуть рухатись під дією електричного поля.
У провідниках (переважно метали) є вільні електрони, які відірвані від своїх атомів і можуть вільно рухатися по всій речовині.
Кристалічна решітка металу –це регулярна структура з позитивно заряджених іонів та хмари вільних електронів, яку іноді називають електронним газом.
Приклади провідників (див. рис. 1):
- Мідь – чудовий провідник, використовується у дротах.
- Алюміній – дешевший, застосовується у лініях електропередач.
- Графіт – неметал, але проводить струм завдяки рухомим електронам у шаруватій структурі.
Джерело: https://gemini.google.com/ Рис. 1 Приклади провідників
Речовини, що не проводять струм – діелектрики. У діелектриках електрони міцно прив’язані до своїх атомів, тому вони не можуть рухатися. Ці речовини є хорошими ізоляторами.
При дії електричного поля відбувається поляризація атомів або молекул – вони зміщуються так, що виникає внутрішнє протиполе, але струм не тече.
Приклади діелектриків (див. рис. 2):
- Пластик – оболонка електричних проводів.
- Скло – ізолятори в електронних приладах.
- Гума – захисні рукавички електриків.
Джерело: https://gemini.google.com/ Рис. 2 Приклади діелектриків
Напівпровідники – це речовини, які мають слабку провідність, що залежить від температури, освітлення (фотопровідність) та наявності домішок (легування).
В ідеальних умовах атоми напівпровідника утворюють ковалентні зв’язки – електрони не можуть рухатися. Але при порушенні цих зв’язків з’являються вільні електрони й дірки (місця, де електрона не вистачає).
Приклади напівпровідників (див. рис. 3):
- Кремній (Si) – основа сучасної мікроелектроніки.
- Індій (In) – має важливе значення в сучасній електроніці та оптоелектроніці.
- Германій (Ge) – раніше використовувався у транзисторах.
Джерело: https://gemini.google.com/ Рис. 3 Приклади напівпровідників
Сенсори в телефонах, мікропроцесори, діоди, транзистори – усе це створено з напівпровідникових матеріалів.
Електропровідність речовин – це не постійна величина. Вона може змінюватися під дією зовнішніх факторів:
- Температури;
- Освітлення;
- домішок;
- механічного тиску;
- електричного та магнітного полів.
2.3. Електричні властивості тканин: основа для діагностики
Кров і міжклітинна (інтерстиціальна) рідина – добрі електропровідники (див. рис. 1, таб. 1).
Фізичні причини:
- складаються здебільшого з води (понад 90 %), яка є полярним розчинником;
- містять велику кількість розчинених іонів (Na⁺, K⁺, Cl⁻, Ca²⁺, Mg²⁺ тощо), які рухаються під дією електричного поля;
- іонний струм – основа електропровідності у біологічних рідинах (на відміну від металів, де струм переносять електрони);
Джерело: https://gemini.google.com/
Na⁺ і Cl⁻ переважно знаходяться поза клітинами (плазма крові, міжклітинна рідина). K⁺ – основний іон всередині клітини. Вони створюють електрохімічний потенціал, що використовується для передавання сигналів (наприклад, у нервових волокнах). Порушення балансу Na⁺/K⁺ веде до аритмії, судоми чи м’язової слабкості. Саме рух іонів через мембрану лежить в основі реєстрації електричних сигналів серця (ЕКГ). Препарати, які впливають на іонні канали, застосовуються для лікування гіпертонії, епілепсії, серцевих захворювань.
Електрична провідність крові використовується для неінвазивного вимірювання гідратації організму. У методі біоімпедансної спектроскопії оцінюють кількість рідини в організмі, масу м’язів і жиру саме за електричною провідністю.
Жирова тканина, сухожилля, кістки – природні ізолятори (діелектрики) (див. рис. 2, таб. 1).
Джерело: https://gemini.google.com/
Фізичні причини:
- низький вміст води, практично не містять вільних іонів;
- жирові молекули – неполярні, тобто не підтримують утворення струму;
- у сухожиллях та кістках щільна структура білкових волокон та мінералів, що перешкоджає руху зарядів.
Через вищевказане під час ЕКГ або ЕЕГ реєстрація сигналу через шкіру та підшкірний жир потребує використання контактного гелю – для зменшення опору.
При електростимуляції (наприклад, фізіотерапія) велика товщина жирової тканини зменшує ефективність процедури.
Клітинні мембрани – біологічні напівпровідники (див. рис. 3, таб. 1).
Джерело: https://gemini.google.com/
Фізичні причини:
- мембрани побудовані з ліпідного бішару, який сам по собі є діелектриком;
- вмонтовані білки-канали та насосні системи створюють керовану провідність – струм проходить тільки за певних умов;
- у збудженні нейронів/м’язів мембрана працює як електричний комутатор, відкриваючи або закриваючи йонні канали.
Таблиця 1 Електричні властивості
| Середовище | Тип електропровідності | Основні носії заряду | Медичне значення |
|---|---|---|---|
| Кров, міжклітинна рідина | Провідник | Іони (Na⁺, K⁺, Cl⁻) | Діагностика, ЕКГ, біоімпеданс, електролітний баланс |
| Жир, кістки, сухожилля | Діелектрик | Практично відсутні | Перешкода для сигналів, вплив на якість ЕКГ/ЕЕГ |
| Клітинні мембрани | Напівпровідник (умовно) | Керовані канали | Основна структура для передачі нервових імпульсів |
Закон електропровідності розчинів:
(2)
де σ – електропровідність розчину, λ – молярна провідність (залежить від типу іона), n – концентрація електроліту.
Зі зростанням температури рухливість іонів зростає, в’язкість розчину зменшується, провідність збільшується.
У тілі людини температура підтримується на рівні 37 °C – оптимальні умови для іонного обміну.
У гіпотермії (понижена температура тіла) – зменшується провідність тканин, порушується передача сигналів.
При гарячці – навпаки, можлива гіперактивність нейронів – судоми.
2.4. Біоелектрика: як тіло створює та передає електричні сигнали
У стані спокою клітинна мембрана має електричний потенціал (приблизно -70 мВ) – це результат нерівномірного розподілу іонів по обидва боки мембрани:
Na⁺ – більше поза клітиною, K⁺ – всередині.
Під час збудження відбувається деполяризація: мембрана тимчасово стає проникною до Na⁺, і потенціал змінюється (стає позитивним усередині).
Це викликає електричний імпульс, що передається вздовж аксона нервової клітини або по серцевому м’язу.
У серці імпульси генеруються в синусовому вузлі (природний водій ритму). Електричні хвилі поширюються по провідниковій системі серця.
Антиаритмічні засоби змінюють проникність каналів для Na⁺, K⁺, Ca²⁺, впливаючи на збудливість міокарда. Порушення мембранного потенціалу спостерігається при гіпокаліємії, інсульті, епілепсії.
2.5. Медична діагностика
Електрокардіограма (ЕКГ) – реєстрація електричної активності серця (див. рис. 4). Вона дає змогу діагностувати ішемію, інфаркт, порушення ритму чи гіпертрофію камер серця.
Основу ЕКГ складає вимірювання потенціалів на поверхні шкіри, що викликані деполяризацією/реполяризацією серцевого м’яза.
Однак, щоб електрод зареєстрував слабкий електричний сигнал, поверхня контакту має бути провідною. Шкіра має високий електричний опір, тому використовують електродний гель, який знижує опір і забезпечує кращу передачу сигналу.
Джерело: https://gemini.google.com/
Електроенцефалограма (ЕЕГ) – реєстрація електричної активності кори головного мозку (див. рис. 5). Використовується при діагностиці епілепсії, енцефалопатій, розладів сну.
Джерело: https://vesta-med.com/
Електроміографія (ЕМГ) – вимірювання електричної активності м’язів у спокої та під час скорочення (див. рис. 6). Вона дає інформацію про стан нервово-м’язової передачі (наприклад, при міастенії, невропатіях).
Джерело: https://awatage.com/
Біоелектричний імпеданс – вимірювання хімічного складу тіла за його електричним опором (див. рис. 7). Через тіло пропускається слабкий змінний струм (часто 50–100 кГц).
Залежно від опору різних тканин, можна оцінити:
- масу м’язів;
- вміст жиру;
- вміст води.
Завдання № 1
(Класифікація речовин)
Наведіть по 2 приклади провідників, діелектриків і напівпровідників. Поясніть, чому вони належать саме до цієї групи.
- Провідники:
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Діелектрики:
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Напівпровідники:
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
Завдання № 2
(Пошук застосування)
Доберіть по одному прикладу технічного або побутового використання:
- Провідника
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Діелектрика
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Напівпровідника
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Феромагнетика
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
Поясніть, чому обрано саме ці матеріали.
| _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
Завдання № 3
(Визначення типу речовини за провідністю)
Обладнання: джерело живлення, лампочка, з’єднувальні дроти, зразки речовин (мідь, пластик, залізо, графіт, скло, алюміній, дерево, гума)
Інструкція:
- Складіть просте електричне коло.
- Включіть кожен зразок у коло.
- Якщо лампочка засвітилась – речовина проводить струм.
- Занотуйте результат.
| _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
Завдання № 4
(Дослідження електропровідності води з різним вмістом солей)
Обладнання:
- Мультиметр (режим вимірювання опору – Ω або провідності – S)
- Два електроди (графіт або сталь)
- Пластикові або скляні стакани
- Чиста ложка
- Чотири зразки рідин:
- Дистильована вода
- Вода з 1 ложкою кухонної солі
- Вода з 2 ложками кухонної солі
- Мінеральна вода
Хід досліду:
- Налийте по 100 мл кожної рідини в окремий стакан.
- У другий стакан додайте 1 ч. ложку солі й ретельно розмішайте.
- У третій стакан – 2 ч. ложки солі (на той самий об’єм), також добре перемішайте.
- Увімкніть мультиметр у режимі вимірювання опору (Ω) або провідності (S).
- Занурте електроди в перший зразок (дистильована вода), не торкаючись один одного.
- Зніміть показник і запишіть у таблицю.
- Повторіть вимірювання для інших зразків.
- Зробіть висновок: у якому випадку вода проводить струм краще і чому?
Таблиця спостережень:
| № | Зразок рідини | Кількість іонів (низька/середня/висока) | Опір (Ω) / Провідність (S) | Провідність (низька/середня/висока) |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Дистильована вода | |||
| 2 | Вода з 1 ложкою солі | |||
| 3 | Вода з 2 ложками солі | |||
| 4 | Мінеральна вода |
Питання для обговорення:
- Чому електропровідність дистильованої води майже нульова?
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Як впливає кількість розчиненої солі на провідність?
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Чому мінеральна вода проводить струм, навіть якщо ми не додавали сіль?
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Який із розчинів найбільше нагадує рідини в тілі людини?
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
Дослід: «Аналіз біоелектричного імпедансу крові»
Ситуація:
Під час лабораторного дослідження було проведено вимірювання біоелектричного імпедансу крові людини.
Отримане значення: 520 Ом.
Умовні табличні значення імпедансу крові (при температурі тіла 37°C):
| Стан організму | Біоімпеданс крові (Ом) |
|---|---|
| Норма | 450-500 |
| Легка дегідратація | 500-550 |
| Важка дегідратація | >550 |
| Переводнення (гіпергідратація) | <450 |
Порівняйте отримане значення (520 Ом) із табличними.
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
Визначте, до якого стану організму належить це значення. Поясніть, що могло викликати зміну імпедансу у цьому випадку.
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
Зробіть висновок, яке практичне заключення може зробити лікар.
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
Порада пацієнту: Сформулюйте коротку рекомендацію (1 речення), що робити далі.
| _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
- Що мене здивувало?
- Що запам’яталося найкраще?
- Чому ці знання можуть врятувати життя?
| _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
Міні-проєкт «Я – провідник: як тіло людини взаємодіє з електричним струмом»
Формат: постер, презентація, коротке есе.
Мета: описати, як електричний струм проходить через тіло людини, які фактори впливають на провідність і чому це важливо в побуті, медицині та безпеці.
Інструкція:
- Знайди та опиши щонайменше 3 ситуації, коли тіло людини проводить електричний струм або взаємодіє з ним.
- Наприклад: удар електростатикою після ковзання по килиму, робота лікаря з ЕКГ, тренування з фітнес-браслетом, який зчитує пульс через імпеданс шкіри.
- Поясни, у яких умовах тіло людини добре проводить струм, а коли – майже ні.
- Зроби висновок:
- У чому небезпека електроструму для людини?
- Як ці знання використовуються в медицині?
- Підготуй коротке представлення (1–2 хв або один слайд/плакат).
Ділись та обговорюй важливе