Chlieb z hľadiska fyziky

Chlieb z hľadiska fyziky

Úvod
Na hodinách TVP sme dostali tému chlieb z hľadiska fyziky. Niežeby sme sa do tej vedy hrnuli, ale bohužiaľ nám zostala. Človek si nenavyberá a tak sme sa pustili do práce. Dlho sme rozmýšľali, čo  vlastne budeme v tejto téme robiť. Zrazu nám napadlo, že využijeme poznatky o elektrickej vodivosti. Takže o čo nám vlastne pôjde? Chceme zistiť, či je chlieb schopný samostatne viesť elektrický prúd alebo či sa viac správa ako izolant. Budeme to zisťovať za normálnych podmienok čiže, keď je chlieb suchý alebo si pomôžeme rôznymi látkami, ktoré nám s vodivosťou pomôžu. Naša hypotéza je taká, že chlieb samostatne nevedie elektrický prúd. Takže využijeme rôzne poznatky z internetu, kníh alebo sa konkrétne spýtame iných osôb na informácie ohľadom tohto projektu. My už určité poznatky máme. Ale to nám nestačí. Neveríme ľuďom všetko, a preto sa pustíme do pokusu, ktorý si podrobne opíšeme v našej práci. Náš cieľ je jasný. Musím vám povedať, že v našej skupine bolo množstvo problémov s tým, kto vlastne bude šéfom. Konkurz vyhral Michal Krajči. Dúfame teda, že naša práca sa vám bude páčiť a pochopíte o čo nám vlastne šlo. Však sme sa na nej aj dostatočne namakali. Prejdem k veci v našom projekte bude 1 graf,2 tabuľky, pokus a úvodná teória k práci a fotky z pokusu. Na začiatku vám ukážeme ako sme vlastne postupovali. Prejdeme si obsahom práce, jadrom práce a tým najdôležitejším a to pokusom. V tabuľke budú údaje o množstve nameraného prúdu pri rôznych podmienkach. Môžem spomenúť, že sme použili modrú skalicu, vodu, kyselinu citrónovú a mnohé ďalšie látky. A graf? V grafe budú výsledne porovnané látky (katalyzátory) , ktoré nám pomohli pri vedení elektrického prúdu. Toľko k úvodu. Takže pohodlne sa usaďte a čítajte čo sme si pre vás pripravili.
 
Kapitola I
Elektrická vodivosť kovov + elektrický odpor
 
Pod pojmom elektrická vodivosť rozumieme schopnosť materiálov viesť elektrický prúd. Je to jedna z najdôležitejších fyzikálnych vlastností. Podľa tejto vlastnosti rozdeľujeme potom všetky látky do troch skupín: sú to vodiče (typu I alebo II), polovodiče a izolanty. Kovové materiály patria do skupiny vodičov typu I, pričom ich elektrická vodivosť je v porovnaní s takými izolantmi o 15 až 24 rádov vyššia. 

Stručne podstatu elektrickej vodivosti v kovoch vystihuje pásová elektrónová teória kovov, no pri jej bližšom štúdiu sa už nevyhneme aparátu kvantovej teórie tuhých látok. Zjednodušene by sa však dala elektrická vodivosť kovových sústav vysvetliť nasledovne. Uvažujme kovový kryštál, ktorý sa skladá z istého počtu atómov. Tieto atómy majú vo svojom orbite určitý počet elektrónov, ktoré sú podľa Fermiho – Diracovej rozdeľovacej funkcie rozložené do energetických hladín (1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, atď...), čo je dôsledok toho, že elektróny nadobúdajú energiu po kvantách, a nie spojito. Predstavme si, že každý atóm v kryštále má svoje elektróny zoradené do tejto konfigurácie. Súčasne však majme na zreteli Pauliho vylučovací princíp, podľa ktorého sa nemôžu v danom kryštále nachádzať dva elektróny s rovnakou energiou. Potom poľahky dôjdeme k záveru, že každý atóm prispeje do energetického spektra elektrónov kryštálu energiou svojich elektrónov. Tak vznikne v kryštále pás energii 1s2, ďalší pás energii 2s2, potom pás energii 2p6, atď... Tieto pásy nazývame aj pásmi dovolených energii, pretože sú to energetické oblasti, do ktorých sa elektróny môžu dostať. Pásy dovolených energii sú však medzi sebou oddelené pásmi zakázaných energii, teda energii, ktoré elektróny nadobúdať nemôžu, a ktoré predstavujú istú energetickú bariéru pre elektróny umiestnené v dovolených pásoch. Takto sú elektróny v kryštále “poukladané“ do týchto pásov dovolených energii (šírka dovolených a zakázaných pásov sa udáva v jednotkách energie, konkrétne v [eV]).
 
Zaujímavá situácia však nastáva na poslednom (čiže valenčnom) páse, ktorý je daný kryštál schopný vytvoriť. Tento pás môže byť elektrónmi obsadený čiastočne, alebo úplne. Kryštál sa správa ako kov, ak má valenčný pás zaplnený len čiastočne. Elektróny, ktorými je takýto valenčný pás obsadený, nazývame aj voľné elektróny a spolu tvoria v kovovom kryštále tzv. fermiónový plyn. Elektróny tohto fermiónového plynu sa objemom kryštálu pohybujú chaoticky, čím sa vzájomne anihilujú. Preto je výsledná stredná rýchlosť elektrónu fermiónového plynu nulová. Situácia sa však mení po aplikovaní vonkajšieho elektrického poľa. Vodivostné elektróny sa pod účinkom energie elektrického poľa nabudia do vyšších energetických stavov a začnú sa pohybovať usmernene, proti smeru pôsobenia elektrického poľa. Tým však ešte nie je zabezpečená elektrická vodivosť. Vodivostný pás musí totiž spĺňať jednu dôležitú podmienku, a to, že musí obsahovať Fermiho plochu (Fermiho plocha oddeľuje pri teplote absolútnej nuly nezaplnené energetické stavy od zaplnených). Z toho vyplýva aj povinnosť vodivostných elektrónov nadobudnúť po priložení vonkajšieho elektrického poľa také energie, aby sa nachádzali v oblasti Fermiho plochy, pretože vedenie elektrického prúdu je určované zmenami hybnosti len tých elektrónov, ktoré sa nachádzajú v blízkosti Fermiho plochy.

Zoberme si ako príklad meď. Jej elektrónová konfigurácia je 1s2, 2s2, 3d10, 4s1. Z popisu konfigurácie je vidieť, že valenčný pás má meď zaplnený elektrónmi len do polovice, pretože orbitál 4s môže byť obsadený dvoma elektrónmi. Z predošlého nám vyplýva, že na elektrickej vodivosti sa budú podieľať elektróny z orbitálu 4s1, ale až potom, čo získajú dostatočnú energiu na to, aby preskočili do druhej, neobsadenej polovice orbitálu 4s1, kde sa už nachádza Fermiho plocha. Vodivostné elektróny tak ľahko nadobúdajú vyššiu energiu a súčasne zostávajú vo svojom energetickom páse.
 
Trošku iný prípad je také železo. To má elektrónovú konfiguráciu 1s2, 2s2, ... , 3d6, 4s2. Správne by sa však mala jeho konfigurácia zakončiť v poradí 4s2, 3d6, pretože orbitál 4s je energeticky menej náročný ako orbitál 3d, hoci je už z vyššej periódy. Zvláštnosťou oproti medi je to, že v železe medzi orbitálmi 4s2 a 3d6 nielenže nie je žiadny zakázaný pás, ale tieto dva pásy energii sa vzájomne čiastočne prekrývajú. To znamená, že na elektrickej vodivosti železa sa tak môžu podieľať aj elektróny orbitálu 4s2.
 
Ktorý kov je najlepší vodič ?
Ak neuvažujeme kovy a ich zliatiny v supravodivom stave (t.j. pri teplotách hlboko pod 273,15 K), tak za štandardných termodynamických podmienok je z kovov najlepším vodičom elektrického prúdu striebro. Akákoľvek zliatina na báze striebra, môže teda logicky dosahovať len nižšiu elektrickú vodivosť. Praktické využitie striebra ako vodiča s najmenším odporom je však vzhľadom na jeho cenu veľmi obmedzené. Našťastie sa v prírode vyskytuje prvok, ktorý je svojou vodivosťou striebru veľmi blízky. Je ním omnoho prístupnejšia meď (viď. tabuľku merných elektrických odporov). Pre lepšie mechanické vlastnosti sa však častejšie ako čisté kovy využívajú ich zliatiny.
Tabuľka merných elektrických odporov niektorých kovov meraných pri teplote 273,15 K

Kapitola II
Elektrický prúd v elektrolytoch, iónová vodivosť
V kvapalinách sprostredkúvaju elektrický prúd voľné pohyblivé, kladné a záporné ióny (katióny,anióny). Vznik voľných iónov rozpadom rozpustenej látky v rozpušťadle nazývame elektrolytycká disociácia. Vodivé roztoky nazývame eletrolyty. Všeobecne vznikajú rozpúšťaním iónovej zlúčeniny v nejakom rozpušťadle. Elektrolytmi sú napr. vodné roztoky soli (NaCl, KCl), kyselín (H2SO4,HNO3) a zásad (KOH, NaOH). Ióny spolu s molekulami rozpušťadla vykonávajú ustavičný neusporiadaný pohyb, no keď do elektrolytu vložíme dve elektródy a zapojíme ich na zdroj jednosmerného napatia, vznikne medzi elektródami vo vnútri elektrolytu elektrické pole, ktoré vyvolá usmernený pohyb iónov v roztoku. Katióny sa začnu pohybovať ku katóde – (elektróde zapojenej na zápornú svorku zdroja a anióny ku anóde - (elektróde zapojenej na kladnú svorku zdroja). Usporiadaný pohyb iónov v elektrickom poli medzi elektródami tvorí elektrický prúd v elektrolyte. Podľa dohody je smer prúdu určený pohybom kladných iónov. Na obrázku vidíte elektrické pole v elektrolyte. Je tam použitá zinková anóda a meďnatá anóda. Toto je typický príklad na iónovú vodivosť v elektrolyte. Už vieme,že elektrolyt vedie elektrický prúd.
 
Kapitola III
Vlhkosť v potravinách
 
VODA V POTRAVINÁCH (ALEBO VLHKOSŤ V POTRAVINÁCH)
Voda ovplyvňuje vlastnosti potravín. Podiel vlhkosti označujeme
gréckym písmenom ω (omega) a udávame v %.
 
Absolútna vlhkosť - Φ - je podiel hmotnosti vodných pár m a objemu vzduchu
V, v ktorom sú obsiahnuté. Udáva sa najčastejšie v [g.m-3], menej v [kg.m-3].
vzorec:
Φ = V ,
m [g.m-3; kg.m-3]
 
Relatívna vlhkosť - ϕ - je to podiel absolútnej a maximálnej vlhkosti vzduchu
za rovnakých podmienok. Udáva sa v %.
vzorec:
ϕ =
m Φ
Φ 100
 
Kapitola IV
Pokus
 
V prvom rade sme si museli spísať pomôcky a tie boli nasledovné: zdroj jednosmerného elektrického napätia (4,5 V batériu), vodiče, citrón, kadičky , avometer, chlieb,kyselinu citrónovú,soľ, vodu, handričku ,písacie  potreby, soľ, modrá skalica a chuť do práce. Najprv sme si však museli zaobstarať priestory kde budeme pokus realizovať. Keďže sa nám nechcelo obťažovať pani profesorku Kocourkovú urobili sme pokus u Martina. Najprv sme zapojili suchý chlieb do elektrického obvodu a na čo sme prišli? Ručička na avomete sa pohla,ale zanedbateľne. Vidíme sklamanie na našich tvárach, čakali sme od toho viac. Ukázalo sa nám číslo 0,0012 A.
Išli sme teda na pokus číslo dva. Mierne sme namočili chlieb do vody. Troška vody sa nám rozlialo na zem,keďže som to robil ja. Použili sme handričku. Späť k pokusu. Opäť sme pripojili chlieb do elektrické poľa a ručička na avomete sa nám konečne pohla. Ukázala nám približne hodnotu 0,0185 A. Takže po druhýkrát sme boli úspešný. Hodnotu sme si zapísali do tabuľky. Neskôr sme použili roztoky kyselinu citrónovú, ktorú sme získali silným stlačením citróna a uskladnili sme do ju do kadičky,ktoré sme mali pripravenú. Znova tentokrát Mišo namočil chlieb do citrónovej šťavy (veľmi slabo koncentrovaná kyselina citrónová). Mišo bol šikovnejší ako ja a nevylial roztok na zem, takže sme nemuseli použiť handričku. Miro zapojil chlieb do elektrického poľa. Ručička na avomete ukázala hodnotu 0,0324 A. Hodnotu sme si opäť zapísali do tabuľky,ktorú spracúval Martin. Boli sme spokojný ako sa nám darilo. Rozhodli sme sa teda pustiť do pokusu číslo štyri. Miro zobral soľ a opatrne chlieb posolil aby nevysypal na zem. Tentokrát som ja zapojil osolený chlieb do elektrického poľa. Avomet nevykazoval žiadne známky hybnosti.Toto zistenie nás prekvapilo. Náš zapisovač opäť všetko zapísal.

Ešte nám zostal posledný roztok modrá skalica. Tak sme sa pustili do záverečnej fázy pokusu. Posledný pokus realizoval Mišo. Znova namočil chlieb do roztoku a zapojil ho do elektrického poľa. Avomet ukazoval známky života a nameraná hodnota bola 0,0241 A. Pokus bol hotový. Urobili sme poriadky a začali sme sa zamýšlať nad jednotlivými hodnotami nameranými v tabuľkách.
 
Prečo nám vlastne neviedol chlieb elektrický prúd, keď nebol namočený v žiadnom roztoku a ani vo vode? No pretože, chlieb ako pevná látka neobsahuje žiadne voľné elektróny ani ióny. Čo sme aj dokázali v tomto pokuse. Takže teoretici sa nemýlili. Zistili sme teda, že chlieb sám o sebe nie je schopný viesť elektrický prúd, ale možno to bolo zapríčinené aj tým, že sme použili krajec chleba. Tak sme to potom skúsili iba s malým odkrojeným kúskom a avomet predsa zareagoval. Takže vodivosť chleba je priamo úmerná aj hrúbke chleba. Vyšlo nám ale zanedbateľné číslo. V prípadoch, keď chlieb viedol elektrický prúd lepšie ako pri tomto sme použili katalyzátor, ktorý nám zlepšil vodivosť chleba. Pričom nám ako rôzne roztoky obsahujúce voľné ióny viedol prúd sám o sebe dobre.
 
Celý pokus prebehol bez problémov. Naša spolupráca bola bezchybná. Avšak musím podotknúť, že náš avomet nemohol merať úplne presne lebo Martinove vlasy naň vplývali svojou statickou elektrinou. Mohlo sa stať, že sme aj nepresne odčítali, ale nemyslím si to pri našej zručnosti. Na pokus sme použili čierny chlieb z Kauflandu, ktorý obsahoval aj maličké semienka a okrem neho sme použili aj čistý biely chlieb. Viete čo bolo zaujímavé,že chlieb ktorý obsahoval semienka viedol elektrický prúd horšie ako chlieb bez nich.Čo z toho vyplýva, že biely chlieb ma väčší podiel obsahu vody ako čierny. Čiže aj tento faktor mal vplyv na vodivosť. Ako vodiče sme použili medené káble. 
Takže zistili sme, že za pomoci určitých látok môže chlieb lepšie viesť elektrický prúd. Najväčším problémom pri pokuse bolo vybratie miesta. Nechcelo sa nám totiž obťažovať pani profesorku Kocourkovú.
 
Miesto u Martina bola skvelé, i keď sme sa museli rýchlo odpratať lebo jeho mama nemá rada veľa topánok v byte. Potom sme sa odobrali ku mne. A u mňa sa zrodilí v našich hlavách tieto rôzne závery.Takže takto vyzeral náš pokus. Ešte by som chcel poďakovať spolužiakom za zabezpečenie pomôcok a priestoru pre pokus.
 
Možné využitie týchto zistení:
Takže už vieme, že biely chlieb sa nespráva úplne ako izolant. Tento fakt je síce pekný, ale reálne využite nemá. Predstava, že chlieb môžeme použiť ako vodič je absurdná a to z viacerých dôvodov. Chlieb ako celok je nepoužiteľný kvôli jeho objemu a mrvateľnosti. Navyše je to potravina, ktorá sa časom do dvoch až štyroch dní môže pokaziť. Pričom plesnenie chleba  je priamo úmerné teplote a pleseň škodí zdraviu a vyvoláva zápach. Ďalším dôvodom prečo využiť chlieb ako vodič je jeho cena. O mnoho viac sa nám oplatí kúpiť medený vodič za pár centov. A to najdôležitejšie chlieb ako potraviny obsahuje zanedbateľné množstvo iónov.
Naše výsledky si ukážeme v tomto grafe:

Záver
Pri našej práci sme zistili mnoho vecí, ktoré sme už vedeli, ale aj pár nových faktov, že chlieb naozaj môže viesť elektrický prúd, však koho by to napadlo, no len nás borcov z 2.A. Mnohí o nás pochybovali, ale my sme sa nevzdali a zobrali sme tento údel so cťou a hrdosťou k fyzike a chlebu. Najťažším pre nás bola samotná realizácia pokusu lebo bývame od seba ďaleko. Chlieb ako vodič je však nepoužiteľný, ale ako potravina  má obrovský význam. Ako sme spomínali praktické využitie je nulové. Predstavme si, že elektrické rozvody sú poprepájané chlebom a nie káblom a navyše by chlieb musel byť namočený do vody aby viedol dostatočne elektrický prúd. Chlieb je potravina, čiže má aj také vlastnosti, že môže stvrdnúť alebo splesnieť, ale to už záleží len na prostredí v ktorom ho skladujeme. Navyše použiť chlieb ako vodič je nemorálne, veď predsa na chleba sa ťažko robí. Dôležitá bola pre nás  bola aj kovová vodivosť, pretože sme prišli na to, čo je dôležité pri vedení elektrického prúdu. Vieme, že sú to voľné elektróny a ióny. Neskôr sme prešli k vedeniu elektrického prúdu v elektrolyte a pri tom sme došli k záveru, že by nám samotný elektrolyt mohol pomôcť pri vodivosti. A po týchto zisteniach sme prišli k samotnému pokusu, ktorý sa nám podľa mňa vydaril.

Resumé
Dlho sme rozmýšľali, čo  vlastne budeme v tejto téme robiť. Zrazu nám napadlo, že využijeme poznatky o elektrickej vodivosti. Pod pojmom elektrická vodivosť rozumieme schopnosť materiálov viesť elektrický prúd. Podľa tejto vlastnosti rozdeľujeme potom všetky látky do troch skupín: sú to vodiče (typu I alebo II), polovodiče a izolanty. V kvapalinách sprostredkúvaju elektrický prúd voľné pohyblivé, kladné a zápornéióny(katióny,anióny). Vodivé roztoky nazývame eletrolyty. Všeobecne vznikajú rozpúšťaní iónovej zlúčeniny v nejakom rozpušťadle.  Voda ovplyvňuje vlastnosti potravín. Podiel vlhkosti označujeme gréckym písmenom ω (omega) a udávame v %. Zistili sme teda, že chlieb má priemerný podiel vlhkosti do 35 %, čo pre nás znamená, že je možné aby chlieb viedol sám o sebe elektrický prúd.  Kúpili sme si teda dva typy chleb čierny aj biely. Pri našej práci sme zistili mnoho vecí, ktoré sme už vedeli, ale aj pár nových faktov, že chlieb naozaj môže viesť elektrický prúd, však koho by to napadlo. Chlieb ako vodič je však nepoužiteľný, ale ako potravina  má obrovský význam.

Resumé v CJ
We have long thought, what we actually do in this topic. Suddenly, we thought that we can use knowledge about electrical conductivity. The term "electrical conductivity of materials means the ability to conduct electrical current. In this feature, then all substances are divided into three groups: these are the cables (type I or II), semiconductors and insulators. The fluids mediate electrical current free floating, positive and negative ions (cations, anions). Conductive called elektrolyts solutions. In general solution of the compound in an ionic solvent. Water affects the properties of food. Share moisture identifies a Greek letter ω (omega) and given in%. Thus we found that the bread has an average share of moisture to 35%, which for us means that it is possible to keep bread on its own electricity. Therefore, we bought two types of bread black and white. In our work we found many things that we already knew, but few new facts that bread really can keep the electrical current, but who would have thought. Bread as a driver is useless, but as food is of paramount importance.