Урок электрический ток в металлах

Обновлено: 19.05.2024

сформировать понятие о природе электрического тока в металлах и его направлении. В процессе экспериментальной работы выяснить, какие действия способен совершать электрический ток. Познакомить учащихся с техникой безопасности при работе с электрическими приборами. Показать практическую направленность изучаемого материала.

ü Развивающие:

Развивать логическое мышление, формировать представление о процессе научного познания.

ü Воспитательная:

Вырабатывать умение слушать и быть услышанным, прививать культуру умственного труда.

Оборудование, используемое на уроке:

Соединительные провода, ключи, магниты, штативы, резистор, лампочка на подставке, термометр, проволока, проволочный моток, тесты, компьютер,

1. Организационный момент.

2. Фронтальный опрос (слайд № 2-№6 презентации).

4. Подготовка к восприятию нового материала:

1) Как можно избежать действия электрического тока при случайном прикосновении к электрическому прибору, который оказался под напряжением? (заземлением).

2) Из каких материалов выполняется заземление? (из металлов).

На вопрос: «Почему предпочитают именно эти вещества?» мы и ответим после изучения новой темы: «Электрический ток в металлах». ( Учащиеся записывают тему урока, высвеченную на экране, в свои рабочие тетради).

5. Объяснение нового материала:

Самое раннее определение металла было дано в середине 18 века М.В.Ломоносовым. «Металлом называется светлое тело, которое ковать можно. Таких тел только 6: золото, серебро, медь, олово. Железо и свинец».

Спустя 2,5 века многое стало известно о металлах. К числу металлов относятся 75% элементов Периодической таблицы Менделеева.

Электрический ток в металлах:

Металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение. В узлах кристаллической решетки металлов расположены положительные ионы, а в пространстве между ними движутся электроны. Электроны не связаны с ядрами своих атомов и движутся беспорядоченно, поэтому их называют свободными. Отрицательный заряд всех свободных электронов по величине равен положительному заряду всех ионов решетки. Поэтому в обычных условиях металл электрически нейтрален. Если в металлах создать электрическое поле, то свободные электроны начнут двигаться направленно под действием электрических сил. Возникает электрический ток. Все электроны начинают двигаться в одном направлении по всей длине проводника, но между ними сохраняется беспорядоченное движение (стайка мошкары, движущейся в сторону ветра).

Электрический ток в металлах - это упорядоченное движение свободных электронов.

Скорость движения самих электронов в проводнике под действием электрического поля мала (несколько миллиметров в секунду). Но почему при замыкании электрической цепи лампочка загорается мгновенно?

Т.к. в металлах электрический ток- это направленное движение электронов и мы, в основном, будем сталкиваться с ним, то за направление электрического тока принимается именно направление движения электронов в проводнике, т.е. направление от – полюса источника тока к +. Электрический ток в электролитах - это упорядоченное движение положительных и отрицательных ионов.

Т.к. направление движения электрического тока было принято задолго до открытия свободных электронов, то за направление тока условно принимается движение заряженных частиц от + к - источника вне его. (слайд №8)

Увидеть движение электронов в металлах увидеть мы не можем, поэтому судить о них мы можем только по различным явлениям, которые называют действием электрического тока.

6. Групповая работа по карточкам, отчёты групп, систематизация выводов в таблице на доске и в рабочих тетрадях.

7. Проверка усвоения нового материала.

9. Подведение итогов урока.

10. Выставление оценок учащимся.

Тема урока: "Электрический ток в металлах"

Цель: Формирование у обучающихся знаний об электрическом токе в металлах, действиях электрического тока и их применениях.

Задачи:

· Образовательная – формирование единых взглядов на природу электрического тока в металлах, формирование умения работать с электрическими схемами.

· Развивающая – формирование умения находить ошибки и не допускать их при применении знаний на практике, а также логично объяснять новые явления, применять свои знания в нестандартных ситуациях.

· Воспитательная – воспитание внимательности, познавательного интереса к предмету;

o формирование умения строить логическую цепочку рассуждений;

o воспитывать дисциплинированность, ответственное отношение к учебному труду;

Тип урока - комбинированный

Формы работы учащихся - индивидуальная, фронтальная

СТРУКТУРА И ХОД УРОКА

Деятельность учителя

Деятельность ученика

Время
(в мин.)

Организация внимания и порядка в классе, взаимное приветствие, проверка присутствующих, проверка готовности класса к уроку.

Воспринимают информацию, сообщаемую учителем, позитивный настрой на урок.

Актуализация пройденного материала.

Повторение условных обозначений, применяемых в схемах; предлагаются различные задания

Повторяют условные обозначения, применяемые в схемах; делают в тетрадях и на доске чертежи схем

Постановка темы и цели урока.

Обеспечение мотивации и принятия учащимися цели учебно-познавательной деятельности

Принимают участие в формулировке цели урока, отвечают на вопросы учителя.

Изучение нового материала.

Демонстрация учебного материала (презентация) Работа с учебником (стр.79 – 80)

Объясняет новый материал

Смотрят и слушают, работают с учебником

Воспринимают информацию, сообщаемую учителем. Составляют конспект.

Формулирование вопросов учащимися учителю по изученному материалу.

Отвечает на вопросы.

Предлагает физическую зарядку

Формулирование контрольного задания.

Предлагает тест по изученному материалу и анализирует результат выполнения задания учащимися.

Знакомятся с заданием и выполняют его, самопроверка

Обобщение, систематизация, закрепление знаний по изученному материалу.

Предлагает дополнительный материал, применяемый в жизни

Выслушивают доклад ученика

Рефлексия. Подведение итогов урока.

Формулирует и комментирует домашнее задание

Слушают и фиксируют в дневниках

· Готовность к активной учебно-познавательной деятельности, понимание практической значимости материала.

· Мультимедийная презентация повышает наглядность предлагаемого для изучения материала, позволяет активизировать внимание учащихся, предоставляет возможность демонстрации опытов, представление которых на уроке затруднительно.

· Использование компьютера при работе с тестами позволяет быстро оценить уровень усвоенных учащимися знаний, что позволяет оперативно осуществлять обратную связь на уроке с целью коррекции возможных ошибок учащихся.

Средства обучения.

· Компьютер, мультимедийный проектор, экран, электронные учебные издания.

I .

Учитель : Повторим изученное.

Пять человек собирают цепи (которые впоследствии будут демонстрировать действия тока).

Остальные отвечают на вопросы и выполняют задания.

1. Электрический ток - …

2. Условия получения электрического тока

3. Что происходит внутри источника питания

4. Что такое электрический полюс

5. Виды источников тока (показать). Какое преобразование энергии происходит?

Условные обозначения, применяемые в схемах

Почему не горит исправная лампа в первой цепи при замыкании ключа?

(Рис. 1) Почему не звенит звонок во второй цепи при замыкании цепи? (Рис. 2)

1. Из источника питания, ключа, звонка, лампы.

II .

О золотом кольце

- Зачем надевают кольцо золотое

На палец. Когда обручаются двое? –

Меня любопытная леди спросила.

Не став пред вопросом в тупик,

Ответил я так собеседнице милой:

- Владеет любовь электрической силой.

А золото – проводник.

Р. Бернс

Учитель: почему в металлических проводниках протекает электрический ток?

Цель: познакомиться с особенностями электрического тока в металлах и его действиями.

1. Повторить строение металлов

2. Убедиться, что металл в обычных условиях нейтрален

3. Выяснить, что представляет собой электрический ток в металлах

4. Представить доказательства физиков

Учитель объявляет тему урока

Учитель: Что называется металлом?

Самое известное из ранних определений металла было дано в середине XVIII века М.В. Ломоносовым:

“Металлом называется светлое тело, которое ковать можно. Таких тел только шесть: золото, серебро, медь, олово, железо и свинец”.

Спустя два с половиной века многое стало известно о металлах. К числу металлов относится более 75% всех элементов таблицы Д. И. Менделеева, и подобрать абсолютно точное определение для металлов – почти безнадежная задача.

(МЕТАЛЛЫ — это вещества, обладающие высокой электропроводностью и теплопроводностью, ковкостью, пластичностью и металлическим блеском)

(Работа с учебником. Рассмотрим рис.52 (стр.79 – 80) [1]

Модель металла - кристаллическая решетка, в узлах которой частицы совершают хаотичное колебательное движение.

Учащиеся выполняют опорный конспект (записи в тетрадях)

В узлах кристаллической решетки расположены положительные ионы

В пространстве между ними движутся свободные электроны

Отрицательный заряд всех свободных электронов по абсолютному значению равен положительному заряду всех ионов решетки

Электроны взаимодействуют не друг с другом, а с ионами кристаллической решётки. При каждом соударении электрон передаёт свою кинетическую энергию.

Учащиеся рассматривают интерактивную модель строения металла

Учитель : рассматриваем видеофрагмент и делаем выводы

Вывод:

1. В обычных условиях металл электрически нейтрален

2. Свободные электроны движутся в нём беспорядочно

3. Если создать в металле электрическое поле, то свободные электроны начнут двигаться направленно (упорядоченно), т. е. возникнет электрический ток

4. Беспорядочное движение электронов сохраняется

Учитель : Что представляет собой электрический ток в металлах?

Минутка отдыха. Учитель предлагает физические упражнения движения заряженных частиц (колебания положительных частиц около положения равновесия и беспорядочного движения отрицательных частиц). Зарядка для глаз.

Подтверждение теоретического материала. Рассматриваем опыты физиков из нашей страны Леонида Исааковича Мендельштама и Николая Дмитриевича Папалекси, а также американских физиков Бальфура Стюарта и Роберта Толмена.

Опыт Мандельштама и Папалекси проведен в 1916 году. Цель опыта состояла в проверке того, есть ли масса у носителя электрического тока, электрона. Если масса у электрона есть, то он должен подчиняться законам механики, в частности закону инерции. К примеру, если движущийся проводник резко затормозить, то электроны еще некоторое время будут двигаться в том же направлении по инерции.

Для этой проверки исследователи вращали катушку с проходящим током, а затем резко останавливали ее. Возникающий бросок тока регистрировали с помощью телефона.

По щелчку тока в телефонах Мандельштамм и Папалекси установили, что электрон обладает массой. Но измерить эту массу они не смогли. Поэтому этот опыт — качественный.

Позже американские физики Толмен и Стюарт, используя ту же идею вращения катушки, измерили массу электрона. Для этого они измеряли возникающий при торможении катушки заряд на ее выводах.

Рассмотреть интерактивную модель опытов.

Учитель: какова же скорость движения самих электронов в проводнике под действием электрического поля? Что возникает в проводнике и распространяется с большой скоростью?

Учащиеся находят ответы в учебнике (стр. 80):

Невелика, всего несколько миллиметров в секунду, а иногда и ещё меньше.

Если возникает в проводнике электрическое поле, оно с огромной скоростью распространяется по всей длине проводника (близкой к скорости света 300 000 км/с), одновременно начинают двигаться электроны в одном направлении по всей длине проводника

Сравнение электрического тока с течением воды в водопроводе, а распространения электрического поля – с распространением давления воды.

Как направлен ток? Указать на схемах.

Тестирование. Самопроверка, самооценка.

Учитель: вернемся к цепям, которые собрали в начале урока.

Действия тока

1. Тепловое. Где применяется

2. Механическое. Где применяется.

3. Магнитное. Где применяется.

4. Химическое. Где применяется

5. Световое, звуковое.

6. Физиологическое. Электрический ток действует не только в местах контактов с телом человека и на пути прохождения через организм, но и вызывает рефлекторное действие, проявляющееся в нарушении нормальной деятельности сердечно-сосудистой и нервной системы, дыхания и т. д.

Термическое действие характеризуется нагревом тканей, вплоть до ожогов; электролитическое разложением органических жидкостей, в том числе и крови; биологическое действие электрического тока проявляется в нарушении биоэлектрических процессов и сопровождается раздражением и возбуждением живых тканей и сокращением мышц.

Закрепление материала . Учащиеся отвечают на вопросы.

· Как объяснить, что в обычных условиях металл электрически нейтрален?

· Что происходит с электронами металла при возникновении в нем электрического поля?

· Что представляет собой электрический ток в металлах?

· Какую скорость имеют ввиду, когда говорят о скорости распространения электрического тока в проводнике?

(Рефлексия. Итоги урока.

Домашнее задание параграф 34, 35

Литература

1. Физика 8 класс / А.В. Перышкин.- М.: Дрофа, 2011 г.

2. Тесты по физике /А.В. Чеботарева. Издательство “Экзамен” – М., 2010 г. (к учебнику А.В. Перышкина)

Урок физики 10 класс "Электрический ток в металлах"

ученик научиться : давать определение носителя электрического заряда, проводимости, сверхпроводимости; вычислять значения средней скорости упорядоченного движения электронов в металле; определять сопротивление металлического проводника при данной температуре.

ученик сможет научиться: исследовать зависимость сопротивления металлических проводников от температуры, приводить примеры сверхпроводников, применения сверхпроводимости, уточнять границы применимости закона Ома в связи с существованием явления сверхпроводимости.

Основные понятия, рассматриваемые на уроке:

-прохождение тока в металлах;

-зависимость сопротивления металлов от температуры;

Свободные электроны – это электроны, не связанные с определенными атомами.

Сверхпроводимость – физическое явление, заключающееся в скачкообразном падении до нуля сопротивления вещества.

Температурный коэффициент сопротивления - величина, равная относительному изменению электрического сопротивления участка электрической цепи или удельного сопротивления вещества при изменении температуры на 1 К.

Основное содержание урока.

Все тела по проводимости электрического тока делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики. Для того чтобы электрическую энергию передать от источника тока потребителю составляют электрические цепи. В большинстве случаев в электрической цепи используются металлические провода. По физической природе зарядов – носителей электрического тока, электропроводность подразделяют на: электронную, ионную, смешанную.

Какие заряженные частицы движутся в металлах при наличии тока?

После открытия в 1897 году английским ученым Дж. Дж. Томсоном электрона стали разрабатываться теории, объясняющие электропроводность металлов. Автором первой теории был Пауль Друде – немецкий физик. Эта теория нуждалась в опытном обосновании и подтверждении. В 1901 г. немецкий физик Э. Рикке поставил опыт по исследованию прохождения тока в металлах. Результаты опыта свидетельствовали о том, что в переносе заряда в металлах ионы не участвуют. Впоследствии вопросом проводимости металлов заинтересовались и другие учёные. В 1913 году российские учёные Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси провели опыты по исследованию проводимости металлов. Вся суть опытов сводилась к тому, что катушка, на которую наматывали металлическую проволоку приводили во вращательное движение и резко тормозили. При торможении электроны продолжали двигаться по инерции и гальванометр, соединенный с катушкой фиксировал появление тока. По направлению отклонения стрелки гальванометра было установлено, что ток создается движением отрицательно заряженных частиц. На основании измерения отношения заряда частиц к их массе выяснилось, что ток создается движением свободных электронов. Аналогичный опыт был поставлен в 1916 году американскими учеными Т. Стюартом и Р. Толменом. Результаты опытов говорили, что ток в металлах создается движением электронов.

Разными учеными была разработана современная классическая теория проводимости тока металлами. Основные положения электронной теории проводимости металлов.

1. Металл имеет определенную модель: кристаллическая решетка ионов погружена в идеальный электронный газ, состоящий из свободных электронов. У большинства металлов каждый атом ионизирован, поэтому концентрация свободных электронов приблизительно равна концентрации атомов.

2.Свободные электроны в металлах находятся в непрерывном хаотическом движении.

3. Электрический ток в металле образуется только за счёт упорядоченного движения свободных электронов.

На основе этой теории удалось объяснить основные законы электрического тока в металлах. По электронной теории можно найти связь между силой тока в металлах и скоростью движения электронов. Сила тока равна произведению заряда электрона, их концентрации, площади сечения проводника и средней скорости движения электронов:

Выразим скорость . Если в эту формулу подставлять числовые данные силы тока, концентрации и площади сечения для разных металлов, получим, что средняя скорость движения электронов составляет всего лишь какие-то доли миллиметра в секунду. Когда говорят о скорости распространения тока имеют в виду скорость распространения электрического поля в проводнике, которое равно скорости света.

На силу тока в проводнике влияет и сопротивление проводника. Так опыты показывают, что сопротивление металлов зависит от температуры. Увеличение сопротивления можно объяснить тем, при повышении температуры увеличивается скорость и амплитуда хаотического движения ионов кристаллической решетки металла и свободных электронов. Это приводит к более частым их соударениям, что затрудняет направленное движение электронов, то есть увеличивает электрическое сопротивление.

зависимость сопротивления металлов от температуры выражается формулой:

; ;

При нагревании размеры проводника практически не меняются, в основном меняется удельное сопротивление. Учет зависимости сопротивления от Формула зависимости удельного сопротивления металлического проводника от температуры имеет вид:

; где ρ₀ - удельное сопротивление при 0 градусов,

t - температура, α - температурный коэффициент сопротивления. Этот коэффициент очень маленький, но надо делать учёт зависимости сопротивления от температуры при расчёте нагревательных приборов. Графиком зависимости ⍴ (t) является прямая.

При понижении температуры сопротивление металлов должно уменьшаться. В 1911 году датский физик Х. Каммерлинг - Оннес открыл явление, названное сверхпроводимостью. Исследуя зависимость сопротивления ртути от температуры, он обнаружил, что при температуре 4,12 К сопротивление ртути исчезает. В сверхпроводящее состояние могут перейти многие химические соединения и сплавы. Вещества, переходящие при низких температурах в сверхпроводящее состояние, не являются проводниками при обычных температурах. Вещества, находящиеся в сверхпроводящем состоянии, приобретают новые свойства. Важным из них является способность длительное время поддерживать электрический ток в проводниках. Классическая электронная теория не способна объяснить явление сверхпроводимости. Теоретическое объяснение явления сверхпроводимости на основе квантово-механических представлений было дано учеными -Н. Н. Боголюбовым (СССР) в 1957 г. и Дж. Бардиным, Дж. Шриффером (США). В 1986 году была обнаружена высокотемпературная сверхпроводимость (при 100 К).

В некоторых странах существует железнодорожная сеть с поездами на магнитной подушке. После открытия сверхпроводимости Камерлинг-Оннес, пытаясь создать сверхпроводящий электромагнит, обнаружил, что изменение тока, или же изменение магнитного поля, разрушают эффект сверхпроводимости. Только к середине двадцатого века удалось создать сверхпроводящие электромагниты. В настоящее время ведутся интенсивные работы по поиску новых веществ переходящими в сверхпроводящее состояние при более высокой температуре. Ученые надеются получить вещество в сверхпроводящем состоянии при комнатной температуре. Если удастся создать сверхпроводник при нормальной температуре, то будет решена проблема передачи электроэнергии по проводам без потерь.

Примеры решения задач по теме:

1. Сопротивление проводника при 20 0 С равно 25 Ом, а при 35 0 С -25,17 Ом. Каков температурный коэффициент сопротивления?

Зависимость сопротивления металлов от температуры определяется формулой

Из этой формулы выразим температурный коэффициент железа – α

После подстановки числовых значений получим:

Ответ: α = 4,5 ×10 -4 К -1

2 . Какова скорость дрейфа электронов в медном проводе диаметром 4 мм, по которому к стартеру грузовика подводится ток 100 А. Молярная масса меди

Сила тока в проводнике равна:

Выразим скорость из этой формулы:

Концентрацию электронов найдем по формуле:

Число электронов найдём по формуле:

Площадь сечения равна:

Учитывая всё это запишем конечную формулу для расчёта скорости дрейфа электронов:

Ответ: υ=6×10 -4 м/с.

Основная и дополнительная литература :

Касьянов В.А. физика 10 класс; Мякишев Г. Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – с. 216-224.

Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. - М.: Дрофа, 2009.- с.81-89.

М.М. Балашов О природе М., Просвещение, 1991г.

Я.И. Перельман Занимательная физика. М.: “Наука”, 1991.

Е.А. Марон, А.Е. Марон Сборник качественных задач по физике. М., Просвещение, 2006г.

8 класс. Урок Электрический ток в металлах. Направление электрического тока.
план-конспект урока по физике (8 класс)

Цель урока: Продолжить изучение природы электрического тока в металлах.

План урока.

Актуализация опорных знаний.
Изучение нового материала «Электрический ток в металлах».
Закрепление.
Минутка отдыха.
Изучение нового материала «Направление электрического тока».
Закрепление.
Домашнее задание.
Итоги урока.

Вложение	Размер
urok.doc	72.5 КБ
urok_tok_v_metallah_-.ppt	1.11 МБ

Подтяните оценки и знания с репетитором Учи.ру

За лето ребенок растерял знания и нахватал плохих оценок? Не беда! Опытные педагоги помогут вспомнить забытое и лучше понять школьную программу. Переходите на сайт и записывайтесь на бесплатный вводный урок с репетитором.

Вводный урок бесплатно, онлайн, 30 минут

Предварительный просмотр:

Электрический ток в металлах. Направление электрического тока.

Цель урока : Продолжить изучение природы электрического тока в металлах.

Образовательная – формирование единых взглядов на природу электрического тока, формирование умения работать с электрическими схемами, собирать электрические цепи.

Развивающая – формирование умения находить ошибки и не допускать их при применении знаний на практике, а также логично объяснять новые явления, применять свои знания в нестандартных ситуациях.

Воспитательная – воспитывать чувство любви к своей Родине, прививать любовь к художественной литературе, формирование умения концентрировать внимание, вести диалог, аргументировано отстаивать свое мнение.

Оборудование и материалы : Источник тока, эл. лампа, звонок, провода, ключ

ТСО : компьютерная презентация, мультимедийный проектор.

1. Актуализация опорных знаний.

Здравствуйте ребята наш урок, я хочу начать с такого четверостишья:

Как наша прожила б планета,

Как люди жили бы на ней

Без теплоты, магнита, света

И электрических лучей.

Ребята, знания науки всегда, помогает человеку в жизни, а незнания приводит подчас к трагическим последствиям. Сделайте из этих слов для себя правильные выводы.

В моем четверостишье упоминается о электрических лучах. Как вы думаете, что это такое? (электрический ток)

Эталон ответа. Упорядоченное направленное движение частиц.

Что необходимо, чтобы в цепи существовал электрический ток?

Эталон ответа . Источник тока, проводники, потребитель тока, и все эти элементы должны быть замкнуты.

3) Работа со схемами.

А теперь проверим, как вы видите нарушения в составлении электрических цепей.

Перед вами две эл. цепи, схемы которых представлены на экране.

1. Почему не горит исправная лампа в первой цепи при замыкании ключа? (Рис. 1)

Эталон ответа. Электрическая цепь имеет разрыв. Чтобы лампа загорелась, в цепи должен существовать электрический ток, а это возможно при замкнутой цепи, состоящей только из проводников электричества.

Учитель. А чем проводники отличаются от непроводников или изоляторов?

Эталон ответа. Проводники – такие тела, через которые электрические заряды могут переходить от заряженного тела к незаряженному. А в изоляторах такие переходы невозможны, и лампа загорается.

Приглашается ученик, который дал правильный ответ и он, устранив разрыв, демонстрирует правильный ответ. Лампа загорается.

2. Почему не звенит звонок во второй цепи при замыкании цепи? (Рис. 2)

Эталон ответа. Для получения электрического тока в проводнике, надо в нем создать электрическое поле. Под действием этого поля свободные заряженные частицы начнут двигаться упорядоченно, а это и есть электрический ток. Электрическое поле в проводниках создается и может длительно поддерживаться источниками электрического поля. Электрическая цепь должна иметь источник тока. Подключаем цепь к источнику тока и звонок звенит.

Приглашается ученик, который дал правильный ответ и он, подсоединив к цепи источник тока, демонстрирует правильный ответ.

3 . Где надо расположить источник тока, чтобы при замыкании ключа К 1 зазвенел звонок, а при замыкании ключа К 2 загорелась лампа? (Рис. 3)

Эталон ответа. Источник тока необходимо располагать параллельно ветвям, содержащим звонок и лампу.

Приглашается ученик, который дал правильный ответ и, изобразив подсоединение источника тока на схеме, подключает его в цепь. Затем, замыкая поочередно ключ К 1 и К 2 , демонстрирует правильный ответ. Учитель дает задание ученикам вовремя подготовки ответа зарисовать полную схему подключения приборов в тетрадях. (Рис. 4)

Учитель. Хочу вам напомнить, что при работе с электрическими цепями необходимо соблюдать правила по технике безопасности. Недопустимо касаться оголенных проводников, неисправных участков цепи и полюсов источника.

Задача: С какой целью на стыках рельсов электрифицированных железных дорог делают толстые медные перемычки или сваривают рельсы?

Ответ. Рельсы проводят электрический ток и, следовательно, чтобы цепь не была разомкнута, делают медные перемычки или сваривают рельсы.

2.Изучение нового материала «Электрический ток в металлах» - 10 мин .

Тема нашего урока: «Электрический ток в металлах. Направление электрического тока»

Учитель. Ребята кто знает, как можно избежать действия электрического тока при случайном прикосновении к электроприбору, которое оказалось под напряжением?

Эталон ответа. Для этого необходимо заземление, так как земля является проводником и, благодаря своим огромным размерам, может удерживать большой заряд.

Учитель. Из каких материалов выполняется заземление?

Эталон ответа. Заземление выполняют из металла.

Учитель. Почему предпочитают именно эти вещества, мы ответим после изучения новой темы “Электрический ток в металлах. Направление электрического тока”. Запишите тему урока в тетрадь.

Итак, наш разговор пойдет о металлах. Самое известное из ранних определений металла было дано в середине XVIII века М.В. Ломоносовым: “Металлом называется светлое тело, которое ковать можно. Таких тел только шесть: золото, серебро, медь, олово, железо и свинец”. Спустя два с половиной века многое стало известно о металлах. К числу металлов относится более 75% всех элементов таблицы Д. И. Менделеева, и подобрать абсолютно точное определение для металлов – почти безнадежная задача.

Поэтому сегодня, в общем случае можно воспользоваться определением М.В.Ломоносова первый русский ученый – естествоиспытатель мирового значения, добавив к первым двум свойствам, им предложенным, еще три. Вы узнаете все свойства металлов. Начнем знакомство с одним из них – электропроводностью.

Металлическими называют решётки, в узлах которых находятся атомы и ионы металла. Для металлов характерны физические свойства: пластичность, ковкость, металлический блеск, высокая электро- и теплопроводность.

Вспомним строение металлов. Модель металла - кристаллическая решетка, в узлах которой частицы совершают хаотичное колебательное движение. (Представлена модель кристаллической решетки, а на экране проецируется изображение модели строения металлов).

Металлы в твёрдом состоянии имеют кристаллическое строение. Частицы в кристаллах расположены в определённом порядке, образуя пространственную (кристаллическую) решётку. Как вам уже известно, в любом металле часть валентных электронов покидает свои места в атоме, в результате чего атом превращается в положительный ион. В узлах кристаллической решётки металла расположены положительные ионы, а в пространстве между ними движутся свободные электроны (электронный газ), т.е. не связанные с ядрами своих атомов.
Отрицательный заряд всех свободных электронов по абсолютному значению равен положительному заряду всех ионов решётки. Поэтому в обычных условиях металл электрически нейтрален.
Какие же электрические заряды движутся под действием электрического поля в металлических проводниках? Мы можем предположить, что под действием электрического поля движутся свободные электроны. Но это наше предположение нуждается в доказательстве. Мы знаем, что в металле есть свободные электроны, но есть и заряженные ионы кристаллической решетки. А если и они переносят ток?

Для проверки этого предположения В 1899 г. К. Рикке, создатель теории проводимости металлов, поставил такой опыт: на трамвайной подстанции в Штутгарте включил в главный провод, питающий трамвайные линии, последовательно друг другу торцами три тесно прижатых цилиндра; два крайних были медными, а средний — алюминиевым. Через эти цилиндры более года проходил электрический ток. Произведя тщательный анализ того места, где цилиндры контактировали, К. Рикке не обнаружил в меди атомов алюминия, а в алюминии — атомов меди, т. е. диффузия не произошла. Таким образом, он экспериментально, доказал, что при прохождении по проводнику электрического тока ионы не перемещаются. Следовательно, перемещаются одни лишь свободные электроны, а они у всех веществ одинаковые. Итак, электрический ток в металлических проводниках создается упорядоченным движением свободных электронов.

Заключительным подтверждением этому факту явился опыт, проведенный в 1913 году физиками нашей страны Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси, а также американскими физиками Б. Стюартом и Р. Толменом.

Ученые приводили в очень быстрое вращение многовитковую катушку вокруг ее оси. Затем, при резком торможении катушки концы ее замыкались на гальванометр, и прибор регистрировал кратковременный электрический ток. Причина возникновения, которого вызвана движением по инерции свободных заряженных частиц между узлов кристаллической решетки металла. Так как из опыта известно направление начальной скорости и направление получаемого тока, то можно найти знак заряда носителей: он оказывается отрицательным. Следовательно, свободные носители зарядов в металле - свободные электроны. По отклонению стрелки гальванометра можно судить о величине протекающего в цепи электрического заряда. Опыт подтвердил теорию. Триумф классической теории электричества состоялся.

Электрический ток в металлических проводниках представляет собой упорядоченное движение свободных электронов под действием электрического поля.
Если в проводнике нет электрического поля, то электроны движутся хаотично, аналогично тому, как движутся молекулы газов или жидкостей. В каждый момент времени скорости различных электронов отличаются по модулям и по направлениям. Если же в проводнике создано электрическое поле, то электроны, сохраняя свое хаотичное движение, начинают смещаться в сторону положительного полюса источника. Вместе с беспорядочным движением электронов возникает и упорядоченный их перенос - дрейф.

Говоря об упорядоченном движении электронов, нельзя не сказать о скорости их движения. Опыт: Обратимся к цепи, собранной по предложенной схеме (открывается часть доски с нарисованной схемой на рис.5):

Замыкаем ключ и лампочка загорается практически сразу. Вот это скорость!

Предполагаете ли вы, что свободный электрон “добежал” от отрицательного полюса источника до лампочки за столь короткий отрезок времени?

Эталон ответа. Необходимо различать понятия: скорость распространения электрического поля и скорость движения конкретных электронов. Скорость распространения электрического поля такая же, как и света в вакууме 300 000 км/с. При создании электрического поля в электрической цепи, одновременно с ним все электроны начинают двигаться в одном направлении по всей длине проводника. И такая скорость упорядоченного движения электронов в металлах примерно равна 1 – 3 мм /с.

Когда говорят о скорости распространения электрического тока в проводнике, то имеют в виду скорость распространения по проводнику электрического поля.
Электрический сигнал, посланный, например, по проводам из Москвы во Владивосток (s=8000 км), приходит туда примерно через 0,03с.

Слайд 12 ( один щелчок мыши)

3. Минутка отдыха .

Ребята, однажды великого мыслителя Сократа спросили о том, что, по его мнению, легче всего в жизни? Он ответил, что легче всего – поучать других, а труднее – познать самого себя.

На уроках физики мы говорим о познании природы. Но сегодня давайте заглянем « в себя». Как мы воспринимаем окружающий мир? Как художники или как мыслители?

Встаньте, поднимите руки вверх, потянитесь.
Переплетите пальцы рук.
Посмотрите, какой палец левой или правой руки оказался у вас вверху? Результат запишите «Л» или «П»
Скрестите руки на груди («поза Наполеона») Какая рука сверху?
Поаплодируйте. Какая рука сверху?

Учитывая, что результат «ЛЛЛ» соответствует художественному типу личности, а «ППП» - типу мышления.

Какой же тип мышления преобладает у вашего класса?

Несколько «художников», несколько «мыслителей», а большинство ребят – гармонично развитые личности, которым свойственно, как логическое, так и образное мышление.

4. Изучение нового материала.

А теперь можно переходить к познанию внешнего мира. Закончили этап - электрический ток в металлах. Переходим к следующему блоку «Направление электрического тока»

Но как быть с выбором направления электрического тока? Наиболее распространенные проводники, которые используются в электрических цепях, это металлы. Электрический ток в металлах, а это упорядоченное движение свободных электронов, следовательно, за направление электрического тока целесообразно принять движение отрицательно заряженных частицы. Однако… Продолжение начатой фразы вы найдете в § 36 учебника. Прочитайте 4 и 5 абзацы. (После прочтения текста учениками). Обратимся к рис. 8 и сделаем вывод : за направление электрического тока принято упорядоченное движение положительно заряженных частиц, т. е. направление движения от положительного полюса источника тока к отрицательному.

Итак, существуют два направления электрического тока

1. Истинное направление. Это направление от минуса источника до его плюса. В этом направлении идут электроны, поэтому направление называется истинным.

Техническое направление противоположно истинному. Это направление от плюса источника до его минуса.

Техническое направление возникло исторически. Когда люди не знали природы тока, то установили, чтобы все показывали одинаково от плюса к минусу. Когда узнали что ток это поток электронов, движущийся от минуса к плюсу, то решили это направление оставить и назвать его техническим и пользоваться им в технике.

Возникает вопрос, когда и каким направлением пользоваться.

Когда речь идет о природе тока, то нужно пользоваться истинным направлением. В остальных случаях пользуются техническим направлением.

Не будет ли недоразумений.

Не будет, так как в технике имеет значение электрическая цепь, а не направление тока в ней.

5. Закрепление изученного материала. Слайд 13

Китайский философ Конфуций как – то сказал, словно для нас с вами

«Хорошо обладать природным дарованием, но упражнения, друзья, дают нам больше, чем природное дарование».

Русская пословица гласит: « Учиться всегда пригодится».

? Почему нельзя прикасаться к неизолированным электрическим проводам голыми руками?

( Влага на руках всегда содержит раствор различных солей и является электролитом. Поэтому она создает хороший контакт между проводами и кожей.)

Урок 32. Электрический ток в металлах

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Мякишев Г. Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 216-224.

Е.А. Марон, А.Е. Марон Сборник качественных задач по физике. М., Просвещение, 2006

Основное содержание урока

Все тела по проводимости электрического тока делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики. Для того чтобы электрическую энергию доставить от источника тока потребителю составляют электрические цепи. В большинстве случаев в электрической цепи используются металлические провода. По физической природе зарядов – носителей электрического тока, электропроводность подразделяют на:

Результаты опыта свидетельствовали о том, что в переносе заряда в металлах ионы не участвуют. Впоследствии вопросом проводимости металлов заинтересовались и другие учёные. В 1913 году российские учёные Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси провели опыты по исследованию проводимости металлов. Суть опытов сводилась к тому, что катушка, на которую наматывали металлическую проволоку приводили во вращательное движение и резко тормозили. При торможении электроны продолжали двигаться по инерции и гальванометр, соединенный с катушкой фиксировал появление тока. По направлению отклонения стрелки гальванометра было установлено, что ток создается движением отрицательно заряженных частиц. На основании измерения отношения заряда частиц к их массе выяснилось, что ток создается движением свободных электронов. Аналогичный опыт был поставлен в 1916 году американскими учеными Т. Стюартом и Р. Толменом. Результаты опытов говорили, что ток в металлах создается движением электронов.

После анализа имеющихся данных о прохождении тока в металлах разными учеными была разработана современная классическая теория проводимости тока металлами. Основные положения электронной теории проводимости металлов.

1. Металл можно описать следующей моделью: кристаллическая решетка ионов погружена в идеальный электронный газ, состоящий из свободных электронов. У большинства металлов каждый атом ионизирован, поэтому концентрация свободных электронов приблизительно равна концентрации атомов 1023- 1029м-3 и почти не зависит от температуры.

3. Электрический ток в металле образуется только за счет упорядоченного движения свободных электронов.

Опираясь на данную теорию удалось объяснить основные законы электрического тока в металлах. Исходя из электронной теории можно найти связь между силой тока в металлах и скоростью движения электронов.

Сила тока равна произведению заряда электрона, их концентрации, площади сечения проводника и средней скорости движения электронов:

Отсюда

Если в эту формулу подставлять числовые данные силы тока, концентрации и площади сечения для разных металлов, то мы увидим, что средняя скорость движения электронов составляет всего лишь какие-то доли миллиметра в секунду. Когда говорят о скорости распространения тока имеют в виду скорость распространения электрического поля в проводнике, которое равно скорости света.

На силу тока в проводнике влияет и сопротивление проводника. Опыт показывает, что сопротивление металлов зависит от температуры. Увеличение сопротивления можно объяснить тем, при повышении температуры увеличивается скорость и амплитуда хаотического движения ионов кристаллической решетки металла и свободных электронов. Это приводит к более частым их соударениям, что затрудняет направленное движение электронов, то есть увеличивает электрическое сопротивление.

При нагревании размеры проводника практически не меняются, в основном меняется удельное сопротивление. Учет зависимости сопротивления от температуры используется в термометрах сопротивления.

Формула зависимости удельного сопротивления металлического проводника от температуры имеет вид:

где ρ0 - удельное сопротивление при 0 градусов,

α - температурный коэффициент сопротивления.

Графиком зависимости ⍴(t) является прямая.

Хотя коэффициент α довольно мал, учет зависимости сопротивления от температуры при расчете нагревательных приборов совершенно необходим.

Вещества, находящиеся в сверхпроводящем состоянии, приобретают новые свойства. Наиболее важным из них является способность длительное время (многие годы) поддерживать без затухания электрический ток в проводниках.

Классическая электронная теория не способна объяснить явление сверхпроводимости. Теоретическое объяснение явления сверхпроводимости на основе квантово-механических представлений было дано учеными Дж. Бардиным, Дж. Шриффером (США) и Н. Н. Боголюбовым (СССР) в 1957 г.

В 1986 году была обнаружена высокотемпературная сверхпроводимость (при 100 К).

В настоящее время ведутся интенсивные работы по поиску новых веществ переходящими в сверхпроводящее состояние при более высокой температуре. Ученые надеются получить вещество в сверхпроводящем состоянии при комнатной температуре. Если удастся создать сверхпроводник при нормальной температуре, то будет решена проблема передачи электроэнергии по проводам без потерь.

Следует отметить, что до настоящего времени механизм высокотемпературной сверхпроводимости керамических материалов до конца не выяснен.

Открытие вещества, переходящего в сверхпроводящее состояние при комнатной температуре, позволило бы упростить решение многих технических вопросов. Во-первых, отсутствие сопротивления означает отсутствие каких-либо потерь на нагревание. Отсутствие нагревания и потерь энергии на него чрезвычайно важно для электродвигателей и электронной вычислительной техники, а также для передачи электроэнергии.

В сверхпроводниках из-за отсутствия сопротивления протекают чрезвычайно высокие токи, создающие сильные магнитные поля, что может применяться при термоядерном синтезе для удержания высокотемпературной плазмы в реакторе.

На сегодняшний момент в некоторых странах существует железнодорожная сеть с поездами на магнитной подушке. После открытия сверхпроводимости Камерлинг-Оннес, пытаясь создать сверхпроводящий электромагнит, обнаружил, что изменение тока, или же магнитные поля, разрушают эффект сверхпроводимости. Только к середине двадцатого века удалось создать сверхпроводящие электромагниты. На данный момент продолжаются исследования по изучению высокотемпературной сверхпроводимости.

Разбор типовых тренировочных заданий

1. Сопротивление железного проводника при 0 0 С и 600 0 С равны соответственно 2 Ом и 10 Ом. Каков температурный коэффициент железа?

После подстановки числовых данных получаем

2. Какова скорость дрейфа электронов в медном проводе диаметром 5 мм, по которому к стартеру грузовика подводится ток 100 А. Молярная масса меди

Читайте также: