Вопросы электрический ток в металлах
Обновлено: 04.05.2024
развивающая – развить мотивацию к изучению химии и физики; логическое мышление; умение пользоваться методами анализа и синтеза, индукции и дедукции; устанавливать связь между строением, свойствами и применением металлов; прогнозировать и предполагать, делать выводы и обобщение;
воспитательная – воспитывать эстетический вкус и чувство патриотизма; стремление к здоровому образу жизни и безопасности жизнедеятельности.
Планируемые образовательные результаты:
1. Личностные: формирование познавательного интереса к изучению химии; мотивация учащихся на получение новых знаний, формирование научного мировоззрения.
2. Метапредметные:
Познавательные: устанавливать причинно-следственные связи, проводить наблюдение.
Регулятивные: формулировать цель урока; работать по плану; оформлять отчет, включающий описание наблюдения, его результатов, выводов.
Коммуникативные: строить речевые высказывания в устной и письменной форме; аргументировать свою точку зрения.
3. Предметные : описывать положение элементов- металлов в ПСХЭ Д.И.Менделеева, классифицировать простые вещества на металлы и неметаллы, характеризовать общие физические свойства металлов, устанавливать причинно-следственные связи между строением атома и химической связью в простых веществах-металлах.
Тип урока : интегрированный урок усвоения и первичного закрепления новых знаний.
Средства обучения: учебник, рабочие тетради, презентация, карточки с заданиями, коллекции металлов.
Оборудование: ложка, кружка, скрепка, термос, школьный колокольчик, точилка для карандаша, стаканы с горячей водой, проволока алюминиевая, медная.
Этапы урока
Деятельность учителя
Деятельность учеников
I. Организационный момент
Приветствуют учеников. Организуют группы для последующей работы
II. Мотивация. Актуализация знаний (постановка проблемы, формулирование цели урока)
(повторение изученного материала в 8 -м классе)
Учитель химии. Человек существо удивительное и любознательное.
Его всегда интересовали вопросы:
- Почему кровь красная?
- Как золотят купола?
- Почему офицеры, которые ели пищу из серебряной посуды, реже болели желудочно-кишечными заболеваниями?
Оказывается на этот вопрос можно ответить, изучив ту тему, о которой сегодня пойдёт речь на уроке. Для этого попробуйте отгадать загадку.
Пахать и строить - все он может
Если огонь ему поможет
Ответ поищем на столе (там находятся разнообразные металлические изделия). У вас на партах лежат карточки с заданиями ( Приложение 1 ). Ознакомьтесь с ними, пожалуйста, но не заполняйте.
Учащиеся называют тему урока и записывают её в тетрадь (слайд 1).
Сегодня, опираясь на ваш жизненный опыт и знания предыдущих уроков, вы пополните и приобретёте новую информацию о веществах этого класса. А в 9 и 11 классе углубите их, что поможет правильно ответить на вопросы о металлах в материалах ОГЭ и ЕГЭ.
А сейчас мы проведём химическую разминку, которая поможет вам в изучении нового материала.
- Какие металлы вы знаете?
- Расскажите об особенностях их строения (металлическая связь, металлическая кристаллическая решётка, небольшое число электронов на внешнем энергетическом уровне).
-Запишите схему металлической связи.
Учитель физики . Акцентирует внимание на том, что эти электроны свободные.
Учитель химии . Как вы думаете, почему фольгу делают из алюминия, золота.
Вывод: пластичность, ковкость.
Учитель физики . Демонстрация опыта «Что станет с чайной ложкой, погружённой в горячий чай?»
Учитель физики : А почему провода делают из меди, алюминия, иногда золота и серебра?
Учитель химии . А в производстве зеркал используется серебро - почему?
Вывод: металлический блеск.
Все свойства записываем на доске.
Учитель химии . Что же учитывает человек, прежде чем применять металлы на практике?
Давайте вместе определим логическую последовательность в изучении темы.
Обозначьте цифрами порядок изучения: а) применение; б) строение; в) свойства.
Ученики определяют: б, в, а.
Таким образом, к концу урока мы должны знать, каким строением определяются физические свойства металлов и почему они так широко используются человеком.
2.Изучение нового материала .
Учитель химии . Да. Металлы удивительные вещества. Из 110 химических элементов их 88! И только один из них жидкий – ртуть (показать термометр, выясняем причину использования ртути в термометрах).
легкоплавкие металлы (щелочные), тугоплавкие (вольфрам)
мягкие металлы - режутся ножом хром царапает стекло
Демонстрация опыта с натрием и калием .
Столько всего удивительного, что не только химики, но и физики с лириками воскликнули:
Слова М.В.Ломоносова и М. Зощенко (слайд 2).
Посмотрите на слайд о применении металлов - слова здесь не нужны: (слайд 3).
А вот какая интересная история с осмием произошла в ювелирной мастерской короля Испании Карла III :
И хрусталь, оказывается, невозможно сделать без свинца (слайд 4)
О биологической роли металлов можно говорить бесконечно (слайд 5):
( Рассказ учителя о роли ионов кальция, железа, серебра, калия, магния и о их содержании в продуктах питания. Объяснение тех проблемных вопросов, о которых шла речь в начале урока) (слайд 6)
Учитель физики : Современную жизнь невозможно представить без электрической .лампочки. А изобрёл её русский электротехник Александр Николаевич Лодыгин в 1872 г. Время жизни первой лампы накаливания составляло 30 – 40 минут. Впоследствии, время жизни усовершенствованной лампы, достигло 700 – 1000 часов. Современная лампочка – это сплав физики и химии: работает она при прохождении электрического тока, а в её состав входят такие металлы как кобальт, молибден, вольфрам и др. (слайд 7)
В настоящее время правительством разработана программа, по которой через 5 лет эти лампочки изживут себя, и мы будем пользоваться энергосберегающими лампами. Время их жизни около 8000 часов. Они позволят экономить энергию, в том числе и в школе.
Учитель химии. Какой же вывод напрашивается после просмотра и осмысливания слайдов?
Дети: применение вытекает из свойств, а свойства определяются строением.
Ещё раз обратите внимание и внесите в тетрадь эти особенности строения: (слайд 8)
Ученики записывают в тетрадь. Давайте ещё раз назовём эти свойства (слайд 9).
Учитель физики . А теперь проживём их и побудем аниматорами
Физминутка (показ свойств). Звучит приятная музыка.
Учитель химии . «Ах, какая пластика! Поможет нам гимнастика!»
Ребята демонстрируют свою пластичность.
Учитель физики . « Ударит ток нечаянно, и вздрогнешь ты отчаянно!»
Ребята показывают, какое действие может оказать ток на человека. Чтобы такого в жизни не случилось необходимо соблюдать технику безопасности при работе с электрическим током. А теперь давайте познакомимся с физическими свойствами металлов на практике. Для этого проведём лабораторную работу. Работаем по инструктивной карте. (Приложение 2).
Техника безопасности:
Человеческое тело – проводник. Если случайно человек окажется под напряжением более 40В, то в большинстве случаев он не избежит травмы или даже смерти. Поэтому любому человеку, имеющему дело с электричеством, надо помнить следующие правила:
1.Очень опасно одновременное прикосновение двумя руками к двум оголённым проводам.
2.Очень опасно прикосновение к оголённому проводу, стоя на земле, на сыром или цементном полу.
3.Опасно пользоваться неисправными электроприборами.
4.Нельзя собирать, разбирать, исправлять что-либо в электрическом приборе, не отключив его от источника питания.
5.Нельзя проводить какие либо операции с электрической арматурой, не выключив её из сети.
6.Мы пользуемся на уроке напряжением безопасным для жизни 4В. Но правила, оговоренные выше, надо соблюдать.
Учитель химии. « Покажите блеск в глазах и улыбку на губах!»
3. Экспериментальная часть урока
Учитель химии . Сняли напряжение и с новыми силами идём по пути познания.
Как вы думаете, о каком свойстве идёт речь в пословице «Куй железо пока горячо?»
Рассказ учителя об этом свойстве, исторические и занимательные факты о сусальном золоте с указанием самых пластичных металлов.
Объяснение причины особенностью строения: происходит смещение слоёв кристаллической решётке без разрыва связей.
Запись в тетради свойства и особенности строения (слайд 10).
Учитель химии . Скоро зима. Свет включаем раньше - и ток побежит по проводам, батареи отопления начнут отдавать нам тепло…
О каком свойстве сейчас пойдёт речь?
Вывод: тепло-и электропроводность (слайд 11,12)
Учитель физики . Демонстрация опыта. По теплопроводности подогревание медной проволочки с закреплёнными пластилином булавочками.
Рассказ учителя об этом свойстве, о строении, их объясняющем (слайд 13).
Демонстрация опыта. Гальванометр, соединённый с двумя разными проводниками, спаянными между собой. При подогревании места спайки, прибор показывает существование тока.
Чем же создаётся электрический ток? Вернёмся к схеме, показывающей строение металлов. В обычном состоянии в металлах есть и атомы, и ионы , и свободные электроны. Чтобы выяснить природу электрического тока в металлах, мы должны убедиться в том, что свободные электроны движутся.
Немецкий учёный Карл Рикке выдвинул гипотезу о том, что при прохождении эл.тока через металлические проводники их атомы и ионы не перемещаются, остаются на своих местах, ток же создаётся движением свободных электронов.
Для проверки гипотезы Рикке в 1901 г поставил следующий опыт: На трамвайной электрической станции он включил в разрыв провода 3 тесно прижатые цилиндра из меди, алюминия и меди (в учебнике рис 55 на стр 45 ).
Через эти цилиндры ток проходил в течение года.
-Какое явление могло произойти?
После тщательного анализа мест соприкосновения не было обнаружено Cu в Al , и Al в Cu . Перемещения ионов и атомов не происходило.
Вывод: Электрический ток в металлах – упорядоченное движение свободных электронов и не сопровождается переносом вещества.
Запись свойств в тетрадь:
- Металлический блеск.
- Непрозрачность.
- Цвет у большинства металлов светло-серый, исключения: медь – красновато-оранжевого, золото – желтого, цезий – светло-желтого цвета.
- Твердость (исключение: ртуть – жидкий металл).
- Пластичность.
- Теплопроводность.
- Электропроводность.
8. Плотность и температура плавления различны
Таким образом, если в металлах создать электрическое поле, то свободные электроны начинают двигаться упорядоченно под действием электрических сил. Создаётся так называемый электронный газ, который под действием поля начинает дрейфовать – смещаться от « -» к «+» источника тока. Скорость дрейфа очень мала, около 0, 5 мм/с(1 м пути электроны пройдут за 30 мин). Если это так, то электрический ток очень долго должен идти от одного полюса к другому и электрические .приборы будут работать не скоро.
-Но что мы наблюдаем на самом деле?
Включаем лампочку (демонстрируем) и она загорается мгновенно.
Оказывается, электрическое поле распространяется, со скоростью света(300000 км/с) по всей длине проводника. Из-за этой скорости мы не замечаем задержки в зажигании лампочки: все электроны по всему проводнику начинают движение практически одновременно. Говоря о скорости распространения тока, мы имеем в виду скорость распространения электрического поля.
Учитель химии: «Как адский луч, как молния богов немое лезвие злодею в очи блещет»
Какое свойство звучит в стихотворение А.С. Пушкина «Кинжал»?
Учитель физики: Каким свойством света можно объяснить блеск?
Объяснение причин особенностью строения.
Запись в тетради.
Учитель химии . Все ли свойства металлов мы изучили? (внимание на доску).
Давайте попробуем сделать вывод, вспомнив цели нашего урока.
Ученики формулируют выводы, отражая взаимосвязь между строением, свойствами и применением.
Предлагаем их вниманию два (слайд 16 и 17), на внимание и самопроверку. На одном вывод необходимо дополнить, на другом убедиться в его правильности.
III . Закрепление
I .Вариант- тест по физике:
Электрическим током называют:
а) движение электронов по проводнику;
б) упорядоченное движение электронов по проводнику;
в) упорядоченное движение заряженных частиц по проводнику.
2.Какую скорость имеют в виду, когда говорят о скорости распространения электрического тока в проводнике?
а) скорость распространения электрического поля;
б) скорость движения электрических зарядов;
в) скорость упорядоченного движения частиц.
3.Что представляет собой электрический ток в металлах и какое действие тока на проводник используется в электрических лампах?
а) упорядоченное движение электрических зарядов, химическое;
б) упорядоченное движение положительно и отрицательно заряженных ионов, магнитное;
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.
Электрический ток в металлах
В этом листке мы приступаем к подробному изучению того, как осуществляется прохождение электрического тока в различных проводящих средах — твёрдых телах, жидкостях и газах.
Напомним, что необходимым условием возникновения тока является наличие в среде достаточно большого количества свободных зарядов, которые могут начать упорядоченное движение под действием электрического поля. Такие среды как раз и называются проводниками электрического тока.
Наиболее широко распространены металлические проводники. Поэтому начинаем мы с вопросов распространения электрического тока в металлах.
Мы много раз говорили о свободных электронах, которые являются носителями свободных зарядов в металлах. Вам хорошо известно, что электрический ток в металлическом проводнике образуется в результате направленного движения свободных электронов.
Свободные электроны
Металлы в твёрдом состоянии имеют кристаллическую структуру: расположение атомов в пространстве характеризуется периодической повторяемостью и образует геометрически правильный рисунок, называемый кристаллической решёткой.
Атомы металлов имеют небольшое число валентных электронов, расположенных на внешней электронной оболочке. Эти валентные электроны слабо связаны с ядром, и атом легко может их потерять.
Когда атомы металла занимают места в кристаллической решётке, валентные электроны покидают свои оболочки — они становятся свободными и отправляются «гулять» по всему кристаллу (а именно, свободные электроны перемещаются по внешним орбиталям соседних атомов. Эти орбитали перекрываются друг с другом вследствие близкого расположения атомов в кристаллической решётке, так что свободные электроны оказываются «общей собственностью» всего кристалла). В узлах кристаллической решётки металла остаются положительные ионы, пространство между которыми заполнено «газом» свободных электронов (рис. 1 ).
Рис. 1. Свободные электроны
Свободные электроны и впрямь ведут себя подобно частицам газа (другой адекватный образ — электронное море, которое «омывает» кристаллическую решётку) — совершая тепловое движение, они хаотически снуют туда-сюда между ионами кристаллической решётки. Суммарный заряд свободных электронов равен по модулю и противоположен по знаку общему заряду положительных ионов, поэтому металлический проводник в целом оказывается электрически нейтральным.
Газ свободных электронов является «клеем», на котором держится вся кристаллическая структура проводника. Ведь положительные ионы отталкиваются друг от друга, так что кристаллическая решётка, распираемая изнутри мощными кулоновскими силами, могла бы разлететься в разные стороны. Однако в тоже самое время ионы металла притягиваются к обволакивающему их электронному газу и, как ни в чём не бывало, остаются на своих местах, совершая лишь тепловые колебания в узлах кристаллической решётки вблизи положений равновесия.
Что произойдёт, если металлический проводник включить в замкнутую цепь, содержащую источник тока? Свободные электроны продолжают совершать хаотическое тепловое движение, но теперь — под действием возникшего внешнего электрического поля — они вдобавок начнут перемещаться упорядоченно. Это направленное течение электронного газа, накладывающееся на тепловое движение электронов, и есть электрический ток в металле (поэтому свободные электроны называются также электронами проводимости). Скорость упорядоченного движения электронов в металлическом проводнике, как нам уже известно, составляет приблизительно 0,1мм/с.
Опыт Рикке
Почему мы решили, что ток в металлах создаётся движением именно свободных электронов? Положительные ионы кристаллической решётки также испытывают на себе действие внешнего электрического поля. Может, они тоже перемещаются внутри металлического проводника и участвуют в создании тока?
Упорядоченное движение ионов означало бы постепенный перенос вещества вдоль направления электрического тока. Поэтому надо просто пропускать ток по проводнику на протяжении весьма длительного времени и посмотреть, что в итоге получится. Такого рода эксперимент и был поставлен Э.Рикке в 1901 году.
В электрическую цепь были включены три прижатых друг к другу цилиндра: два медных по краям и один алюминиевый между ними (рис. 2 ). По этой цепи пропускался электрический ток в течение года.
Рис. 2. Опыт Рикке
За год сквозь цилиндры прошёл заряд более трёх миллионов кулон. Предположим, что каждый атом металла теряет по одному валентному электрону, так что заряд иона равен элементарному заряду Кл. Если ток создаётся движением положительных ионов, то нетрудно подсчитать (сделайте это сами!), что такая величина прошедшего по цепи заряда соответствует переносу вдоль цепи около 2кг меди.
Однако после разъединения цилиндров было обнаружено лишь незначительное проникновение металлов друг в друга, обусловленное естественной диффузией их атомов (и не более того). Электрический ток в металлах не сопровождается переносом вещества, поэтому положительные ионы металла не принимают участия в создании тока.
Опыт Стюарта–Толмена
Прямое экспериментальное доказательство того, что электрический ток в металлах создаётся движением свободных электронов, было дано в опыте Т.Стюарта и Р.Толмена (1916 год).
Эксперименту Стюарта–Толмена предшествовали качественные наблюдения, сделанные четырьмя годами ранее русскими физиками Л.И.Мандельштамом и Н.Д.Папалекси. Они обратили внимание на так называемый электроинерционный эффект: если резко затормозить движущийся проводник, то в нём возникает кратковременный импульс тока. Эффект объясняется тем, что в течение небольшого времени после торможения проводника его свободные заряды продолжают двигаться по инерции.
Однако никаких количественных результатов Мандельштам и Папалекси не получили, и наблюдения их опубликованы не были. Честь назвать опыт своим именем принадлежит Стюарту и Толмену, которые не только наблюдали указанный электроинерционный эффект, но и произвели необходимые измерения и расчёты.
Установка Стюарта и Толмена показана на рис. 3 .
Рис. 3. Опыт Стюарта–Толмена
Катушка большим числом витков металлического провода приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы обмотки с помощью скользящих контактов были подсоединены к специальному прибору — баллистическому гальванометру, который позволяет измерять проходящий через него заряд.
После резкого торможения катушки в цепи возникал импульс тока. Направление тока указывало на то, что он вызван движением отрицательных зарядов. Измеряя баллистическим гальванометром суммарный заряд, проходящий по цепи, Стюарт и Толмен вычислили отношение заряда одной частицы к её массе. Оно оказалось равно отношению для электрона, которое в то время уже было хорошо известно.
Так было окончательно выяснено, что носителями свободных зарядов в металлах являются свободные электроны. Как видите, этот давно и хорошо знакомый вам факт был установлен сравнительно поздно — учитывая, что металлические проводники к тому моменту уже более столетия активно использовались в самых разнообразных экcпериментах по электромагнетизму (сравните, например, с датой открытия закона Ома — 1826 год. Дело, однако, заключается в том, что сам электрон был открыт лишь в 1897 году).
Зависимость сопротивления от температуры
Опыт показывает, что при нагревании металлического проводника его сопротивление увеличивается. Как это объяснить?
Причина проста: с повышением температуры тепловые колебания ионов кристаллической решётки становятся более интенсивными, так что число соударений свободных электронов с ионами возрастает. Чем активнее тепловое движение решётки, тем труднее электронам пробираться сквозь промежутки между ионами (Представьте себе вращающуюся проходную дверь. В каком случае труднее проскочить через неё: когда она вращается медленно или быстро? :-)). Скорость упорядоченного движения электронов уменьшается, поэтому уменьшается и сила тока (при неизменном напряжении). Это и означает увеличение сопротивления.
Как опять-таки показывает опыт, зависимость сопротивления металлического проводника от температуры с хорошей точностью является линейной:
Здесь — сопротивление проводника при . График зависимости (1) является прямой линией (рис. 4 ).
Множитель называется температурным коэффициентом сопротивления. Его значения для различных металлов и сплавов можно найти в таблицах.
Длина проводника и его площадь поперечного сечения при изменении температуры меняются несущественно. Выразим и через удельное сопротивление:
и подставим эти формулы в (1) . Получим аналогичную зависимость удельного сопротивления от температуры:
Коэффициент весьма мал (для меди, например, ), так что температурной зависимостью сопротивления металла часто можно пренебречь. Однако в ряде случаев считаться с ней приходиться. Например, вольфрамовая спираль электрической лампочки раскаляется до такой степени, что её вольт-амперная характеристика оказывается существенно нелинейной.
Рис. 5. Вольт-амперная характеристика лампочки
Так, на рис. 5 приведена вольт-амперная характеристика автомобильной лампочки. Если бы лампочка представляла собой идеальный резистор, её вольт-амперная характеристика была прямой линией в соответствии с законом Ома. Эта прямая изображена синим пунктиром.
Однако по мере роста напряжения, приложенного к лампочке, график отклоняется от этой прямой всё сильнее и сильнее. Почему? Дело в том, что с увеличением напряжения ток через лампочку возрастает и больше разогревает спираль; сопротивление спирали поэтому также увеличивается. Следовательно, сила тока хотя и продолжит возрастать, но будет иметь всё меньшее и меньшее значение по сравнению с тем, которое предписывается «пунктирной» линейной зависимостью тока от напряжения.
Методическая разработка урока по теме: "электрический ток в металлах"
Оборудование: интерактивный комплекс SMART Board Notebook, локальная сеть компьютеров, интернет.
Метод ведения урока: комбинированный.
Эпиграф урока:
Науку все глубже постигнуть стремись,
Познанием вечного жаждой томись.
Лишь первых познаний блеснет тебе свет,
Узнаешь: предела для знания нет.
Фирдоуси
(Персидский и таджикский поэт, 940-1030 гг.)
II. Работа в группах
V. Домашнее задание
- Здравствуйте, ребята! Садитесь. Сегодня наша работа будет проходить по группам.
Задания группам:
I. Физическая природа зарядов в металлах.
III. Опыт Стюарта, Толмена. Опыт Мандельштама, Папалекси.
IV. Теория Друде.
V. Вольт-амперная характеристика металлов. Закон Ома.
VI. Зависимость сопротивления проводников от температуры.
Содержание заданий, выполненных в группах.
1. Электрическая проводимость представляет собой способность веществ проводить электрический ток под действием внешнего электрического поля.
По физической природе зарядов – носителей электрического тока, электропроводность подразделяют на:
2. Для каждого вещества при заданных условиях характерна определенная зависимость силы тока от разности потенциалов.
По удельному сопротивлению вещества принято делить на:
А) проводники (p Ом*м)
Б) диэлектрики (p > 10 -8 Ом*м)
В) полупроводники (10 -2 Ом*м> p>10 -8 Ом*м)
Однако такое деление условно, т. к. под воздействием ряда факторов (нагревания, облучения, примеси) удельное сопротивление веществ и их вольт - амперная характеристика изменяются, и иногда очень существенно.
3. Носителями свободных зарядов в металлах являются электроны. Доказано классическими опытами К. Рикке (1901 г.) – немецкий физик; Л.И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси (1913 г.) – наши соотечественники; Т. Стюартом и Р. Толменом (1916 г.) – американские физики.
Опыт К. Рикке
Три предварительно взвешенных цилиндра (два медных и один алюминиевый) Рикке сложил отшлифованными торцами так, что алюминиевый оказался между медными. Затем цилиндры были включены в цепь постоянного тока: через них в течение года проходил большой ток. За то время через электрические цилиндры прошел электрический заряд, равный приблизительно 3.5 млн Кл. Вторичное взаимодействие цилиндров, проводившееся с до 0.03 мг, показало, что масса цилиндров в результате опыта не изменилась. При исследовании соприкасавшихся торцов под микроскопом было установлено, что имеются лишь незначительные следы проникновения металлов, которые не превышают результатов обычной диффузии атомов в твердых телах. Результаты опыта свидетельствовали о том, что в переносе заряда в металлах ионы не участвуют.
Л.И. Мандельштам
Н. . Папалекси
Опыт Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси
Русские ученые Л. И. Мандельштам (1879—1949; основатель школы радиофизиков) и Н. Д. Папалекси (1880—1947; крупнейший советский физик, академик, председатель Всесоюзного научного совета по радиофизике и радиотехнике при АН СССР) в 1913 году поставили оригинальный опыт. Взяли катушку с проводом и стали крутить ее в разные стороны.
Раскрутят, к примеру, по часовой стрелке, потом резко остановят и — назад.
Рассуждали они примерно так: если электроны и вправду обладают массой, то, когда катушка внезапно останавливается, электроны еще некоторое время должны двигаться по инерции. Движение электронов по проводу — электрический ток. Как задумали, так и получилось. Подсоединили к концам провода телефон и услышали звук. Раз в телефоне слышен звук, следовательно, через него ток протекает.
Опыт Т. Стюарта и Р. Толмен
Возьмём катушку, которая может вращаться вокруг своей оси. Концы катушки с помощью скользящих контактов замкнуты на гальванометр. Если находящуюся в быстром вращении катушку резко затормозить, то свободные электроны в проволоке продолжат двигаться по инерции, в результате чего гальванометр должен зарегистрировать импульс тока.
Теория Друде
Электроны в металле рассматриваются как электронный газ, к которому можно применить кинетическую теорию газов. Считается, что электроны, как и атомы газа в кинетической теории, представляют собой одинаковые твердые сферы, которые движутся по прямым линиям до тех пор, пока не столкнутся друг с другом. Предполагается, что продолжительность отдельного столкновения пренебрежимо мала, и что между молекулами не действует никаких иных сил, кроме возникающих в момент столкновения. Так как электрон - отрицательно заряженная частица, то для соблюдения условия электронейтральности в твердом теле также должны быть частицы другого сорта - положительно заряженные. Друде предположил, что компенсирующий положительный заряд принадлежит гораздо более тяжелым частицам (ионам), которые он считал неподвижными. Во времена Друде не было ясно, почему в металле существуют свободные электроны и положительно заряженные ионы, и что эти ионы из себя представляют. Ответы на эти вопросы смогла дать только квантовая теория твердого тела. Для многих веществ, однако, можно просто считать, что электронный газ составляют слабо связанные с ядром внешние валентные электроны, которые в металле "освобождаются" и получают возможность свободно передвигаться по металлу, тогда как атомные ядра с электронами внутренних оболочек (атомные остовы) остаются неизменными и играют роль неподвижных положительных ионов теории Друде.
Электрический ток в металлах
Все металлы являются проводниками электрического тока и состоят из пространственной кристаллической решетки, узлы которой совпадают с центрами положительных ионов, а вокруг ионов хаотически движутся свободные электроны.
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 10 23 - 10 29 м -3 и почти не зависит от температуры.
2. Свободные электроны в металлах находятся в непрерывном хаотическом движении.
3. Электрический ток в металле образуется только за счет упорядоченного движения свободных электронов.
4. Сталкиваясь с ионами, колеблющимися в узлах кристаллической решетки, электроны отдают им избыточную энергию. Вот почему при прохождении тока проводники нагреваются.
Электрический ток в металлах.
Где v – средняя скорость направленного движения заряженных частиц, S – площадь поперечного сечения проводника, n – концентрация электронов проводимости.
Оценка скорости движения свободных электронов в проводнике при S= 1 м , I = 10 A
Отметим, что скорость распространения тока в проводнике равна скорости распространения электромагнитных волн в вакууме c = 3*10 8
Из закона Ома для участка цепи следует, что вольт-амперная характеристика металлов – прямая линия
Напомним, что , где p – удельное сопротивление, l – длина, S – площадь поперечного сечения проводника.
Сверхпроводимость
Явление уменьшения удельного сопротивления до нуля при температуре, отличной от абсолютного нуля, называется сверхпроводимостью. Материалы обнаруживающие способность переходить при некоторых температурах, отличных от абсолютного нуля, в сверхпроводящее состояние, называются сверхпроводниками.
Прохождение тока в сверхпроводнике происходит без потерь энергии, поэтому однажды возбужденный в сверхпроводящем кольце электрический ток может существовать неограниченно долго без изменения.
Сверхпроводящий материалы уже используются в электромагнитах. Ведутся исследования, направленные на создание сверхпроводящих линий электропередачи.
Применение явления сверхпроводимости в широкой практике может стать реальностью в ближайшие годы благодаря открытию в 1986 г. Сверхпроводимости керамик – соединений лантана, бария, меди и кислорода. Сверхпроводимость таких керамик сохраняется до температур около 100 К.
Молодцы, ребята! С работой справились отлично. Получилась хорошая презентация. Спасибо за урок!
Читайте также: