Тема урока.Электрический ток в металлах.
Урок изучения нового с элементами контроля и повторения.
Оборудование: презентация, установка для опыта по изменению сопротивления в зависимости от температуры.
Цели и задачи. 1. Сформировать знания основ электронной теории проводимости металлов, опытного обоснования и применения теории на практике.
2. Расширить кругозор учащихся рассказом о явлении сверхпроводимости.
3.Научить применять знания зависимости сопротивления от температуры в решении задач.
4.Воспитывать патриотические чувства через ознакомление с историей открытий в области физики твердого тела.
План урока. (по слайдам)
1.Сегодня на уроке.
2.Повторим. Даны вопросы, знания которых требуется при изучении нового.
3. Изучение нового: а) электропроводносчть разных веществ;б) природа носителей зарядов в металлах; в) теория электропроводности металлов; г) зависимость сопротивления от температуры; д) термометры сопротивления; е) сверхпроводимость и ее применение.
4. Контрольный тест. (Проверка после клика мышью).
5. Закрепление. Предложены 3 задачи на зависимость сопротивления от температуры. Ответы проявляются после клика мышью. Необходимые постоянные параметры ученики берут из таблиц.
Просмотр содержимого документа
«Презентация к уроку "Электрический ток в металлах", 10 класс.»
Электрический ток в металлах
Савватеева Светлана Николаевна, учитель физики МБОУ «Кемецкая СОШ» Бологовского района Тверской области.
СЕГОДНЯ НА УРОКЕ
Тайное становится явным. Что скрывается за понятием « Носители тока в металлах» ?
Каковы трудности классической теории электропроводности металлов?
Почему лампы накаливания перегорают?
Почему они перегорают при включении?
Как потерять сопротивление?
ПОВТОРИМ
- Что такое электрический ток?
- Каковы условия существования тока?
- Какие действия тока вам известны?
- Что принято за направление тока?
- Какой величиной определяется сила тока в электрической цепи?
- Что принимают за единицу силы тока?
- От каких величин зависит сила тока?
- Какова скорость распространения тока в проводнике?
- Какова скорость упорядоченного движения электронов?
- Зависит ли сопротивление от силы тока и напряжения?
- Как формулируется закон Ома для участка цепи и для полной цепи?
ПРИРОДА НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В МЕТАЛЛАХ
Опыт Рикке (нем.) – 1901 г. Год! M = const, это не ионы!
Мандельштам и Папалекси (1913 г.)
Стюарт и Толмен (1916 г.)
По направлению тока -
По І J I - q ⁄ m = e ⁄ m } это электроны!
Электрический ток в металлах -- направленное движение электронов.
Теория электропроводимости металлов
П. Друзе, 1900 г.:
- свободные электроны – « электронный газ»;
- электроны движутся в соответствие с законами Ньютона;
- свободные электроны сталкиваются с ионами крист. решетки;
- при столкновении электроны передают ионам свою кинетическую энергию;
- средняя скорость пропорциональна напряженности и, следовательно разности потенциалов;
R= f ( ρ, l, s, t)
термометры сопротивления
Преимущества: помогают измерять очень низкие и очень высокие температуры.
сверхпроводимость
Ртуть в жидком гелии
Объяснение – на основе квантовой теории.
Д. Бардин, Л. Купер, Д. Шриффер (амер.) и
Н. Боголюбов (сов. уч. В 1957 г.)
А также:
- получение больших токов, магнитных полей;
- передача электроэнергии без потерь.
Контрольный тест
- Как движутся свободные электроны в металлах?
А. В строгом определенном порядке. Б. Беспорядочно. В. Упорядоченно.
- Как движутся свободные электроны в металлах под действием электрического поля?
А. Беспорядочно. Б. Упорядоченно. В. Упорядоченно в направлении электрического поля. Г. Упорядоченно в направлении противоположном электрическому полю.
- . Какие частицы располагаются в узлах кристаллической решетки металлов и какой заряд они имеют?
А. Отрицательные ионы. Б. Электроны. В. Положительные ионы.
- Какое действие электрического тока используется в электролампах?
А. Магнитное. Б. Тепловое. В. Химическое. Г. Световое и тепловое.
- Движение каких частиц принято за направление тока в проводнике?
А.Электронов. Б. Отрицательных ионов. В. Положительных зарядов.
- Почему металлы нагреваются при прохождении по ним тока?
А. Свободные электроны сталкиваются друг с другом. Б. Свободные электроны сталкиваются с ионами. В. Ионы сталкиваются с ионами.
- Как изменяется сопротивление металлов при охлаждении их?
А. Увеличивается. Б. Уменьшается. В. Не изменяется.
1 . Б. 2.Г. 3.В. 4.Г. 5.В. 6.Б. 7.Б.
РЕШИ ЗАДАЧИ
1.Электрическое сопротивление вольфрамовой нити электрической лампы при температуре 23 °C равно 4 Ом.
Найдите электрическое сопротивление нити при 0°C.
(Ответ: 3,6 Ом)
2. Электрическое сопротивление вольфрамовой нити при 0°C равно 3,6 Ом. Найдите электрическое сопротивление
При температуре 2700 К.
(Ответ: 45,5 Ом)
3. Электрическое сопротивление проволоки при 20 °C равно 25 Ом, при температуре 60°C равно 20 Ом. Найдите
Температурный коэффициент электрического сопротивления.
(Ответ: 0,0045 К¯¹)
Слайд 2
Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение электронов под действием электрического поля. Опыты показывают, что при протекании тока по металлическому проводнику не происходит переноса вещества, следовательно, ионы металла не принимают участия в переносе электрического заряда.
Слайд 3
Опыт Э.Рикке
В этих опытах электрический ток пропускали в течении года через три прижатых друг к другу, хорошо отшлифованных цилиндра - медный, алюминиевый и снова медный. Общий заряд, прошедший за это время через цилиндры, был очень велик (около 3,5*106 Кл). После окончания было установлено, что имеются лишь незначительные следы взаимного проникновения металлов, которые не превышают результатов обычной диффузии атомов в твёрдых телах. Измерения, проведённые с высокой степенью точности, показали, что масса каждого из цилиндров осталась неизменной. Поскольку массы атомов меди и алюминия существенно отличаются друг от друга, то масса цилиндров должна была бы заметно измениться, если бы носителями заряда были ионы.
Слайд 4
Опыт Э. Рикке
Слайд 5
Следовательно, свободными носителями заряда в металлах являются не ионы. Огромный заряд, который прошёл через цилиндры, был перенесён, очевидно, такими частицами, которые одинаковы и в меди, и в алюминии. Как известно, такие частицы входят в состав атомов всех веществ - это электроны. Естественно предположить, что ток в металлах осуществляют именно свободные электроны.
Слайд 6
Опыт Т.Стюарта и Р.Толмена
Катушка с большим числом витков тонкой проволоки приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы катушки с помощью гибких проводов были присоединены к чувствительному баллистическому гальванометру. Раскрученная катушка резко тормозилась, и в цепи возникал кратковременных ток, обусловленный инерцией носителей заряда. Полный заряд, протекающий по цепи, измерялся по отбросу стрелки гальванометра.
Слайд 7
Р. Толмен
Слайд 8
Т.Стюарт и Р.Толмен определили экспериментально удельный заряд частиц. Он оказался равным
Слайд 9
В начале 20 века немецкий физик П. Друде и голландский физик Х.Лоренц создали классическую теорию электропроводности металлов.
Слайд 10
Основные положения теории
Хорошая проводимость металлов объясняется наличием в них большого числа электронов. Под действием внешнего электрического поля на беспорядочное движение электронов накладывается упорядоченное движение, т.е. возникает ток.
Слайд 11
3. Сила электрического, тока идущего по металлическому проводнику равна:
Слайд 12
4. Так как внутреннее строение у разных веществ различное, то и сопротивление тоже будет различным. 5. При увеличении хаотического движения частиц вещества происходит нагревание тела, т.е. выделение тепла. Закон Джоуля-Ленца:
Слайд 13
6. У всех металлов с увеличением температуры растет и сопротивление. R=R0(1+at) где a - температурный коэффициент; R0 – удельное сопротивление и сопротивление металлического проводника; и R – удельное сопротивление проводника и сопротивление проводника при температуре t.
Слайд 14
Сверхпроводимость
Cвойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением ниже определённой температуры. Существует множество чистых элементов, сплавов и керамик, переходящих в сверхпроводящее состояние.
Слайд 15
В 1911 году голландский физик Камерлинг-Оннес обнаружил, что при охлаждении ртути в жидком гелии её сопротивление сначала меняется постепенно, а затем при температуре 4,2 К резко падает до нуля. Однако нулевое сопротивление - не единственная отличительная черта сверхпроводимости. Ещё из теории Друде известно, что проводимость металлов увеличивается с понижением температуры, то есть электрическое сопротивление стремится к нулю.
Слайд 16
Х. Камерлинг-Оннес
Как уже отмечалось в прошлой главе, металлы являются самой распространенной средой, проводящей электрический ток. И носителями зарядов являются свободные электроны. В связи с этим существует особая терминология, в соответствии с которой проводимость металлов называется электронной проводимостью, а сами электроны металла - электронами проводимости.
Этот факт ни в коей мере не постулировался, а был проверен и доказан независимо многими учеными разными методами. Например, немецкий физик Карл Рикке проводил опыт по пропусканию тока в 0,1 А в течении года через три отполированных цилиндра: одного алюминиевого и двух медных. По истечению эксперимента (а за это время по цепи прошел огромный заряд в ) никаких изменений в структуре цилиндров не произошло, за исключением небольшой диффузии (рис. 1). А если бы носителями заряда были не электроны, а ионы, то тогда был бы перенос вещества одного цилиндра в вещество другого, и, конечно же, в результате столь длительного эксперимента, химическое строение цилиндров изменилось бы.
Рис. 1. Схема опыта Рикке
Еще одним опытом по подтверждению электронной проводимости металлов стал опыт 1912 года российских ученых Мангельштама и Папалекси, спустя небольшое время проведенный также англичанами Стюартом и Толменом. В ходе этого опыта катушка с большим количеством витков быстро вращалась, а затем резко тормозилась. В результате чего замкнутый вместе с ней в цепь гальванометр показывал наличие небольшого тока (рис. 2).
Рис. 2. Схема опыта Мангельштама-Папалекси
Дело в том, что вместе с раскручиваемой катушкой вращаются, конечно же, и находящиеся в металле электроны. Когда же катушка тормозится, электроны некоторое время продолжают двигаться внутри катушки по инерции, производя таким образом ток.
Сверхпроводимость
Определение . Сверхпроводимость - явление, когда сопротивление проводника становится близким к нулю.
Открытию явления сверхпроводимости предшествовало получение в 1908 году голландцем Камерлингом Оннесом (рис. 4) жидкого гелия. Помещая образец проводника в жидкий гелий, стало возможным наблюдать поведение проводников при сверхнизких температурах (близко к 0 ). И в 1911 году Оннес установил, что ртуть при температуре около 4 К резко приобретает сопротивление, равное нулю.
Рис. 4. Камерлинг Оннес ()
Его опытам с ртутью предшествовали опыты с платиной, в результате которых он установил, что чем чище вещество (чем меньше в нем примесей), тем быстрее уменьшается его сопротивление с уменьшением температуры. Благодаря жидкому состоянию ртути при нормальных условиях, этот металл очень легко было очистить от примесей. И была установлена следующая зависимость удельного сопротивления ртути от низких температур: линейное снижение прерывается скачком к нулю (рис. 5):
Рис. 5.
Явление сверхпроводимости объясняется с точки зрения квантовой физики.
Чтобы оценить, как много в металле тех самых электронов проводимости, нужно понимать, что каждый атом металла обеспечивает как минимум один свободный электрон. В среднем, концентрация электронов проводимости составляет:
И в качестве модели поведения свободных электронов можно принять модель газа. Каждый электрон электронного газа ведет себя, как отдельно взятая молекула газа. При появлении внешнего электрического поля на хаотическое движение электронов накладывается упорядоченное движение. Именно это движение и обуславливает электрический ток.
Самое распространенное действие тока - это тепловое действие. Как уже было отмечено в прошлой главе, механизмом этого действия является столкновение электронов с узлами кристаллической решетки, в результате чего кинетическая энергия электронов переходит во внутреннюю энергию проводника.
В свою очередь, имея повышенную внутреннюю энергию, узлы решетки начинают колебаться быстрее, чаще сталкиваясь с электронами. То есть электроны тормозятся более эффективно. Иными словами при увеличении температуры проводника увеличивается его электрическое сопротивление.
Простым опытом, подтверждающим этот теоретический вывод, может служить нагревание проводника в цепи со включенной лампой и измерительными приборами (см. рис. 3).
Рис. 3.
По мере прогревания проводника как лампа начнет светить менее ярко, так и приборы станут показывать падение силы тока.
После качественного подтверждения зависимости сопротивления от температуры была получена количественная зависимость. После ряда экспериментов было выяснено, что относительное приращение сопротивления прямо пропорционально абсолютному приращению температуры:
Здесь: - сопротивление при заданной температуре, - сопротивление при температуре ; - изменение температуры относительно ; - температурный коэффициент сопротивления. Температурный коэффициент - табличная величина, известная для большинства металлов. Размерность коэффициента:
Так как при изменении температуры линейные размеры проводников меняются незначительно, значит, меняется удельное сопротивление, причем по такому же закону:
Применение сверхпроводимости
Применение сверхпроводимости чрезвычайно облегчает многие технические аспекты использования электрического тока. Во-первых, отсутствие сопротивления означает отсутствие каких-либо потерь на нагревание, которые, как правило, составляют 15% всей энергии. Как подтверждение можно привести опыт по двухгодичному пропусканию тока через проводник, погруженный в жидкий гелий, который прервался только из-за нехватки гелия. Отсутствие нагревания и потерь энергии на него чрезвычайно важно для электродвигателей и электронной вычислительной техники.
Кроме того в сверхпроводниках протекают из-за отсутствия сопротивления чрезвычайно высокие токи, создающие сильные магнитные поля, что может применяться при термоядерном синтезе.
Бытовой пример использования сверхпроводников - это существующая на сегодняшний момент железнодорожная сеть с поездами на магнитной подушке (рис. 6):
Рис. 6. Поезд на магнитной подушке
Высокотемпературные сверхпроводники
После открытия сверхпроводимости 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.
Также чрезвычайно важное открытие было сделано в 1986 году. Были обнаружены материалы, обладающие сверхпроводимостью при температурах около . Такие температуры возможно получать, используя жидкий азот, который значительно дешевле жидкого гелия. Однако при попытке создания таких сверхпроводящих проводов и кабелей столкнулись с проблемой чрезвычайной хрупкости таких материалов, которые рассыпаются в процессе прокатки. На данный момент продолжаются работы по решению этой проблемы.
На следующем уроке мы рассмотрим электрический ток в полупроводниках.
Список литературы
- Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) - М.: Мнемозина, 2012.
- Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. - М.: Илекса, 2005.
- Мякишев Г.Я., Синяков А.З., Слободсков Б.А. Физика. Электродинамика. - М.: 2010.
- Storage.mstuca.ru ().
- Physics.ru ().
- Элементы ().
Домашнее задание
ЧТО ПРЕДСТАВЛЯЕТ СОБОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В МЕТАЛЛАХ?
Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение электронов под действием электрического поля. Опыты показывают, что при протекании тока по металлическому проводнику не происходит переноса вещества, следовательно, ионы металла не принимают участия в переносе электрического заряда.
ПРИРОДА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА В МЕТАЛЛАХ
Электрический ток в металлических проводниках никаких изменений в этих проводниках, кроме их нагревания, не вызывает.
Концентрация электронов проводимости в металле очень велика: по порядку величины она равна числу атомов в единице объёма металла. Электроны в металлах находятся в непрерывном движении. Их беспорядочное движение напоминает движение молекул идеального газа. Это дало основание считать, что электроны в металлах образуют своеобразный электронный газ. Но скорость беспорядочного движения электронов в металле значительно больше скорости молекул в газе.
ОПЫТ Э.РИККЕ
Немецкий физик Карл Рикке провёл опыт, в котором электрический ток пропускал в течении года через три прижатых друг к другу, отшлифованных цилиндра - медный, алюминиевый и снова медный. После окончания было установлено, что имеются лишь незначительные следы взаимного проникновения металлов, которые не превышают результатов обычной диффузии атомов в твёрдых телах. Измерения, проведённые с высокой степенью точности, показали, что масса каждого из цилиндров осталась неизменной. Поскольку массы атомов меди и алюминия существенно отличаются друг от друга, то масса цилиндров должна была бы заметно измениться, если бы носителями заряда были ионы. Следовательно, свободными носителями заряда в металлах являются не ионы. Огромный заряд, который прошёл через цилиндры, был перенесён, очевидно, такими частицами, которые одинаковы и в меди, и в алюминии. Естественно предположить, что ток в металлах осуществляют именно свободные электроны.
Карл Виктор Эдуард Рикке
ОПЫТ Л.И. МАНДЕЛЬШТАМА И Н.Д. ПАПАЛЕКСИ
Русские ученые Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси в 1913 году поставили оригинальный опыт. Катушку с проводом стали крутить в разные стороны. Раскрутят, 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. Так и получилось. Подсоединили к концам провода телефон и услышали звук, а это означало что через него протекает ток.
Мандельштам Леонид Исаакович
Николай Дмитриевич Папалекси (1880-1947)
ОПЫТ Т.СТЮАРТА И Р.ТОЛМЕНА
Опыт Мандельштама и Папалекси в 1916 году повторили американские ученые Толмен и Стюарт.
- Катушка с большим числом витков тонкой проволоки приводили в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы катушки с помощью гибких проводов присоединили к чувствительному баллистическому гальванометру. Раскрученная катушка резко тормозилась, в цепи возникал кратковременных ток, обусловленный инерцией носителей заряда. Полный заряд, протекающий по цепи, измерялся по отбросу стрелки гальванометра.
Батлер Стюарт Томас
Ричард Чейз Толмен
КЛАССИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕОРИЯ
Предположение о том, что за электрический ток в металлах ответственны электроны, существовало и до проведения опыта Стюарта и Толмена. В 1900 году немецкий ученый П. Друде на основании гипотезы о существовании свободных электронов в металлах создал свою электронную теорию проводимости металлов, названную после классической электронной теорией . Согласно этой теории, электроны в металлах ведут себя как электронный газ, во многом схожий с идеальным газом. Он заполняет пространство между ионами, образующими кристаллическую решетку металла
На рисунке показана траектория одного из свободных электронов в кристаллической решетке металла
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ:
- Наличие большого числа электронов в металлах способствует их хорошей проводимости.
- Под действием внешнего электрического поля на беспорядочное движение электронов накладывается упорядоченное движение, т.е. возникает ток.
- Сила электрического тока, идущего по металлическому проводнику, равна:
- Так как внутреннее строение у разных веществ различное, то и сопротивление тоже будет различным.
- При увеличении хаотического движения частиц вещества происходит нагревание тела, т.е. выделение тепла. Здесь соблюдается закон Джоуля-Ленца:
l = e * n * S * Ū д
СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
- Некоторые металлы и сплавы обладают сверхпроводимостью, свойством обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определённого значения (критическая температура).
Явление сверхпроводимости было обнаружено голландским физиком Х.Камерлингом – Онессом в 1911 году у ртути (Т кр =4,2 о К).
ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА:
- получение сильных магнитных полей
- передача электроэнергии от источника к потребителю
- мощные электромагниты со сверхпроводящей обмоткой в генераторах, электродвигателях и ускорителях, в нагревательных приборах
В настоящее время в энергетике существует большая проблема, связанная с большими потерями при передаче электроэнергии по проводам.
Возможное решение проблемы:
Строительство дополнительных ЛЭП - замена проводов на большие поперечные сечения - повышение напряжения - расщепление фазы