Leksjonsemne: Elektrisk strøm i metaller.
En leksjon i å lære nye ting med elementer av kontroll og repetisjon.
Utstyr: presentasjon, installasjon for et eksperiment med å endre motstand avhengig av temperatur.
Mål og målsettinger. 1. Å utvikle kunnskap om det grunnleggende i den elektroniske teorien om ledningsevne av metaller, eksperimentell underbyggelse og anvendelse av teorien i praksis.
2. Utvid elevenes horisont med en historie om fenomenet superledning.
3. Lære å anvende kunnskap om motstandens avhengighet av temperatur i problemløsning.
4. Å fremme patriotiske følelser gjennom å bli kjent med historien til oppdagelser innen faststoff-fysikk.
Timeplan. (ved lysbilder)
1. I dag i timen.
2. La oss gjenta. Det gis spørsmål som krever kunnskap når man skal lære noe nytt.
3. Studie av nye ting: a) elektrisk ledningsevne av forskjellige stoffer b) arten av ladningsbærere i metaller; c) teori om elektrisk ledningsevne av metaller; d) avhengighet av motstand på temperatur; e) motstandstermometre; f) superledning og dens anvendelser.
4. Kontrolltest. (Sjekk etter museklikk).
5. Konsolidering. Tre problemer foreslås angående motstandens avhengighet av temperatur. Svarene vises etter et museklikk. Elevene tar de nødvendige konstante parameterne fra tabellene.
Se dokumentinnholdet
"Presentasjon for leksjonen "Elektrisk strøm i metaller", klasse 10."
Elektrisk strøm i metaller
Svetlana Nikolaevna Savvateeva, fysikklærer ved Kemetskaya Secondary School, Bologovsky-distriktet, Tver-regionen.
I DAG I KLASSEN
Hemmeligheten blir klar. Hva skjuler seg bak konseptet "Nåværende bærere i metaller"?
Hva er vanskelighetene med den klassiske teorien om elektrisk ledningsevne av metaller?
Hvorfor brenner glødelamper ut?
Hvorfor brenner de ut når de er slått på?
Hvordan miste motstand?
LA OSS GJENTE
- Hva er elektrisk strøm?
- Hva er betingelsene for eksistensen av strøm?
- Hvilke effekter av strøm kjenner du til?
- Hva er retningen til strømmen?
- Hvilken verdi bestemmer strømstyrken i en elektrisk krets?
- Hva er enheten for strøm?
- Hvilke mengder er strømmen avhengig av?
- Hva er hastigheten på strømutbredelsen i en leder?
- Hva er hastigheten på ordnet elektronbevegelse?
- Er motstand avhengig av strøm og spenning?
- Hvordan er Ohms lov formulert for en del av en kjede og for en komplett kjede?
LADSBÆRERS ART I METALLER
Rikkes erfaring (tysk) – 1901 år! M = const, dette er ikke ioner!
Mandelstam og Papaleksi (1913)
Stewart og Tolman (1916)
I retning av strømmen -
Av І J I - q ⁄ m = e ⁄ m ) er elektroner!
Elektrisk strøm i metaller er den rettet bevegelse av elektroner.
Teori om elektrisk ledningsevne av metaller
P. Druse, 1900:
- frie elektroner - "elektrongass";
- elektroner beveger seg i samsvar med Newtons lover;
- frie elektroner kolliderer med krystallioner. gitter;
- ved kollisjon overfører elektroner sin kinetiske energi til ionene;
- gjennomsnittshastigheten er proporsjonal med spenningen og derfor potensialforskjellen;
R= f ( ρ, l, s, t)
motstandstermometre
Fordeler: Hjelper med å måle svært lave og svært høye temperaturer.
superledning
Kvikksølv i flytende helium
Forklaringen er basert på kvanteteori.
D. Bardeen, L. Cooper, D. Schrieffer (amerikansk) og
N. Bogolyubov (sovjetisk student i 1957)
Og:
- oppnå høye strømmer og magnetiske felt;
- overføring av elektrisitet uten tap.
Kontrolltest
- Hvordan beveger frie elektroner seg i metaller?
A. I en strengt definert rekkefølge. B. Uordnet. B. Ordent.
- Hvordan beveger frie elektroner seg i metaller under påvirkning av et elektrisk felt?
A. Uordnet. B. Ordent. B. Bestilt i retning av det elektriske feltet. D. Bestilt i motsatt retning av det elektriske feltet.
- . Hvilke partikler er lokalisert på stedene for krystallgitteret til metaller og hvilken ladning har de?
A. Negative ioner. B. Elektroner. B. Positive ioner.
- Hvilken effekt av elektrisk strøm brukes i elektriske lamper?
A. Magnetisk. B. Termisk. B. Kjemisk. G. Lys og termisk.
- Bevegelsen til hvilke partikler anses å være strømretningen i en leder?
A. Elektronov. B. Negative ioner. B. Positive ladninger.
- Hvorfor varmes metaller opp når strømmen går gjennom dem?
A. Frie elektroner kolliderer med hverandre. B. Frie elektroner kolliderer med ioner. B. Ioner kolliderer med ioner.
- Hvordan endres motstanden til metaller når de avkjøles?
A. Øker. B. Avtar. B. Endres ikke.
1 . B. 2.G. 3.B. 4.G. 5.B. 6.B. 7.B.
LØSE PROBLEMER
1. Elektrisk motstand til wolframglødetråden til en elektrisk lampe ved en temperatur på 23 °C er lik 4 ohm.
Finn den elektriske motstanden til tråden ved 0°C.
(Svar: 3,6 ohm)
2. Den elektriske motstanden til et wolframfilament ved 0°C er 3,6 ohm. Finn elektrisk motstand
Ved en temperatur på 2700 K.
(Svar: 45,5 ohm)
3. Den elektriske motstanden til en ledning ved 20 °C er 25 Ohm, ved en temperatur på 60 °C er den 20 Ohm. Finne
Temperaturkoeffisient for elektrisk motstand.
(Svar: 0,0045 K¯¹)
Lysbilde 2
Elektrisk strøm i metaller er den ordnede bevegelsen av elektroner under påvirkning av et elektrisk felt. Eksperimenter viser at når det går strøm gjennom en metallleder, overføres ingen substans, derfor tar ikke metallioner del i overføringen av elektrisk ladning.
Lysbilde 3
E.Rikkes erfaring
I disse forsøkene ble en elektrisk strøm ført i et år gjennom tre godt polerte sylindre presset mot hverandre - kobber, aluminium og igjen kobber. Den totale ladningen som gikk gjennom sylindrene i løpet av denne tiden var veldig stor (ca. 3,5 * 106 C). Etter fullføring ble det funnet at det bare var mindre spor av gjensidig penetrasjon av metaller, som ikke oversteg resultatene av vanlig diffusjon av atomer i faste stoffer. Målinger utført med høy grad av nøyaktighet viste at massen til hver av sylindrene forble uendret. Siden massene av kobber- og aluminiumatomer skiller seg betydelig fra hverandre, ville massen til sylindrene måtte endres merkbart dersom ladningsbærerne var ioner.
Lysbilde 4
Erfaring med E. Rikke
Lysbilde 5
Derfor er gratis ladningsbærere i metaller ikke ioner. Den enorme ladningen som gikk gjennom sylindrene ble tilsynelatende båret av partikler som er like i både kobber og aluminium. Som kjent er slike partikler en del av atomene til alle stoffer - disse er elektroner. Det er naturlig å anta at strømmen i metaller utføres av frie elektroner.
Lysbilde 6
Opplevelsen til T. Stewart og R. Tolman
En spole med et stort antall omdreininger av tynn tråd ble drevet til rask rotasjon rundt sin akse. Endene av spolen ble koblet ved hjelp av fleksible ledninger til et følsomt ballistisk galvanometer. Den ikke-vridde spolen ble kraftig bremset, og det oppsto en kortvarig strøm i kretsen på grunn av tregheten til ladningsbærerne. Den totale ladningen som strømmet gjennom kretsen ble målt ved avbøyningen av galvanometernålen.
Lysbilde 7
R. Tolman
Lysbilde 8
T. Stewart og R. Tolman bestemte eksperimentelt den spesifikke ladningen til partikler. Han viste seg å være likeverdig
Lysbilde 9
På begynnelsen av 1900-tallet skapte den tyske fysikeren P. Drude og den nederlandske fysikeren H. Lorenz den klassiske teorien om elektrisk ledningsevne til metaller.
Lysbilde 10
Grunnleggende prinsipper for teorien
Den gode ledningsevnen til metaller forklares av tilstedeværelsen av et stort antall elektroner i dem. Under påvirkning av et eksternt elektrisk felt legges ordnet bevegelse over den tilfeldige bevegelsen av elektroner, dvs. strøm oppstår.
Lysbilde 11
3. Styrken til den elektriske strømmen som strømmer gjennom en metallleder er lik:
Lysbilde 12
4. Siden den indre strukturen til ulike stoffer er forskjellig, vil også motstanden være forskjellig. 5. Med en økning i den kaotiske bevegelsen av partikler av et stoff, varmes kroppen opp, d.v.s. varmeavgivelse. Joule-Lenz lov:
Lysbilde 13
6. For alle metaller, når temperaturen øker, øker også motstanden. R=R0(1+at) hvor en - temperaturkoeffisient; R0 - resistivitet og motstand til metalllederen; og R – lederens resistivitet og lederens motstand ved temperatur t.
Lysbilde 14
Superledningsevne
Egenskapen til noen materialer til å ha strengt tatt null elektrisk motstand under en viss temperatur. Det er mange rene grunnstoffer, legeringer og keramikk som blir superledende.
Lysbilde 15
I 1911 oppdaget den nederlandske fysikeren Kamerlingh Onnes at når kvikksølv avkjøles i flytende helium, endres motstanden først gradvis, og synker deretter kraftig til null ved en temperatur på 4,2 K. Imidlertid er null motstand ikke det eneste kjennetegnet ved superledning. Det er også kjent fra Drudes teori at ledningsevnen til metaller øker med synkende temperatur, det vil si at den elektriske motstanden har en tendens til null.
Lysbilde 16
H. Kamerlingh-Onnes
Som nevnt i siste kapittel er metaller det vanligste mediet som leder elektrisk strøm. Og ladningsbærere er frie elektroner. I denne forbindelse er det en spesiell terminologi, ifølge hvilken ledningsevnen til metaller kalles elektronisk ledningsevne, og elektronene til metallet selv kalles ledningselektroner.
Dette faktum ble på ingen måte postulert, men ble testet og bevist uavhengig av mange forskere ved bruk av forskjellige metoder. For eksempel utførte den tyske fysikeren Karl Ricke et eksperiment ved å føre en strøm på 0,1 A i et år gjennom tre polerte sylindre: en aluminium og to kobber. På slutten av forsøket (og i løpet av denne tiden en enorm ladning i ) passerte gjennom kretsen, skjedde det ingen endringer i strukturen til sylindrene, med unntak av svak diffusjon (fig. 1). Og hvis ladningsbærerne ikke var elektroner, men ioner, ville det være en overføring av stoffet i en sylinder til stoffet til en annen, og selvfølgelig, som et resultat av et så langt eksperiment, den kjemiske strukturen til sylindrene ville endre.
Ris. 1. Opplegg av Rikkes forsøk
Et annet eksperiment for å bekrefte den elektroniske ledningsevnen til metaller var eksperimentet fra 1912 av russiske forskere Mangelshtam og Papaleksi, som også ble utført kort tid senere av engelskmennene Stewart og Tolman. I løpet av dette eksperimentet roterte en spole med et stort antall omdreininger raskt og ble så plutselig redusert. Som et resultat viste et galvanometer lukket sammen med det i en krets tilstedeværelsen av en liten strøm (fig. 2).
Ris. 2. Opplegg for Mangelshtam-Papalexi-eksperimentet
Faktum er at, sammen med den snurrende spolen, roterer elektronene i metallet selvfølgelig også. Når spolen bremser, fortsetter elektronene å bevege seg inne i spolen en stund ved treghet, og produserer dermed en strøm.
Superledningsevne
Definisjon. Superledning er et fenomen når motstanden til en leder blir nær null.
Oppdagelsen av fenomenet superledning ble innledet av produksjonen av flytende helium i 1908 av nederlenderen Kamerlingh Onnes (fig. 4). Ved å plassere en lederprøve i flytende helium ble det mulig å observere oppførselen til ledere ved ultralave temperaturer (nær 0 ). Og i 1911 fant Onnes at kvikksølv ved en temperatur på rundt 4 K plutselig får en motstand lik null.
Ris. 4. Kamerling Onnes ()
Eksperimentene hans med kvikksølv ble innledet av eksperimenter med platina, som et resultat av at han slo fast at jo renere stoffet er (jo færre urenheter det inneholder), desto raskere avtar motstanden med synkende temperatur. På grunn av den flytende tilstanden til kvikksølv under normale forhold, var dette metallet veldig enkelt å rengjøre fra urenheter. Og følgende avhengighet av resistiviteten til kvikksølv på lave temperaturer ble etablert: den lineære reduksjonen blir avbrutt av et hopp til null (fig. 5):
Ris. 5.
Fenomenet superledning er forklart fra kvantefysikkens synspunkt.
For å anslå hvor mange ledningselektroner det er i et metall, må du forstå at hvert metallatom gir minst ett fritt elektron. I gjennomsnitt er konsentrasjonen av ledningselektroner:
Og som en modell for oppførselen til frie elektroner kan vi ta gassmodellen. Hvert elektron i en elektrongass oppfører seg som et separat gassmolekyl. Når et eksternt elektrisk felt vises, legges ordnet bevegelse over den kaotiske bevegelsen av elektroner. Det er denne bevegelsen som forårsaker elektrisk strøm.
Den vanligste effekten av strøm er termisk effekt. Som allerede nevnt i siste kapittel, er mekanismen for denne handlingen kollisjonen av elektroner med nodene til krystallgitteret, som et resultat av at den kinetiske energien til elektronene omdannes til lederens indre energi.
I sin tur, etter å ha økt intern energi, begynner gitternoder å vibrere raskere, og kolliderer med elektroner oftere. Det vil si at elektroner bremses mer effektivt. Med andre ord, når temperaturen på lederen øker, øker dens elektriske motstand.
Et enkelt eksperiment som bekrefter denne teoretiske konklusjonen kan være oppvarming av lederen i en krets med lampen og måleinstrumentene slått på (se fig. 3).
Ris. 3.
Når lederen varmes opp, vil lampen begynne å lyse mindre sterkt, og instrumentene vil begynne å vise et fall i strømstyrken.
Etter kvalitativ bekreftelse av motstandens avhengighet av temperatur, ble det oppnådd en kvantitativ avhengighet. Etter en rekke eksperimenter ble det funnet at den relative økningen i motstand er direkte proporsjonal med den absolutte økningen i temperatur:
Her: - motstand ved en gitt temperatur, - motstand ved temperatur; - temperaturendringer i forhold til ; - temperaturkoeffisient for motstand. Temperaturkoeffisienten er en tabellverdi kjent for de fleste metaller. Koeffisientdimensjon:
Siden de lineære dimensjonene til lederne endres litt når temperaturen endres, betyr dette at resistiviteten endres, og i henhold til samme lov:
Anvendelser av superledning
Bruken av superledning letter i stor grad mange tekniske aspekter ved bruk av elektrisk strøm. For det første betyr ingen motstand ingen varmetap, som typisk utgjør 15 % av den totale energien. Som bekreftelse kan vi sitere eksperimentet med å føre strøm gjennom en leder nedsenket i flytende helium i to år, som bare ble avbrutt på grunn av mangel på helium. Fraværet av oppvarming og energitap er ekstremt viktig for elektriske motorer og elektroniske datamaskiner.
I tillegg, på grunn av mangelen på motstand, flyter ekstremt høye strømmer i superledere, og skaper sterke magnetiske felt, som kan brukes i termonukleær fusjon.
Et husholdningseksempel på bruk av superledere er det eksisterende jernbanenettet med magnetiske levitasjonstog (fig. 6):
Ris. 6. Magnetisk levitasjonstog
Høytemperatur superledere
Etter oppdagelsen av superledning, oppdaget Onnes, som prøvde å lage en superledende elektromagnet, at endringer i strøm, eller magnetiske felt, ødelegger effekten av superledning. Først ved midten av det tjuende århundre var det mulig å lage superledende elektromagneter.
Også en ekstremt viktig oppdagelse ble gjort i 1986. Det er oppdaget materialer som viser superledning ved temperaturer rundt . Slike temperaturer kan oppnås ved bruk av flytende nitrogen, som er mye billigere enn flytende helium. Men når de prøvde å lage slike superledende ledninger og kabler, møtte de problemet med den ekstreme skjørheten til slike materialer, som smuldrer under rulleprosessen. For øyeblikket pågår det et arbeid med å løse dette problemet.
I neste leksjon skal vi se på elektrisk strøm i halvledere.
Bibliografi
- Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Fysikk (grunnnivå) - M.: Mnemosyne, 2012.
- Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. Fysikk 10. klasse. - M.: Ilexa, 2005.
- Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z., Slobodskov B.A. Fysikk. Elektrodynamikk. - M.: 2010.
- Storage.mstuca.ru ().
- Physics.ru ().
- Elementer ().
Hjemmelekser
HVA ER ELEKTRISK STRØM I METALLER?
Elektrisk strøm i metaller – Dette er den ordnede bevegelsen av elektroner under påvirkning av et elektrisk felt. Eksperimenter viser at når det går strøm gjennom en metallleder, overføres ingen substans, derfor tar ikke metallioner del i overføringen av elektrisk ladning.
ELEKTRISK STRØMS ART I METALLER
Elektrisk strøm i metallledere forårsaker ingen endringer i disse lederne, bortsett fra deres oppvarming.
Konsentrasjonen av ledningselektroner i et metall er veldig høy: i størrelsesorden er den lik antall atomer per volumenhet av metallet. Elektroner i metaller er i kontinuerlig bevegelse. Deres tilfeldige bevegelse ligner bevegelsen til ideelle gassmolekyler. Dette ga grunn til å tro at elektroner i metaller danner en slags elektrongass. Men hastigheten på tilfeldig bevegelse av elektroner i et metall er mye større enn hastigheten til molekyler i en gass.
ERFARING AV E. RICKE
Den tyske fysikeren Karl Ricke gjennomførte et eksperiment der elektrisk strøm ble ført i et år gjennom tre jordsylindere presset mot hverandre - kobber, aluminium og igjen kobber. Etter fullføring ble det funnet at det bare var mindre spor av gjensidig penetrasjon av metaller, som ikke oversteg resultatene av vanlig diffusjon av atomer i faste stoffer. Målinger utført med høy grad av nøyaktighet viste at massen til hver sylinder forble uendret. Siden massene av kobber- og aluminiumatomer skiller seg betydelig fra hverandre, ville massen til sylindrene måtte endres merkbart dersom ladningsbærerne var ioner. Derfor er gratis ladningsbærere i metaller ikke ioner. Den enorme ladningen som gikk gjennom sylindrene ble tilsynelatende båret av partikler som er like i både kobber og aluminium. Det er naturlig å anta at det er frie elektroner som utfører strømmen i metaller.
Karl Victor Eduard Rikke
OPPLEV L.I. MANDELSHTAM OG N.D. PAPALEXI
Russiske vitenskapsmenn L.I. Mandelstam og N.D. Papaleksi utførte et originalt eksperiment i 1913. Trådspolen begynte å bli vridd i forskjellige retninger. De vil snurre den med klokken, deretter stoppe den brått og deretter tilbake. De resonnerte noe sånt som dette: hvis elektroner virkelig har masse, så når spolen plutselig stopper, bør elektronene fortsette å bevege seg ved treghet i en stund. Og slik ble det. Vi koblet en telefon til endene av ledningen og hørte en lyd, som betydde at det gikk strøm gjennom den.
Mandelstam Leonid Isaakovich
Nikolay Dmitrievich Papalexi (1880-1947)
OPPLEVELSEN TIL T. STEWART OG R. TOLMAN
Erfaringen til Mandelstam og Papaleksi ble gjentatt i 1916 av amerikanske vitenskapsmenn Tolman og Stewart.
- En spole med et stort antall omdreininger av tynn tråd ble brakt til rask rotasjon rundt sin akse. Endene av spolen ble koblet ved hjelp av fleksible ledninger til et følsomt ballistisk galvanometer. Den ikke-vridde spolen ble kraftig bremset, og det oppsto en kortvarig strøm i kretsen på grunn av tregheten til ladningsbærerne. Den totale ladningen som strømmet gjennom kretsen ble målt ved avbøyningen av galvanometernålen.
Butler Stuart Thomas
Richard Chase Tolman
KLASSISK ELEKTRONISK TEORI
Antakelsen om at elektroner er ansvarlige for den elektriske strømmen i metaller eksisterte allerede før eksperimentet til Stewart og Tolman. I 1900 skapte den tyske forskeren P. Drude, basert på hypotesen om eksistensen av frie elektroner i metaller, sin elektroniske teori om metallledningsevne, oppkalt etter klassisk elektronteori . I følge denne teorien oppfører elektroner i metaller seg som en elektrongass, omtrent som en ideell gass. Det fyller rommet mellom ionene som danner metallkrystallgitteret
Figuren viser banen til et av de frie elektronene i krystallgitteret til et metall
GRUNNLEGGENDE BESTEMMELSER I TEORIEN:
- Tilstedeværelsen av et stort antall elektroner i metaller bidrar til deres gode ledningsevne.
- Under påvirkning av et eksternt elektrisk felt legges ordnet bevegelse over den tilfeldige bevegelsen av elektroner, dvs. strøm oppstår.
- Styrken til den elektriske strømmen som går gjennom en metallleder er lik:
- Siden den indre strukturen til ulike stoffer er forskjellig, vil også motstanden være forskjellig.
- Med en økning i den kaotiske bevegelsen av partikler av et stoff, varmes kroppen opp, dvs. varmeavgivelse. Joule-Lenz-loven overholdes her:
l = e * n * S * Ū d
SUPERLEDNING AV METALLER OG LEGERINGER
- Noen metaller og legeringer har superledning, egenskapen til å ha strengt tatt null elektrisk motstand når de når en temperatur under en viss verdi (kritisk temperatur).
Fenomenet superledning ble oppdaget av den nederlandske fysikeren H. Kamerlingh - Ohness i 1911 for kvikksølv (T cr = 4,2 o K).
ANVENDELSESOMRÅDE ELEKTRISK AKTUELL:
- oppnå sterke magnetiske felt
- overføring av elektrisitet fra kilde til forbruker
- kraftige elektromagneter med superledende viklinger i generatorer, elektriske motorer og akseleratorer, i varmeapparater
For tiden er det et stort problem i energisektoren knyttet til store tap under overføring av elektrisitet gjennom ledninger.
Mulig løsning på problemet:
Bygging av ekstra kraftledninger - utskifting av ledninger med større tverrsnitt - økning i spenning - fasedeling