Тема урока: "Электрический ток в металлах"
Цели урока:
- раскрыть понятие физической природы электрического тока в
металлах, опытное подтверждение электронной теории;
- продолжить формирование естественно - научных представлений по
изучаемой теме
- создать условия для формирования познавательного интереса,
активности учащихся
- формированию навыков;
- формированию коммуникативного общения.
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.)
План урока.
I. Оргмомент
II. Работа в группах
III. Обсуждение итогов, монтаж презентации
IV. Рефлексия
V. Домашнее задание
Ход урока
- Здравствуйте, ребята! Садитесь. Сегодня наша работа будет
проходить по группам.
Задания группам:
I. Физическая природа зарядов в металлах.
II. Опыт К.Рикке.
III. Опыт Стюарта, Толмена. Опыт Мандельштама, Папалекси.
IV. Теория Друде.
V. Вольт-амперная характеристика металлов. Закон Ома.
VI. Зависимость сопротивления проводников от температуры.
VII. Сверхпроводимость.
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:
А) электронную,
Б) ионную,
В) смешанную.
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 < 10-2 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.
К. Рикке
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.
Т. Стюарт
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.
П. Друде
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 1023- 1029м-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*108
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!
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.