Головна ⇒ 📌Плани-конспекти уроків по фізиці ⇒ Електричний струм у металах

Електричний струм у металах

1-й семестр

ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ЯВИЩА

2. Електричний струм

Урок 24/30

Тема. Електричний струм у металах

Мета уроку: з’ясувати фізичну природу електричного струму в металах.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

План уроку

Демонстрації

10 хв.

1. Залежність опору провідників від температури.

2. Фрагменти відеофільмів “Електричний струм у металах” і “Надпровідність”

Вивчення нового матеріалу

30 хв.

1. Електронна

провідність металів.

2. З’ясуємо, чому виникає електричний опір у металах.

3. Переконаємося в тому, що опір металів залежить від температури.

4. Знайомимося з явищем надпровідності

Закріплення вивченого матеріалу

5 хв.

1. Контрольні питання.

2. Учимося розв’язувати задачі

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Електронна провідність металів

Класична електронна теорія так пояснює розходження властивостей провідників і діелектриків: в одних тілах наявні вільні носії зарядів, що можуть переміщатися в різних напрямках, а в інших тілах носії електричних

зарядів зв’язані і можуть лише трохи зміщуватися в той чи інший бік.

З-поміж твердих тіл зустрічаються тіла однакові за хімічним складом, але різні за електричними властивостями (наприклад, алмаз і графіт). Електричні властивості залежать, мабуть, від типу зв’язку атомів у твердих тілах. За фізичною природою зарядів – носіїв електричного струму в даному середовищі електропровідність поділяється на такі види: електронну, іонну та змішану.

Між атомами в кристалах існує ковалентний зв’язок, за якого електрони слабко утримуються іонами кристалічних решіток. Ці так звані вільні електрони провідності можуть створювати струм у металах.

Природа носіїв зарядів у металах доведена класичними дослідами Рікке, Мандельштамма-Папалексі та Толмена-Стюарта.

Досвід Рікке дозволяє зробити висновок, що струм у металах здійснюється не іонами, а електронами. У цьому досліді з трьох послідовно з’єднаних металевих циліндрів (мідного, алюмінієвого й мідного) однакового радіуса й довжини було утворене коло. Через нього протягом року пропускали струм. Загалом через циліндри пройшов заряд 3,5-106 Кл. Ніяких слідів міді чи алюмінію при цьому не виявилося. Отже, електропровідність металів обумовлена переміщенням таких заряджених частинок, що, будучи загальними для всіх металів, не пов’язані з відмінностями їхніх фізичних і хімічних властивостей. Такими частинками є електрони.

Прямі свідчення електронної природи струму в металі дали досліди Мандельштама-Папалексі (1913) і Толмена-Стюарта (1916).

У цих дослідах було встановлене відношення заряду електрона до його маси: що відповідає виявленому раніше з інших дослідів.

2. З’ясуємо, чому виникає електричний опір у металах

За відсутності електричного поля вільні електрони рухаються безладно. Поводження електронів при цьому нагадує поводження молекул у газі. Тому структуру металу можна уявити як іонний кістяк, поміщений в електронний газ.

O Концентрація електронів провідності для більшості металів значна (1028-1029 м-3). Цим пояснюється гарна провідність металів.

У зовнішньому електричному полі рух електронів уже не буде цілком хаотичним: вони одержують додаткову швидкість спрямованого руху в напрямку позитивного полюса джерела струму. Електрони починають спрямовано переміщатися між іонами, що знаходяться у вузлах кристалічних решіток, і виникає електричний струм.

Під час руху електрони зіштовхуються з іонами кристалічних решіток. Ці зіткнення гальмують спрямований рух електронів. Так спрощено можна пояснити причину електричного опору провідників. Під час зіткнення електрони передають іонам енергію, накопичену в електричному полі, що призводить до нагрівання провідника. Так звучить пояснення закону Джоуля-Ленца.

3. Переконаймося в тому, що опір металів залежить від температури.

Оскільки зі збільшенням температури зростає швидкість коливального руху іонів у кристалічних решітках металу, то ймовірність зіткнень електронів з іонами різко зростає. Можна припустити, що в разі підвищення температури опір металів збільшується.

Як показують досліди, опір R провідника лінійно залежить від його температури:

Де R0 – опір за 0 °C, t – температура, – температурний коефіцієнт опору.

4. Знайомимося з явищем надпровідності

1911 року голландський учений Г. Камерлінг-Оннес експериментально досліджував опір ртуті за низької температури. Під час охолодження ртуті рідким гелієм до температури 4,1 К (близько -269 °С) її опір падав до нуля. Це явище одержало назву надпровідності.

Властивість надпровідності виявлена в багатьох металів (свинець, алюміній та ін.) і значній кількості сплавів. 1986 – 1987 рр. були відкриті високотемпературні надпровідники. Їхній опір перетворюється на нуль за температури 100 К.

Явище надпровідності широко використовується в науці й техніці. Наприклад, надпровідні матеріали застосовують для одержання сильних магнітних полів. Якщо обмотку електромагніту виготовити з надпровідного провідника, то сила струму в обмотці досягає великих значень і, відповідно, електромагніт створює сильне магнітне поле.

Практичне застосування надпровідності безупинно розширюється. Особливо великі надії покладаються на використання високотемпературних надпровідників.

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1). Якісні питання

1. Як показати, що одні тіла є провідниками, а інші – непровідниками?

2. Як рухаються електрони провідності в металевому провіднику, коли в ньому: а) немає електричного поля; б) створене електричне поле?

3. Чому струм при замиканні кола починає текти одночасно по всіх провідниках?

4. З якою швидкістю поширюється в провіднику електричне поле?

2). Навчаємося розв’язувати задачі

1. Сила струму в провіднику 1 А. Скільки електронів проходить через поперечний переріз проводу за 1 нс? (Відповідь: 6,25-109.)

2. До якої температури треба охолодити мідний провід, щоб його опір зменшився на 20 %? Початкова температура дорівнює 0 °С. (Відповідь: -47 °С.)

Що ми дізналися на уроці

– Електричний струм у металах являє собою спрямований рух вільних електронів.