Главная Участок

Общая физика. Электрический ток в металлах. Презентация по физике на тему "электрический ток в металлах" Презентации по физике ток в металлах

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?

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОВОДИМОСТЬ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ

Мандельштам и Папалекси (1913 г.)

Стюарт и Толмен (1916 г.)

По направлению тока - < 0

По І J I - q ⁄ m = e ⁄ m } это электроны!

Опыт Рикке (нем.) – 1901 г. Год! M = const, это не ионы!

ПРИРОДА НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В МЕТАЛЛАХ

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.)

Применение сверхпроводимости!

получение больших токов, магнитных полей;
передача электроэнергии без потерь.

Контрольный тест

Как движутся свободные электроны в металлах?
Как движутся свободные электроны в металлах под действием электрического поля?
.Какие частицы располагаются в узлах кристаллической решетки металлов и какой заряд они имеют?
Какое действие электрического тока используется в электролампах?
Движение каких частиц принято за направление тока в проводнике?
Почему металлы нагреваются при прохождении по ним тока?
Как изменяется сопротивление металлов при охлаждении их?

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.

Лектор: к. ф.-м. н., доцент
Веретельник Владимир Иванович

Электрический ток в металлах

1.
2.
3.
4.
5.
Опыт Толмена-Стьюарта.
Классическая теория проводимости
металлов - Теория Друде-Лоренца.
Закон Ома и закон Джоуля- Ленца из
классической теории электропроводности.
Сверхпроводимость.
Электронно-дырочный переход.
Транзисторы.

Электрический ток в металлах

Электрический ток в металлах – это
упорядоченное движение электронов под
действием электрического поля.
Наиболее убедительное доказательство
электронной природы тока в металлах было
получено в опытах с инерцией электронов
(Опыт Толмена и Стьюарта).
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.

Электрический ток в металлах

Раскрученная катушка резко
тормозилась, и в цепи возникал
кратковременных ток, обусловленный
инерцией носителей заряда.
Полный заряд, протекающий по цепи,
измерялся по отбросу стрелки
гальванометра.

Электрический ток в металлах

При торможении вращающейся катушки на каждый
носитель заряда e действует тормозящая сила, которая
играет роль сторонней силы, то есть силы
неэлектрического происхождения.
Сторонняя сила, отнесенная к единице заряда, по
определению является напряженностью Eст поля
сторонних сил:
Следовательно, в цепи при торможении катушки
возникает электродвижущая сила:

Электрический ток в металлах

где l – длина проволоки катушки. За время торможения
катушки по цепи протечет заряд q, равный:
Здесь I – мгновенное значение силы тока в катушке, R –
полное сопротивление цепи, υ0 – начальная линейная
скорость проволоки.
Отсюда удельный заряд e / m свободных носителей тока
в металлах равен:
По современным данным модуль заряда электрона
(элементарный заряд) равен

Электрический ток в металлах

Удельный заряд
Хорошая электропроводность металлов
объясняется высокой концентрацией
свободных электронов, равной по порядку
величины числу атомов в единице объема.
Предположение о том, что за электрический ток
в металлах ответственны электроны, возникло
значительно раньше опытов Толмена и Стюарта.
Еще в 1900 году немецкий ученый П. Друде на
основе гипотезы о существовании свободных
электронов в металлах создал электронную
теорию проводимости металлов.

Электрический ток в металлах

Эта теория получила развитие в работах голландского
физика Х. Лоренца и носит название классической
электронной теории.
Согласно этой теории, электроны в металлах ведут себя
как электронный газ, во многом похожий на идеальный
газ.
Электронный газ заполняет пространство между ионами,
образующими кристаллическую решетку металла
Из-за взаимодействия с ионами электроны могут
покинуть металл, лишь преодолев так называемый
потенциальный барьер.
Высота этого барьера называется работой выхода.
При обычных (комнатных) температурах у электронов не
хватает энергии для преодоления потенциального
барьера.

Электрический ток в металлах

Согласно теории Друде–Лоренца,
электроны обладают такой же средней
энергией теплового движения, как и
молекулы одноатомного идеального
газа.
Это позволяет оценить среднюю
скорость теплового движения
электронов по формулам молекулярнокинетической теории.
При комнатной температуре она
оказывается примерно равной 105 м/с.

Электрический ток в металлах

При наложении внешнего
электрического поля в
металлическом проводнике кроме
теплового движения электронов
возникает их упорядоченное
движение (дрейф), то есть
электрический ток.

Электрический ток в металлах

Оценка величины дрейфовой скорости
показывает, что для металлического
проводника сечением 1 мм2, по которому
течет ток 10 А, эта величина лежит в
пределах 0,6–6 мм/c.
Таким образом, средняя скорость
упорядоченного движения электронов в
металлических проводниках на много
порядков меньше средней скорости их
теплового движения.

Электрический ток в металлах

Малая скорость дрейфа на противоречит
опытному факту, что ток во всей цепи
постоянного тока устанавливается практически
мгновенно.
Замыкание цепи вызывает распространение
электрического поля со скоростью c = 3·108 м/с.
Через время порядка l / с (l – длина цепи)
вдоль цепи устанавливается стационарное
распределение электрического поля и в ней
начинается упорядоченное движение
электронов.

Электрический ток в металлах

В классической электронной теории металлов
предполагается, что движение электронов
подчиняется законам механики Ньютона.
В этой теории пренебрегают взаимодействием
электронов между собой, а их взаимодействие
с положительными ионами сводят только к
соударениям.
Предполагается также, что при каждом
соударении электрон передает решетке всю
накопленную в электрическом поле энергию и
поэтому после соударения он начинает
движение с нулевой дрейфовой скоростью.

Электрический ток в металлах

Несмотря на то, что все эти допущения являются
весьма приближенными, классическая электронная
теория качественно объясняет законы электрического
тока в металлических проводниках.
Закон Ома. В промежутке между соударениями на
электрон действует сила, равная по модулю eE, в
результате чего он приобретает ускорение
Поэтому к концу свободного пробега дрейфовая
скорость электрона равна

Электрический ток в металлах

где τ – время свободного пробега,
которое для упрощения расчетов
предполагается одинаковым для всех
электронов.
Среднее значение скорости дрейфа
равно половине максимального
значения:

Электрический ток в металлах

Рассмотрим проводник длины l и сечением S с
концентрацией электронов n.
Ток в проводнике может быть записан в виде:
где U = El – напряжение на концах проводника.
Полученная формула выражает закон Ома для
металлического проводника.
Электрическое сопротивление проводника
равно:

Электрический ток в металлах

Удельное сопротивление ρ и удельная
проводимость σ выражаются
соотношениями:
Закон Джоуля–Ленца. К концу
свободного пробега электроны
приобретают под действием поля
кинетическую энергию

Электрический ток в металлах

Согласно сделанным предположениям,
вся эта энергия передается решетке при
соударении и переходит в тепло.
За время Δt каждый электрон
испытывает Δt / τ соударений.
В проводнике сечением S и длины l
имеется nSl электронов.
Отсюда следует, что выделяемое в
проводнике за время Δt тепло равно:

Электрический ток в металлах

Это соотношение выражает
закон Джоуля–Ленца.
Таким образом, классическая электронная
теория объясняет существование
электрического сопротивления металлов,
законы Ома и Джоуля–Ленца.
Однако в ряде вопросов классическая
электронная теория приводит к выводам,
находящимся в противоречии с опытом.

Электрический ток в металлах

Эта теория не может, например, объяснить, почему
молярная теплоемкость металлов, также как и молярная
теплоемкость диэлектрических кристаллов, равна 3R,
где R – универсальная газовая постоянная (закон
Дюлонга и Пти.)
Классическая электронная теория не может также
объяснить температурную зависимость удельного
сопротивления металлов.
Теория дает
в то время как из эксперимента
получается зависимость ρ ~ T.
Однако наиболее ярким примером расхождения теории и
опытов является сверхпроводимость.

Электрический ток в металлах

При некоторой определенной
температуре Tкр, различной для разных
веществ, удельное сопротивление
скачком уменьшается до нуля.
Критическая температура у ртути равна
4,1 К, у алюминия 1,2 К, у олова 3,7 К.
Сверхпроводимость наблюдается не
только у элементов, но и у многих
химических соединений и сплавов.

Электрический ток в металлах

Например, соединение ниобия с оловом
(Ni3Sn) имеет критическую температуру
18 К.
Некоторые вещества, переходящие при
низких температурах в сверхпроводящее
состояние, не являются проводниками
при обычных температурах.
В то же время такие «хорошие»
проводники, как медь и серебро, не
становятся сверхпроводниками при
низких температурах.

Электрический ток в металлах

Вещества в сверхпроводящем
состоянии обладают
исключительными свойствами.
Практически наиболее важным их
них является способность
длительное время (многие годы)
поддерживать без затухания
электрический ток, возбужденный в
сверхпроводящей цепи.

Электрический ток в металлах

Классическая электронная теория не
способна объяснить явление
сверхпроводимости. Объяснение
механизма этого явления было дано
только через 60 лет после его открытия
на основе квантово-механических
представлений.
Научный интерес к сверхпроводимости
возрастал по мере открытия новых
материалов с более высокими
критическими температурами.

Электрический ток в металлах

Значительный шаг в этом направлении произошел в
1986 году, когда было обнаружено, что у одного сложного
керамического соединения Tкр = 35 K.
Уже в следующем 1987 году физики сумели создать
новую керамику с критической температурой 98 К,
превышающей температуру жидкого азота (77 К).
Явление перехода веществ в сверхпроводящее
состояние при температурах, превышающих температуру
кипения жидкого азота, было названо
высокотемпературной сверхпроводимостью.
В 1988 году было создано керамическое соединение на
основе элементов Tl–Ca–Ba–Cu–O с критической
температурой 125 К.
Следует отметить, что до настоящего времени механизм
высокотемпературной сверхпроводимости керамических
материалов до конца не выяснен.

1.
2.
3.
4.
Качественное отличие полупроводников от
металлов.
Электронно-дырочный механизм
проводимости чистых беспримесных
полупроводников.
Электронная и дырочная проводимость
примесных полупроводников. Донорные и
акцепторные примеси.
Электронно-дырочный переход.
Полупроводниковый диод. Транзистор.

Электрический ток в полупроводниках

К числу полупроводников относятся
многие химические элементы (германий,
кремний, селен, теллур, мышьяк и др.),
огромное количество сплавов и
химических соединений.
Почти все неорганические вещества
окружающего нас мира –
полупроводники.
Самым распространенным в природе
полупроводником является кремний,
составляющий около 30 % земной коры.

Электрический ток в полупроводниках

Качественное отличие
полупроводников от металлов
проявляется прежде всего в
зависимости удельного
сопротивления от температуры.

Электрический ток в полупроводниках

Такой ход зависимости ρ(T) показывает,
что у полупроводников концентрация
носителей свободного заряда не
остается постоянной, а увеличивается с
ростом температуры.
Рассмотрим качественно этот механизм
на примере германия (Ge).
В кристалле кремния (Si) механизм
аналогичен.

Электрический ток в полупроводниках

Атомы германия имеют четыре слабо
связанных электрона на внешней оболочке.
Их называют валентными электронами.
В кристаллической решетке каждый атом
окружен четырьмя ближайшими соседями.
Связь между атомами в кристалле германия
является ковалентной, т. е. осуществляется
парами валентных электронов.
Каждый валентный электрон принадлежит двум
атомам.

Электрический ток в полупроводниках

Валентные электроны в кристалле германия
гораздо сильнее связаны с атомами, чем в
металлах.
Поэтому концентрация электронов
проводимости при комнатной температуре в
полупроводниках на много порядков меньше,
чем у металлов.
Вблизи абсолютного нуля температуры в
кристалле германия все электроны заняты в
образовании связей.
Такой кристалл электрического тока не
проводит.

Электрический ток в полупроводниках

Парно-электронные связи в кристалле
германия и образование электроннодырочной пары.

Электрический ток в полупроводниках

При повышении температуры некоторая
часть валентных электронов может
получить энергию, достаточную для
разрыва ковалентных связей.
Тогда в кристалле возникнут свободные
электроны (электроны проводимости).
Одновременно в местах разрыва связей
образуются вакансии, которые не заняты
электронами.
Эти вакансии получили название
«дырок».

Электрический ток в полупроводниках

Вакантное место может быть занято
валентным электроном из соседней
пары, тогда дырка переместиться на
новое место в кристалле.
Если полупроводник помещается в
электрическое поле, то в упорядоченное
движение вовлекаются не только
свободные электроны, но и дырки,
которые ведут себя как положительно
заряженные частицы.

Электрический ток в полупроводниках

Поэтому ток I в полупроводнике
складывается из электронного In и
дырочного Ip токов:
I = In + Ip.
Электронно-дырочный механизм
проводимости проявляется только
у чистых (т. е. без примесей)
полупроводников. Он называется
собственной электрической
проводимостью полупроводников.

Электрический ток в полупроводниках

При наличии примесей
электропроводимость полупроводников
сильно изменяется.
Например, добавка примесей фосфора в
кристалл кремния в количестве 0,001
атомного процента уменьшает удельное
сопротивление более чем на пять
порядков.
Такое сильное влияние примесей может
быть объяснено на основе изложенных
выше представлений о строении
полупроводников.

Электрический ток в полупроводниках

Необходимым условием резкого
уменьшения удельного сопротивления
полупроводника при введении примесей
является отличие валентности атомов
примеси от валентности основных
атомов кристалла.
Проводимость полупроводников при
наличии примесей называется
примесной проводимостью.

Электрический ток в полупроводниках

Различают два типа примесной
проводимости – электронную и
дырочную проводимости.
Электронная проводимость
возникает, когда в кристалл
германия с четырехвалентными
атомами введены пятивалентные
атомы (например, атомы мышьяка,
As).

Электрический ток в полупроводниках

Четыре валентных электрона атома мышьяка
включены в образование ковалентных связей с
четырьмя соседними атомами германия.
Пятый валентный электрон оказался излишним.
Он легко отрывается от атома мышьяка и
становится свободным.
Атом, потерявший электрон, превращается в
положительный ион, расположенный в узле
кристаллической решетки.

Электрический ток в полупроводниках

Примесь из атомов с валентностью,
превышающей валентность основных атомов
полупроводникового кристалла, называется
донорской примесью.
В результате ее введения в кристалле
появляется значительное число свободных
электронов.
Это приводит к резкому уменьшению удельного
сопротивления полупроводника – в тысячи и
даже миллионы раз.
Удельное сопротивление проводника с
большим содержанием примесей может
приближаться к удельному сопротивлению
металлического проводника.

Электрический ток в полупроводниках

Такая проводимость,
обусловленная свободными
электронами, называется
электронной, а полупроводник,
обладающий электронной
проводимостью, называется
полупроводником n-типа.

Электрический ток в полупроводниках

Дырочная проводимость возникает, когда в
кристалл германия введены трехвалентные
атомы (например, атомы индия, In).

Электрический ток в полупроводниках

На рис. показан атом индия, который создал с
помощью своих валентных электронов
ковалентные связи лишь с тремя соседними
атомами германия.
На образование связи с четвертым атомом
германия у атома индия нет электрона.
Этот недостающий электрон может быть
захвачен атомом индия из ковалентной связи
соседних атомов германия.
В этом случае атом индия превращается в
отрицательный ион, расположенный в узле
кристаллической решетки, а в ковалентной
связи соседних атомов образуется вакансия.

Электрический ток в полупроводниках

Примесь атомов, способных захватывать
электроны, называется акцепторной
примесью.

В результате введения акцепторной примеси в
кристалле разрывается множество ковалентных
связей и образуются вакантные места (дырки).
На эти места могут перескакивать электроны из
соседних ковалентных связей, что приводит к
хаотическому блужданию дырок по кристаллу.

Электрический ток в полупроводниках

Концентрация дырок в полупроводнике с
акцепторной примесью значительно
превышает концентрацию электронов, которые
возникли из-за механизма собственной
электропроводности полупроводника: np >> nn.
Проводимость такого типа называется
дырочной проводимостью.
Примесный полупроводник с дырочной
проводимостью называется полупроводником
p-типа.
Основными носителями свободного заряда в
полупроводниках p-типа являются дырки.

Электрический ток в полупроводниках

Следует подчеркнуть, что дырочная
проводимость в действительности
обусловлена эстафетным перемещением
по вакансиям от одного атома германия к
другому электронов, которые
осуществляют ковалентную связь.
Для полупроводников n- и p-типов закон
Ома выполняется в определенных
интервалах сил тока и напряжений при
условии постоянства концентраций
свободных носителей.

В современной электронной технике
полупроводниковые приборы играют
исключительную роль.
За последние три десятилетия они почти
полностью вытеснили электровакуумные
приборы.
В любом полупроводниковом приборе имеется
один или несколько электронно-дырочных
переходов.
Электронно-дырочный переход (или n–pпереход) – это область контакта двух
полупроводников с разными типами
проводимости.

Электронно-дырочный переход. Транзистор

При контакте двух полупроводников n- и
p-типов начинается процесс диффузии:
дырки из p-области переходят в nобласть, а электроны, наоборот, из nобласти в p-область.
В результате в n-области вблизи зоны
контакта уменьшается концентрация
электронов и возникает положительно
заряженный слой.
В p-области уменьшается концентрация
дырок и возникает отрицательно
заряженный слой.

Электронно-дырочный переход. Транзистор

Таким образом, на границе полупроводников
образуется двойной электрический слой,
электрическое поле которого препятствует
процессу диффузии электронов и дырок
навстречу друг другу

Электронно-дырочный переход. Транзистор

n–p-переход обладает удивительным
свойством односторонней
проводимости.
Если полупроводник с n–p-переходом
подключен к источнику тока так, что
положительный полюс источника
соединен с n-областью, а
отрицательный – с p-областью, то
напряженность поля в запирающем слое
возрастает.

Электронно-дырочный переход. Транзистор

Дырки в p-области и электроны в nобласти будут смещаться от n–pперехода, увеличивая тем самым
концентрации неосновных носителей в
запирающем слое.
Ток через n–p-переход практически не
идет.
Напряжение, поданное на n–p-переход в
этом случае называют обратным.

Электронно-дырочный переход. Транзистор

Весьма незначительный обратный
ток обусловлен только собственной
проводимостью
полупроводниковых материалов,
т. е. наличием небольшой
концентрации свободных
электронов в p-области и дырок в
n-области.

Электронно-дырочный переход. Транзистор

Если n–p-переход соединить с
источником так, чтобы положительный
полюс источника был соединен с pобластью, а отрицательный с nобластью, то напряженность
электрического поля в запирающем слое
будет уменьшаться, что облегчает
переход основных носителей через
контактный слой.

Электронно-дырочный переход. Транзистор

Дырки из p-области и электроны из
n-области, двигаясь навстречу друг
другу, будут пересекать n–pпереход, создавая ток в прямом
направлении.
Сила тока через n–p-переход в этом
случае будет возрастать при
увеличении напряжения источника.

Электронно-дырочный переход. Транзистор

Способность n–p-перехода пропускать
ток практически только в одном
направлении используется в приборах,
которые называются
полупроводниковыми диодами.
Полупроводниковые диоды
изготавливаются из кристаллов кремния
или германия.
При их изготовлении в кристалл c какимлибо типом проводимости вплавляют
примесь, обеспечивающую другой тип
проводимости.

Электронно-дырочный переход. Транзистор

Типичная вольт-амперная
характеристика кремниевого диода

Электронно-дырочный переход. Транзистор

Полупроводниковые приборы не с
одним, а с двумя n–p-переходами
называются транзисторами.
Транзисторы бывают двух типов:
p–n–p-транзисторы и n–p–nтранзисторы.

Электронно-дырочный переход. Транзистор

Например, германиевый транзистор
p–n–p-типа представляет собой
небольшую пластинку из германия
с донорной примесью, т. е. из
полупроводника n-типа.
В этой пластинке создаются две
области с акцепторной примесью,
т. е. области с дырочной
проводимостью.

Электронно-дырочный переход. Транзистор

В транзисторе n–p–n-типа основная
германиевая пластинка обладает
проводимостью p-типа, а созданные на
ней две области – проводимостью nтипа.
Пластинку транзистора называют базой
(Б), одну из областей с
противоположным типом проводимости
– коллектором (К), а вторую –
эмиттером (Э).

Электронно-дырочный переход. Транзистор

1.
2.
3.
4.
Электролиты. Носители зарядов в
электролитах.
Электролиз. Электролитическая
диссоциация.
Закон Фарадея для электролиза.
Объединенный закон Фарадея для
электролиза.

Электрический ток в электролитах

Электролитами принято называть
проводящие среды, в которых
протекание электрического тока
сопровождается переносом
вещества.
Носителями свободных зарядов в
электролитах являются
положительно и отрицательно
заряженные ионы.

Электрический ток в электролитах

Основными представителями
электролитов, широко используемыми в
технике, являются водные растворы
неорганических кислот, солей и
оснований.
Прохождение электрического тока через
электролит сопровождается выделением
веществ на электродах.
Это явление получило название
электролиза.

Электрический ток в электролитах

Электрический ток в электролитах
представляет собой перемещение ионов обоих
знаков в противоположных направлениях.
Положительные ионы движутся к
отрицательному электроду (катоду),
отрицательные ионы – к положительному
электроду (аноду).
Ионы обоих знаков появляются в водных
растворах солей, кислот и щелочей в
результате расщепления части нейтральных
молекул.
Это явление называется электролитической
диссоциацией.

Электрический ток в электролитах

Например, хлорид меди CuCl2
диссоциирует в водном растворе на
ионы меди и хлора:
При подключении электродов к
источнику тока ионы под действием
электрического поля начинают
упорядоченное движение:
положительные ионы меди движутся к
катоду, а отрицательно заряженные
ионы хлора – к аноду.

Электрический ток в электролитах

Достигнув катода, ионы меди нейтрализуются
избыточными электронами катода и
превращаются в нейтральные атомы,
оседающие на катоде.
Ионы хлора, достигнув анода, отдают но
одному электрону.
После этого нейтральные атомы хлора
соединяются попарно и образуют молекулы
хлора Cl2.
Хлор выделяется на аноде в виде пузырьков.

Электрический ток в электролитах

Закон электролиза был экспериментально
установлен английским физиком М. Фарадеем в
1833 году.
Закон Фарадея определяет количества
первичных продуктов, выделяющихся на
электродах при электролизе:
Масса m вещества, выделившегося на
электроде, прямо пропорциональна заряду Q,
прошедшему через электролит:
m = kQ = kIt.
Величину k называют электрохимическим
эквивалентом.

Электрический ток в электролитах

Масса выделившегося на электроде вещества
равна массе всех ионов, пришедших к
электроду:
Здесь m0 и q0 – масса и заряд одного иона,
– число ионов, пришедших к электроду при
прохождении через электролит заряда Q.
Таким образом, электрохимический эквивалент
k равен отношению массы m0 иона данного
вещества к его заряду q0.

Электрический ток в электролитах

Так как заряд иона равен произведению
валентности вещества n на
элементарный заряд e (q0 = ne), то
выражение для электрохимического
эквивалента k можно записать в виде:
F = eNA – постоянная Фарадея.
F = eNA = 96485 Кл / моль.

Электрический ток в электролитах

Постоянная Фарадея численно
равна заряду, который необходимо
пропустить через электролит для
выделения на электроде одного
моля одновалентного вещества.
Закон Фарадея для электролиза
приобретает вид:

Контрольные вопросы

1.
2.
3.
4.
5.
6.
Носители зарядов в металлах.
Краткие сведения о классической теории
проводимости металлов (теория Друде-Лоренца).
Закон Ома из классической теории (краткий
вывод).
Закон Джоуля-Ленца из классической теории
проводимости (краткий вывод).
Какие физические проблемы не может объяснить
классическая теория проводимости металлов.
Краткие сведения о сверхпроводимости.

Контрольные вопросы

1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Электроны и дырки. Как они образуются в чистых
полупроводниках?
Механизм проводимости чистых полупроводников.
Донорные и акцепторные полупроводники.
Механизм проводимости примесных полупроводников.
Как осуществить электронную и дырочную
проводимость в полупроводниках.
Что представляет электронно-дырочный переход?
Объясните, почему электронно-дырочный переход
может выпрямлять переменный ток.
Транзистор.

Контрольные вопросы

Какие носители зарядов есть в
электролитах?
2. Что такое электролиты? Что такое
электролитическая диссоциация?
3. Закон Фарадея для электролиза.
4. Объединенный закон электролиза
Фарадея.

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

Класс: 11

Презентация к уроку

Назад Вперёд

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

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.

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 характеристикаизменяются, 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.

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.

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.

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.
Свободные электроны в металлах находятся в непрерывном хаотическом движении.
Электрический ток в металле образуется только за счет упорядоченного движения свободных электронов.
Сталкиваясь с ионами, колеблющимися в узлах кристаллической решетки, электроны отдают им избыточную энергию. Вот почему при прохождении тока проводники нагреваются.

Электрический ток в металлах.

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!

Литература.

Горбушин Ш.А. Опорные конспекты для изучения физики за курс средней общеобразовательной школы. – Ижевск “Удмуртия”, 1992.
Ланина И.Я. Формирование познавательных интересов учащихся на уроках физики: Книга для учителя. – М.: Просвещение, 1985.
Урок физики в современной школе. Творческий поиск учителей: Книга для учителя /Сост. Э.М.Браверман/ Под редакцией В.Г. Разумовского.- М.: Просвещение, 1993
Дигелев Ф.М. Из истории физики и жизни ее творцов: Книга для учащихся.- М.: Просвещение, 1986.
Карцев В.Л. Приключения великих уравнений.- 3-е издание – М.: Знание, 1986. (Жизнь замечательных идей).