Много хора обичат да експериментират, като приготвят различни ястия у дома. Но в същото време...
Черчър зеленчуциТема на урока.
Електрически ток
Оборудване: презентация, инсталация за експеримент за промяна на съпротивлението в зависимост от температурата.
Цели и задачи. 1. Да се развият знания за основите на електронната теория на проводимостта на металите, експериментално обосноваване и прилагане на теорията в практиката.
2. Разширете хоризонтите на учениците с история за явлението свръхпроводимост.
3. Научете как да прилагате знанията за зависимостта на съпротивлението от температурата при решаване на проблеми.
4. Да се възпитават патриотични чувства чрез запознаване с историята на откритията в областта на физиката на твърдото тяло.
План на урока. (по слайдове)
1.Днес в час.
2. Да повторим. Дадени са въпроси, които изискват знания при научаване на нещо ново.
3. Изучаване на нови неща: а) електропроводимост на различни вещества; б) природата на носителите на заряд в металите; в) теория на електропроводимостта на металите; г) зависимост на съпротивлението от температурата; д) съпротивителни термометри; е) свръхпроводимост и нейните приложения.
4. Контролен тест. (Проверете след щракване с мишката).
5. Консолидация. Предлагат се три проблема за зависимостта на съпротивлението от температурата. Отговорите се появяват след щракване с мишката. Учениците вземат необходимите константни параметри от таблиците.
Вижте съдържанието на документа
"Презентация към урока "Електричен ток в метали", 10 клас."
Електрически ток в металите
Светлана Николаевна Савватеева, учител по физика в Кемецкая гимназия, Бологовски район, Тверска област.
ДНЕС В КЛАС
Тайната става ясна. Какво се крие зад понятието „Носители на ток в металите“?
Какви са трудностите на класическата теория за електропроводимостта на металите?
Защо лампите с нажежаема жичка изгарят?
Защо изгарят при включване?
Как да загубим съпротива?
ДА ПОВТОРИМ
- Какво е електрически ток?
- Какви са условията за съществуване на ток?
- Какви ефекти на тока знаете?
- Каква е посоката на тока?
- Каква стойност определя силата на тока в електрическата верига?
- Каква е единицата за ток?
- От какви величини зависи токът?
- Каква е скоростта на разпространение на тока в проводник?
- Каква е скоростта на подреденото движение на електроните?
- Съпротивлението зависи ли от тока и напрежението?
- Как се формулира законът на Ом за част от верига и за пълна верига?
СЪЩНОСТ НА НОСИТЕЛИТЕ НА ЗАРЯД В МЕТАЛИ
Опитът на Rikke (немски) – 1901 година! M = const, това не са йони!
Манделщам и Папалекси (1913)
Стюарт и Толман (1916)
По посока на тока -
от І J I - q ⁄ m = e ⁄ m ) е електрони!
Електрическият ток в металите е насоченото движение на електрони.
Теория на електропроводимостта на металите
П. Друз, 1900 г.:
- свободни електрони – “електронен газ”;
- електроните се движат в съответствие със законите на Нютон;
- свободните електрони се сблъскват с кристални йони. решетки;
- при сблъсък електроните предават кинетичната си енергия на йоните;
- средната скорост е пропорционална на напрежението и следователно на потенциалната разлика;
R= f ( ρ, l, s, t)
съпротивителни термометри
Предимства: Помага за измерване на много ниски и много високи температури.
свръхпроводимост
Живак в течен хелий
Обяснението се основава на квантовата теория.
D. Bardeen, L. Cooper, D. Schrieffer (американски) и
Н. Боголюбов (съветски студент през 1957 г.)
И също така:
- получаване на големи токове и магнитни полета;
- пренос на електроенергия без загуби.
Контролен тест
- Как се движат свободните електрони в металите?
А. В строго определен ред. Б. Безпорядък. Б. Подреден.
- Как се движат свободните електрони в металите под въздействието на електрическо поле?
А. Безпорядък. Б. Подреден. B. Подредени по посока на електрическото поле. D. Подредени в посока, обратна на електрическото поле.
- . Какви частици се намират в местата на кристалната решетка на металите и какъв заряд имат?
А. Отрицателни йони. Б. Електрони. Б. Положителни йони.
- Какъв ефект на електрически ток се използва в електрическите лампи?
А. Магнитни. Б. Топлинна. Б. Химически. G. Светлина и топлина.
- Движението на кои частици се приема за посока на тока в проводник?
А. Електронов. Б. Отрицателни йони. Б. Положителни заряди.
- Защо металите се нагряват, когато през тях преминава ток?
А. Свободните електрони се сблъскват един с друг. Б. Свободните електрони се сблъскват с йони. Б. Йони се сблъскват с йони.
- Как се променя съпротивлението на металите, когато се охлаждат?
А. Увеличава. Б. Намалява. Б. Не се променя.
1 . B. 2.G. 3.Б. 4.G. 5.Б. 6.Б. 7.Б.
РЕШЕТЕ ПРОБЛЕМИ
1. Електрическо съпротивление на волфрамова жичка електрическа лампапри температура 23 °C е равно на 4 ома.
Намерете електрическото съпротивление на нишката при 0°C.
(Отговор: 3,6 ома)
2. Електрическото съпротивление на волфрамова жичка при 0°C е 3,6 ома. Намерете електрическо съпротивление
При температура 2700 К.
(Отговор: 45,5 ома)
3. Електрическото съпротивление на проводник при 20 °C е 25 ома, при температура 60 °C е 20 ома. Намерете
Температурен коефициент на електрическо съпротивление.
(Отговор: 0,0045 K¯¹)
Съдържание Какво е електрически ток? Какво е електрически ток? Феномени, които придружават електрическия ток Явления, които придружават електрическия ток Експеримент на Толман и Стюарт Експеримент на Толман и Стюарт Класическа електронна теория Класическа електронна теория Потенциална бариера Потенциална бариера Свръхпроводимост Свръхпроводимост Високотемпературна свръхпроводимост Високотемпературна свръхпроводимост
Какво е електрически ток? Електрическият ток в металите е подредено движение на електрони под въздействието на електрическо поле. Експериментите показват, че когато токът протича през метален проводник, не се пренася вещество, следователно металните йони не участват в преноса на електрически заряд.
Явления, които съпътстват електрическия ток: 1. проводникът, през който протича токът, се нагрява, 2. електрическият ток може да се промени химичен съставпроводник, 3. токът оказва силово въздействие върху съседни токове и намагнитни тела 1. проводникът, през който протича токът, се нагрява, 2. електрическият ток може да промени химичния състав на проводника, 3. токът има силов ефект върху съседни токове и намагнитни тела
Експериментът на Толман и Стюарт (част 1) Схемата на експеримента на Толман и Стюарт е показана на фигурата. Намотка с голям бройнавивки от тънка тел бяха задвижвани в бързо въртене около оста си. Краищата на намотката бяха свързани с помощта на гъвкави проводници към чувствителен балистичен галванометър G. Неусуканата намотка беше рязко забавена и във веригата възникна краткотраен ток поради инерцията на носителите на заряда. Общият заряд, протичащ през веригата, се измерва чрез отклонението на стрелката на галванометъра. Диаграма на експеримента на Толман и Стюарт е показана на фигурата. Намотка с голям брой навивки от тънка тел беше задвижвана в бързо въртене около оста си. Краищата на намотката бяха свързани с помощта на гъвкави проводници към чувствителен балистичен галванометър G. Неусуканата намотка беше рязко забавена и във веригата възникна краткотраен ток поради инерцията на носителите на заряда. Общият заряд, протичащ през веригата, се измерва чрез отклонението на стрелката на галванометъра.
(ch2) При спиране на въртяща се намотка върху всеки носител на заряд e действа спирачна сила, която играе ролята на външна сила, т.е. сила с неелектрически произход. Външна сила на единица заряд по дефиниция е напрегнатостта на полето Est на външните сили: Когато въртяща се намотка спира, всеки носител на заряд e е обект на спирачна сила, която играе ролята на външна сила, тоест сила с неелектрически произход. Външната сила на единица заряд по дефиниция е напрегнатостта на полето Est на външните сили: външна сила външна сила
(ch3) Следователно във веригата, когато бобината спира, електродвижещата сила изглежда равна на: Следователно във веригата, когато бобината спира, във веригата се появява електродвижеща сила, равна на: където l е дължината на бобината тел. По време на спирането на намотката през веригата ще тече заряд q, равен на: където l е дължината на проводника на намотката. По време на спирането на бобината през веригата ще тече заряд q, равен на:
(ch4) Тук I е моментната стойност на тока в намотката, R е общото съпротивление на веригата, υ0 е началната линейна скорост на проводника. Тук I е моментната стойност на тока в намотката, R е общото съпротивление на веригата, υ0 е началната линейна скорост на проводника. Следователно специфичният заряд e/m на свободните токоносители в металите е равен на: Следователно специфичният заряд e/m на свободните токоносители в металите е равен на:
(ch5) Всички количества, включени в дясната страна на тази връзка, могат да бъдат измерени. Въз основа на резултатите от експериментите на Толман и Стюарт е установено, че свободните носители на заряд в металите имат отрицателен знак, а съотношението на заряда на носителя към неговата маса е близко до специфичния заряд на електрона, получен от други експерименти. Така беше установено, че носителите на свободни заряди в металите са електроните. Всички количества, включени в дясната страна на тази връзка, могат да бъдат измерени. Въз основа на резултатите от експериментите на Толман и Стюарт е установено, че свободните носители на заряд в металите имат отрицателен знак, а съотношението на заряда на носителя към неговата маса е близко до специфичния заряд на електрона, получен от други експерименти. Така беше установено, че носителите на свободни заряди в металите са електроните. Според съвременните данни зарядовият модул на електрона (елементарен заряд) е равен на: Според съвременните данни зарядовият модул на електрона (елементарен заряд) е равен на: и неговият специфичен заряд е: и неговият специфичен заряд е:
(ch6) Добрата електропроводимост на металите се обяснява с високата концентрация на свободни електрони, равна по големина на броя на атомите в единица обем. Добрата електропроводимост на металите се обяснява с високата концентрация на свободни електрони, равна по големина на броя на атомите в единица обем.
Класическа електронна теория. Предположението, че електроните са отговорни за електрическия ток в металите, възниква много по-рано от експериментите на Толман и Стюарт. Още през 1900 г. немският учен П. Друде, въз основа на хипотезата за съществуването на свободни електрони в металите, създава електронната теория за металната проводимост. Тази теория е развита в трудовете на холандския физик Х. Лоренц и се нарича класическа електронна теория. Според тази теория електроните в металите се държат като електронен газ, много като идеален газ. Електронният газ запълва пространството между йоните, които образуват кристалната решетка на метала. Предположението, че електроните са отговорни за електрическия ток в металите, възниква много по-рано от експериментите на Толман и Стюарт. Още през 1900 г. немският учен П. Друде, въз основа на хипотезата за съществуването на свободни електрони в металите, създава електронната теория за металната проводимост. Тази теория е развита в трудовете на холандския физик Х. Лоренц и се нарича класическа електронна теория. Според тази теория електроните в металите се държат като електронен газ, много като идеален газ. Електронният газ запълва пространството между йоните, които образуват металната кристална решетка
Потенциална бариера Поради взаимодействие с йони, електроните могат да напуснат метала само като преодолеят така наречената потенциална бариера. Височината на тази бариера се нарича работна функция. При обикновени (стайни) температури електроните нямат достатъчно енергия, за да преодолеят потенциалната бариера. Поради взаимодействие с йони, електроните могат да напуснат метала само чрез преодоляване на така наречената потенциална бариера. Височината на тази бариера се нарича работна функция. При обикновени (стайни) температури електроните нямат достатъчно енергия, за да преодолеят потенциалната бариера.
Свръхпроводимост Според класическата електронна теория съпротивлението на металите трябва монотонно да намалява с охлаждане, оставайки ограничено при всички температури. Тази зависимост всъщност се наблюдава експериментално при относително високи температури. При по-ниски температури от порядъка на няколко келвина съпротивлението на много метали престава да зависи от температурата и достига определена гранична стойност. Но най-интересното явление е невероятното явление на свръхпроводимостта, открито от датския физик Х. Камерлинг Оннес през 1911 г. При определена температура Tcr, различна за различните вещества, съпротивлението рязко намалява до нула (фиг.). Критичната температура за живака е 4,1 К, за алуминия 1,2 К, за калая 3,7 К. Свръхпроводимостта се наблюдава не само в елементите, но и в много химични съединения и сплави. Например съединението на ниобий с калай (Ni3Sn) има критична температура от 18 K. Някои вещества, които преминават в свръхпроводящо състояние при ниски температури, не са проводници при обикновени температури. В същото време такива „добри“ проводници като мед и сребро не стават свръхпроводници при ниски температури. Според класическата електронна теория съпротивлението на металите трябва да намалява монотонно с охлаждане, оставайки ограничено при всички температури. Тази зависимост всъщност се наблюдава експериментално при относително високи температури. При по-ниски температури от порядъка на няколко келвина съпротивлението на много метали престава да зависи от температурата и достига определена гранична стойност. Но най-интересното явление е невероятното явление на свръхпроводимостта, открито от датския физик Х. Камерлинг Оннес през 1911 г. При определена температура Tcr, различна за различните вещества, съпротивлението рязко намалява до нула (фиг.). Критичната температура за живака е 4,1 К, за алуминия 1,2 К, за калая 3,7 К. Свръхпроводимостта се наблюдава не само в елементите, но и в много химични съединения и сплави. Например, съединението на ниобий с калай (Ni3Sn) има критична температура от 18 K. Някои вещества, които преминават в свръхпроводящо състояние при ниски температури, не са проводници при обикновени температури. В същото време такива „добри“ проводници като мед и сребро не стават свръхпроводници при ниски температури.
Веществата в свръхпроводящо състояние имат изключителни свойства. На практика най-важното от тях е способността да се поддържа електрически ток, възбуден в свръхпроводяща верига за дълго време (много години) без затихване. Веществата в свръхпроводящо състояние имат изключителни свойства. На практика най-важното от тях е способността да се поддържа електрически ток, възбуден в свръхпроводяща верига за дълго време (много години) без затихване. Класическата електронна теория не е в състояние да обясни явлението свръхпроводимост. Обяснение на механизма на това явление е дадено едва 60 години след откриването му на базата на квантово-механични концепции. Класическата електронна теория не е в състояние да обясни явлението свръхпроводимост. Обяснение на механизма на това явление е дадено едва 60 години след откриването му на базата на квантово-механични концепции. Научният интерес към свръхпроводимостта нараства с откриването на нови материали с по-високи критични температури. Значителна стъпка в тази посока настъпи през 1986 г., когато беше открито, че едно сложно керамично съединение има Tcr = 35 K. Още през следващата 1987 г. физиците успяха да създадат нова керамика с критична температура от 98 K, надвишаваща температурата на течен азот (77 K). Научният интерес към свръхпроводимостта нараства с откриването на нови материали с по-високи критични температури. Значителна стъпка в тази посока настъпи през 1986 г., когато беше открито, че едно сложно керамично съединение има Tcr = 35 K. Още през следващата 1987 г. физиците успяха да създадат нова керамика с критична температура от 98 K, надвишаваща температурата на течен азот (77 K).
Високотемпературна свръхпроводимост Феноменът на прехода на веществата в свръхпроводящо състояние при температури, надвишаващи точката на кипене на течния азот, се нарича високотемпературна свръхпроводимост. През 1988 г. е създадено керамично съединение на базата на елементите Tl–Ca–Ba–Cu–O с критична температура 125 K. Феноменът на прехода на веществата в свръхпроводящо състояние при температури, надвишаващи точката на кипене на течния азот, е наречена високотемпературна свръхпроводимост. През 1988 г. е създадено керамично съединение на базата на елементите Tl–Ca–Ba–Cu–O с критична температура 125 K. В момента се извършва интензивна работа за търсене на нови вещества с още по-високи стойности на Tcr. Учените се надяват да получат веществото в свръхпроводящо състояние при стайна температура. Ако това се случи, това ще бъде истинска революция в науката, технологиите и в живота на хората като цяло. В момента се извършва интензивна работа за търсене на нови вещества с още по-високи стойности на Tcr. Учените се надяват да получат веществото в свръхпроводящо състояние при стайна температура. Ако това се случи, това ще бъде истинска революция в науката, технологиите и в живота на хората като цяло. Трябва да се отбележи, че досега механизмът на високотемпературната свръхпроводимост на керамичните материали не е напълно изяснен. Трябва да се отбележи, че досега механизмът на високотемпературната свръхпроводимост на керамичните материали не е напълно изяснен.
клас: 11
Презентация към урока
Назад Напред
внимание! Визуализациите на слайдове са само за информационни цели и може да не представят всички характеристики на презентацията. Ако се интересувате от тази работа, моля, изтеглете пълната версия.
Цели на урока:
Разширете концепцията за физическата природа на електрическия ток в металите, експериментално потвърждение на електронната теория;
Продължете формирането на естествени научни идеи по изучаваната тема
Създайте условия за формиране на познавателен интерес и активност на учениците
Формиране на умения;
Формиране на комуникативна комуникация.
Оборудване: интерактивен комплекс SMART Board Notebook, локална мрежакомпютри, интернет.
Метод на преподаване на урока: комбиниран.
Епиграф на урока:
Стремете се да разбирате науката все по-дълбоко,
Жажда за познание на вечното.
Само първото знание ще те огрее,
Ще разберете: знанието няма граници.
Фирдоуси
(персийски и таджикски поет, 940-1030)
План на урока.
I. Организационен момент
II. Групова работа
III. Обсъждане на резултатите, инсталиране на презентация
IV. Отражение
V. Домашна работа
Напредък на урока
Здравейте момчета! седнете Днес нашата работа ще се проведе в групи.
Групови задачи:
I. Физическа природа на зарядите в металите.
II. Опитът на K.Rikke.
III. Опитът на Стюарт, Толман. Опитът на Манделщам, Папалекси.
IV. Теорията на Друде.
V.Вамперни характеристики на металите. Закон на Ом.
VI. Зависимост на съпротивлението на проводника от температурата.
VII. Свръхпроводимост.
1. Електропроводимостта е способността на веществата да провеждат електрически ток под въздействието на външно електрическо поле.
Според физичната природа на зарядите - носители на електрически ток, електропроводимостта се разделя на:
А) електронен
Б) йонен,
Б) смесени.
2. Всяко вещество при дадени условия се характеризира с определена зависимост на силата на тока от потенциалната разлика.
Въз основа на специфичната устойчивост веществата обикновено се разделят на:
А) проводници (стр< 10 -2 Ом*м)
B) диелектрици (p> 10 -8 Ohm*m)
B) полупроводници (10 -2 Ohm*m> p>10 -8 Ohm*m)
Това разделение обаче е условно, тъй като под въздействието на редица фактори (нагряване, облъчване, примеси) съпротивлението на веществата и техните характеристики на тока и напрежението се променят, а понякога и много значително.
3. Носителите на свободните заряди в металите са електроните. Доказано с класически експерименти К. Рике (1901) – немски физик; Л.И. Манделщам и Н. Д. Папалекси (1913) - наши сънародници; Т. Стюарт и Р. Толман (1916) - американски физици.
Опитът на К. Рике
Rikke подреди три предварително претеглени цилиндъра (два медни и един алуминиев) с полирани краища, така че алуминиевият да е между медните. След това цилиндрите бяха свързани към верига с постоянен ток: през тях минаваше голям ток в продължение на една година. През това време през електрическите цилиндри преминава електрически заряд, равен на приблизително 3,5 милиона C. Вторичното взаимодействие на цилиндрите, извършено с до 0,03 mg, показа, че масата на цилиндрите не се променя в резултат на експеримента. При изследване на контактните краища под микроскоп беше установено, че има само незначителни следи от метално проникване, които не надвишават резултатите от обичайната дифузия на атоми в твърди тела. Експерименталните резултати показват, че йоните не участват в преноса на заряд в металите.
Л.И. Манделщам
Н. . Папалекси
Опитът на Л. И. Манделщам и Н. Д. Папалекси
Руските учени Л. И. Манделщам (1879-1949; основател на школата на радиофизиците) и Н. Д. Папалекси (1880-1947; най-големият съветски физик, академик, председател на Всесъюзния научен съвет по радиофизика и радиотехника към Академията на науките на СССР ) през 1913 г. поставя оригиналния опит. Те взеха намотка тел и започнаха да я усукват в различни посоки.
Те ще се въртят, например, по посока на часовниковата стрелка, след това рязко спират и след това обратно.
Те разсъждаваха по следния начин: ако електроните наистина имат маса, тогава, когато намотката внезапно спре, електроните трябва да продължат да се движат по инерция за известно време. Движението на електрони по жицата е електрически ток. Стана както планирахме. Свързахме телефон към краищата на жицата и чухме звук. Тъй като в телефона се чува звук, следователно през него протича ток.
Т. Стюарт
Опитът на Т. Стюарт и Р. Толман
Нека вземем намотка, която може да се върти около оста си. Краищата на бобината са свързани към галванометър с помощта на плъзгащи се контакти. Ако намотката, която се върти бързо, внезапно се спре, свободните електрони в проводника ще продължат да се движат по инерция, в резултат на което галванометърът трябва да регистрира токов импулс.
Теория на Друд
Електроните в метала се разглеждат като електронен газ, към който може да се приложи кинетичната теория на газовете. Смята се, че електроните, подобно на газовите атоми в кинетичната теория, са идентични твърди сфери, които се движат по права линия, докато не се сблъскат един с друг. Приема се, че продължителността на отделния сблъсък е пренебрежимо малка и че между молекулите не действат други сили освен тези, които възникват в момента на сблъсъка. Тъй като електронът е отрицателно заредена частица, за да се спази условието за електрическа неутралност, твърдото вещество трябва да съдържа и частици от различен тип - положително заредени. Друде предполага, че компенсиращият положителен заряд принадлежи на много по-тежки частици (йони), които той смята за неподвижни. По времето на Друде не беше ясно защо има свободни електрони и положително заредени йони в метала и какви са тези йони. Само квантовата теория на твърдите тела може да даде отговори на тези въпроси. За много вещества обаче можем просто да приемем, че електронният газ се състои от външни валентни електрони, слабо свързани с ядрото, които са „освободени“ в метала и могат да се движат свободно в целия метал, докато атомните ядра с електроните на вътрешните обвивки (атомните ядра) остават непроменени и играят ролята на неподвижни положителни йони от теорията на Друде.
Електрически ток в металите
Всички метали са проводници на електрически ток и се състоят от пространствена кристална решетка, възлите на която съвпадат с центровете на положителните йони, а свободните електрони се движат хаотично около йоните.
Основни принципи на електронната теория на проводимостта на металите.
- Металът може да бъде описан със следния модел: кристална решетка от йони е потопена в идеален електронен газ, състоящ се от свободни електрони. В повечето метали всеки атом е йонизиран, така че концентрацията на свободните електрони е приблизително равна на концентрацията на атомите 10 23 - 10 29 m -3 и почти не зависи от температурата.
- Свободните електрони в металите са в непрекъснато хаотично движение.
- Електрическият ток в метал се образува само поради подреденото движение на свободни електрони.
- Сблъсквайки се с йони, осцилиращи във възлите на кристалната решетка, електроните им дават излишна енергия. Ето защо проводниците се нагряват при преминаване на ток.
Електрически ток в металите.
Свръхпроводимост
Феноменът на съпротивлението, намаляващо до нула при температура, различна от абсолютната нула, се нарича свръхпроводимост. Материалите, които проявяват способността да преминават в свръхпроводящо състояние при определени температури, различни от абсолютната нула, се наричат свръхпроводници.
Преминаването на ток в свръхпроводник става без загуба на енергия, следователно, веднъж възбуден в свръхпроводящ пръстен, електрическият ток може да съществува неограничено без промяна.
Свръхпроводящите материали вече се използват в електромагнитите. Провеждат се изследвания, насочени към създаване на свръхпроводящи електропроводи.
Прилагането на явлението свръхпроводимост в широката практика може да стане реалност през следващите години благодарение на откритата през 1986 г. свръхпроводимост на керамиката – съединения на лантан, барий, мед и кислород. Свръхпроводимостта на такава керамика се запазва до температури от около 100 K.
Браво момчета! Свършиха отлична работа. Оказа се добро представяне. Благодаря за урока!
Литература.
- Горбушин Ш.А. Основни бележки за изучаване на физика за курса на средното училище. – Ижевск „Удмуртия”, 1992г.
- Ланина И.Я. Формиране на познавателни интереси на учениците в часовете по физика: Книга за учители. – М.: Образование, 1985.
- Урок по физика в модерно училище. Творческо търсене на учители: Книга за учители / Съст.
- E.M. Braverman / Под редакцията на V.G. Разумовски.- М.: Образование, 1993
- Дигелев Ф.М. Из историята на физиката и живота на нейните създатели: Книга за студенти - М.: Образование, 1986.
Карцев В.Л. Приключенията на великите уравнения - М.: Знание, 1986. (Животът на прекрасните идеи).
Описание на презентацията по отделни слайдове:
1 слайд
Описание на слайда:
ЕЛЕКТРИЧЕСКИ ТОК В МЕТАЛИ Презентацията е разработена от учителя по CS и PT Каракашева I.V. Санкт Петербург 2016 г
1 слайд
Цели на урока: Образователни: запознаване на учениците с проводимостта на металите и техните технически приложения; разкрива концепцията за физическата природа на електрическия ток в металите; продължи формирането на естествени научни идеи по изучаваната тема; създават условия за формиране на познавателен интерес; разширяване на научните и технически хоризонти на учениците Развитие: създаване на условия за развитие на комуникационни умения; създаване на условия за развитие на аналитичните способности на учениците, способността да анализират, сравняват, сравняват, обобщават и правят изводи; създават условия за развитие на паметта, вниманието, въображението Образователни: насърчават развитието на способността да защитават своята гледна точка; насърчаване на развитието на култура на взаимоотношения при работа в екип
3 слайд
1 слайд
Какво се нарича метал? Най-известната от ранните дефиниции на метала е дадена в средата на 18 век от M.V. Ломоносов: „Металът е леко тяло, което може да се кове. Има само шест такива тела: злато, сребро, мед, калай, желязо и олово. Два века и половина по-късно стана известно много за металите. Повече от 75% от всички елементи в таблицата на Д. И. Менделеев са метали и намирането на абсолютно точно определение за металите е почти безнадеждна задача.
4 слайд
1 слайд
През 1900 г. немският учен П. Друде, въз основа на хипотезата за съществуването на свободни електрони в металите, създава електронната теория за металната проводимост. Тази теория е развита в трудовете на холандския физик Х. Лоренц (1904) и се нарича класическа електронна теория. Тя даде просто и визуално обяснение на повечето електрически и топлинни свойства на металите. Пол Друде Карл Лудвиг - немски физик Хендрик Антон Лоренц - холандски физик Класическа електронна теория
5 слайд
1 слайд
Движението на електроните се подчинява на законите на класическата механика. Електроните не взаимодействат помежду си. Електроните взаимодействат само с йони от кристалната решетка; това взаимодействие се свежда до сблъсък. В интервалите между сблъсъците електроните се движат свободно. Проводимите електрони образуват „електронен газ“, подобен на идеален газ. „Електронният газ“ се подчинява на законите на идеалния газ. По време на всеки сблъсък електронът предава цялата натрупана енергия. Основни положения на теорията
6 слайд
1 слайд
Металът има кристална решетка, в чиито възли има положителни йони, които осцилират около равновесното положение, и свободни електрони, които могат да се движат в целия обем на проводника (електронен газ, подчинен на законите на идеалния газ) Структура на метала
7 слайд
1 слайд
Средна скоростТоплинното движение на електроните при стайна температура е приблизително 105 m/s. Структура на метал В метала, при липса на електрическо поле, електроните се движат хаотично и се сблъскват, най-често с йони от кристалната решетка.
8 слайд
1 слайд
Електрически ток в металите Под въздействието на електрическо поле свободните електрони започват да се движат по подреден начин между йоните на кристалната решетка. Електрическият ток протича през проводник поради наличието на свободни електрони в него, които са избягали от атомните орбити
Слайд 9
1 слайд
Електрическият ток в металите Електрическият ток в металите е подредено движение на електрони под въздействието на електрическо поле. Когато токът протича през метален проводник, не се извършва пренос на вещество; следователно металните йони не участват в преноса на електрически заряд. Това е потвърдено в експериментите на немския физик Е. Рике през 1901 г.
10 слайд
1 слайд
Експерименти на E.Rikke В тези експерименти, електрически ток от 0,1 A е пропускан в продължение на една година през три добре полирани цилиндъра, притиснати един към друг. Общият заряд, преминал през цилиндрите през това време, надвишава 3,5 MK. След завършването беше установено, че има само незначителни следи от взаимно проникване на метали, които не надвишават резултатите от обикновената дифузия на атоми в твърди вещества. Измерванията показаха, че масата на всеки цилиндър остава непроменена. Тъй като масите на медните и алуминиевите атоми се различават значително една от друга, масата на цилиндрите би трябвало да се промени значително, ако носителите на заряд са йони. Следователно свободните носители на заряд в металите не са йони. Огромният заряд, преминал през цилиндрите, очевидно е бил пренесен от частици, които са еднакви както в медта, така и в алуминия.
11 слайд
1 слайд
Експериментално доказателство за съществуването на свободни електрони в металите Експерименталното доказателство, че токът в металите се създава от свободни електрони, е дадено в експерименти от L.I. Манделщам и Н. Д. Папалекси (1913 г., резултатите не са публикувани), както и експериментите на Т. Стюарт и Р. Толман (1916 г.). Л.И. Манделщам 1879-1949 Н. Д. Папалекси 1880-1947 Т. Стюарт
12 слайд
1 слайд
Бобината, свързана с телефона, се завъртя около оста си в различни посоки и рязко забави. Ако електроните наистина имат маса, тогава, когато намотката внезапно спре, електроните трябва да продължат да се движат по инерция за известно време. Движението на електрони през проводник е електрически ток и телефонът трябва да издава звук. Тъй като в телефона се чува звук, следователно през него протича ток. Но в тези експерименти не са правени измервания или количествени изчисления. Опитът на Л. И. Манделщам и Н. Д. Папалекси (1912 г.)
Слайд 13
1 слайд
Опитът на Т. Стюарт и Р. Толман Намотка с голям брой навивки от тънка тел беше задвижена в бързо въртене около оста си. Краищата на бобината бяха свързани с помощта на гъвкави проводници към чувствителен балистичен галванометър. Неусуканата намотка беше рязко забавена и във веригата възникна краткотраен ток поради инерцията на носителите на заряд. Общият заряд, протичащ през веригата, се измерва чрез отклонението на стрелката на галванометъра.
Слайд 14
1 слайд
Експериментът на Т. Стюарт и Р. Толман Посоката на тока показва, че той е причинен от движението на отрицателно заредени частици. Чрез измерване на заряда, преминаващ през галванометъра по време на цялото съществуване на тока във веригата, Т. Стюарт и Р. Толман експериментално определят специфичния заряд на частиците. Той се оказа равен
15 слайд
1 слайд
Волт – амперна характеристика на металите Електрически ток в металите Носители на заряд – електрони Проводимост – електронна Проводникът, по който протича тока, се нагрява. Проводник, през който протича ток, има магнитен ефект върху околните тела.
16 слайд
1 слайд
Зависимост на съпротивлението на проводника от температурата Съпротивлението е физична величина, която характеризира способността на проводника да устои на установяването на електрически ток в него. Специфичното съпротивление е съпротивлението на цилиндричен проводник с единица дължина и единица напречно сечение. При нагряване размерите на проводника се променят малко, но основно се променя съпротивлението.
Слайд 17
1 слайд
Зависимост на съпротивлението на проводника от температурата Специфичното съпротивление на проводника зависи от температурата: където ro е съпротивлението при 0 градуса, t е температурата, α е температурният коефициент на съпротивление
18 слайд
1 слайд
Зависимост на съпротивлението на проводника от температурата. За металните проводници с повишаване на температурата съпротивлението се увеличава, съпротивлението на проводника се увеличава и електрическият ток във веригата намалява. Съпротивлението на проводник при промяна на температурата може да се изчисли по формулата: R = Ro (1 + α t), където Ro е съпротивлението на проводника при 0 градуса по Целзий t е температурата на проводника α е температурата коефициент на съпротивление
Слайд 19
1 слайд
Приложение на тока в металите Пренос на електричество от източник към потребители В електродвигатели и генератори В нагревателни уреди
20 слайд
1 слайд
Противоречия на класическата електронна теория Класическата електронна теория обяснява съществуването на електрическо съпротивление на металите, законите на Ом и Джаул-Ленц. Но в редица въпроси класическата електронна теория води до изводи, които са в конфликт с експеримента. Тази теория не може да обясни защо моларният топлинен капацитет на металите, както и моларният топлинен капацитет на диелектричните кристали, е равен на 3R, където R е универсалната газова константа (закон на Дюлонг и Пети). Наличието на свободни електрони не влияе на топлинния капацитет на металите. Класическата електронна теория също не може да обясни температурната зависимост на съпротивлението на металите. Теорията дава връзката, докато от експеримента се получава зависимостта ρ ~ T. Но най-яркият пример за несъответствие между теория и експеримент е свръхпроводимостта.
21 слайда
1 слайд
Свръхпроводимост Според класическата електронна теория съпротивлението на металите трябва монотонно да намалява с охлаждане, оставайки ограничено при всички температури. Тази зависимост всъщност се наблюдава експериментално при относително високи температури. При температури от порядъка на няколко келвина съпротивлението на много метали престава да зависи от температурата и достига определена гранична стойност. През 1911 г. холандският учен Geike Kamerling-0nnes открива, че когато температурата на живака падне до 4,1 K, неговото съпротивление рязко намалява до нула. (1853-1926) Geike Kamerling -0nnes, холандски учен
22 слайд
1 слайд
Свръхпроводимост При определена температура Tcr, различна за различните вещества, съпротивлението рязко намалява до нула. Това явление се нарича свръхпроводимост. Материалите, които проявяват способността да преминават в свръхпроводящо състояние при определени температури, различни от абсолютната нула, се наричат свръхпроводници. Зависимост на съпротивлението ρ от абсолютната температура T при ниски температури: а – нормален метал; b – свръхпроводник
Слайд 23
1 слайд
Свръхпроводимост G. Kamerlingh Onnes е удостоен с Нобелова награда за физика през 1913 г. „за неговите изследвания на свойствата на материята при ниски температури“. По-късно се установи, че повече от 25 химически елементи- металите стават свръхпроводници при много ниски температури. Най-ниската температура е за волфрама - 0,012 К, най-високата за ниобия - 9 К. Свръхпроводимост се наблюдава не само в чистите метали, но и в много химични съединения и сплави и някои полупроводници. Освен това самите елементи, които изграждат свръхпроводящото съединение, може да не са свръхпроводници. Например NiBi, Au2Bi, PdTe, PtS и др. В същото време такива „добри“ проводници като мед и сребро не стават свръхпроводници при ниски температури.
24 слайд
1 слайд
Свръхпроводимост Първото теоретично обяснение на свръхпроводимостта е дадено през 1935 г. от братята Фриц и Хайнц Лондон. По-обща теория е изградена през 1950 г. от Л. Д. Ландау и В. Л. Гинзбург. Тези теории обаче не разкриват подробните механизми на свръхпроводимостта. Свръхпроводимостта е обяснена за първи път на микроскопично ниво през 1957 г. в работата на американските физици Джон Бардийн, Леон Купър и Джон Шрифър. Централният елемент на тяхната теория, наречена BCS теория, са така наречените двойки електрони на Купър. По-късно беше открито, че свръхпроводниците се разделят на две големи групи: свръхпроводници от тип I (които по-специално включват живак) и тип II (които обикновено са сплави от различни метали). Работата на А. А. Абрикосов през 50-те години на миналия век изигра значителна роля в откриването на свръхпроводимост от втори тип.
25 слайд
1 слайд
Свръхпроводимост През 1962 г. английският физик Браян Джоузефсън открива ефекта, който получава неговото име. През 1986 г. Карл Мюлер и Георг Беднорц откриват нов тип свръхпроводник, наречен високотемпературен свръхпроводник. В началото на 1987 г. беше показано, че съединенията на лантан, стронций, мед и кислород (La-Sr-Cu-O) изпитват скок в устойчивостта почти до нула при температура от 36 K. В началото на март 1987 г. беше получен свръхпроводник за първи път при температури над кипене на течен азот (77,4 K): беше открито, че съединението на итрий, барий, мед и кислород (Y-Ba-Cu-O) притежава това свойство.
26 слайд
1 слайд
Свръхпроводимост През 1988 г. е създадено керамично съединение (смес от талиев, калциев, бариев и меден оксид) с критична температура 125 К. През 2003 г. е открито керамичното съединение Hg-Ba-Ca-Cu-O(F). , критичната температура за която е 138 K. Освен това при налягане от 400 kbar същото съединение е свръхпроводник при температури до 166 K. През 2015 г. беше поставен нов рекорд за температурата, при която се постига свръхпроводимост. За H2S (сероводород) при налягане от 100 GPa беше записан свръхпроводящ преход при температура от 203 K (-70°C).
Слайд 27
1 слайд
Свойства на свръхпроводниците Тъй като в свръхпроводимостта няма съпротивление, не се генерира топлина, когато електрически ток преминава през проводник. Това свойство на свръхпроводниците се използва широко. За всеки свръхпроводник има критична стойност на тока, която може да бъде постигната в проводника, без да се нарушава неговата свръхпроводимост. Това се случва, защото при преминаване на тока около проводника се създава магнитно поле. А магнитното поле разрушава свръхпроводящото състояние. Следователно свръхпроводниците не могат да се използват за създаване на произволно силно магнитно поле. Когато енергията преминава през свръхпроводник, няма загуба на енергия. Една от областите на изследване на съвременните физици е създаването на свръхпроводящи материали при стайна температура.
28 слайд
1 слайд
Свръхпроводимост Понастоящем са известни над 500 чисти елемента и сплави, които проявяват свойството на свръхпроводимост. Според поведението му в доста силен магнитни полетате се разделят на тип 1 и тип 2 свръхпроводници. Свръхпроводниците тип I напълно изместват магнитното поле. Свръхпроводниците от тип 1 включват всички свръхпроводящи елементи с изключение на Nb и V и някои сплави.
Слайд 29
