Презентация на тему "электрический ток в металлах"". Электрический ток в металлах презентация к уроку по физике (11 класс) на тему Электронно-дырочный переход. Транзистор

Тема урока.Электрический ток в металлах.

Урок изучения нового с элементами контроля и повторения.

Оборудование: презентация, установка для опыта по изменению сопротивления в зависимости от температуры.

Цели и задачи. 1. Сформировать знания основ электронной теории проводимости металлов, опытного обоснования и применения теории на практике.

2. Расширить кругозор учащихся рассказом о явлении сверхпроводимости.

3.Научить применять знания зависимости сопротивления от температуры в решении задач.

4.Воспитывать патриотические чувства через ознакомление с историей открытий в области физики твердого тела.

План урока. (по слайдам)

1.Сегодня на уроке.

2.Повторим. Даны вопросы, знания которых требуется при изучении нового.

3. Изучение нового: а) электропроводносчть разных веществ;б) природа носителей зарядов в металлах; в) теория электропроводности металлов; г) зависимость сопротивления от температуры; д) термометры сопротивления; е) сверхпроводимость и ее применение.

4. Контрольный тест. (Проверка после клика мышью).

5. Закрепление. Предложены 3 задачи на зависимость сопротивления от температуры. Ответы проявляются после клика мышью. Необходимые постоянные параметры ученики берут из таблиц.

Просмотр содержимого документа
«Презентация к уроку "Электрический ток в металлах", 10 класс.»

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?

ПРИРОДА НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В МЕТАЛЛАХ

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

Мандельштам и Папалекси (1913 г.)

Стюарт и Толмен (1916 г.)

По направлению тока -

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

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.)

А также:

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

Контрольный тест

• Как движутся свободные электроны в металлах?

А. В строгом определенном порядке. Б. Беспорядочно. В. Упорядоченно.

• Как движутся свободные электроны в металлах под действием электрического поля?

А. Беспорядочно. Б. Упорядоченно. В. Упорядоченно в направлении электрического поля. Г. Упорядоченно в направлении противоположном электрическому полю.

• . Какие частицы располагаются в узлах кристаллической решетки металлов и какой заряд они имеют?

А. Отрицательные ионы. Б. Электроны. В. Положительные ионы.

• Какое действие электрического тока используется в электролампах?

А. Магнитное. Б. Тепловое. В. Химическое. Г. Световое и тепловое.

• Движение каких частиц принято за направление тока в проводнике?

А.Электронов. Б. Отрицательных ионов. В. Положительных зарядов.

• Почему металлы нагреваются при прохождении по ним тока?

А. Свободные электроны сталкиваются друг с другом. Б. Свободные электроны сталкиваются с ионами. В. Ионы сталкиваются с ионами.

• Как изменяется сопротивление металлов при охлаждении их?

А. Увеличивается. Б. Уменьшается. В. Не изменяется.

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.

(Ответ: 0,0045 К¯¹)

Оглавление Что такое электрический ток? Что такое электрический ток? Явлениям, которые сопровождают электрический ток Явлениям, которые сопровождают электрический ток Опыт Толмена и Стюарта Опыт Толмена и Стюарта Классическая электронная теория Классическая электронная теория Потенциальный барьер Потенциальный барьер Сверхпроводимость Сверхпроводимость Высокотемпературная сверхпроводимость Высокотемпературная сверхпроводимость

Что такое электрический ток? 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.

Явления, которые сопровождают электрический ток 1. проводник, по которому течет ток, нагревается, 2. электрический ток может изменять химический состав проводника, 3. ток оказывает силовое воздействие на соседние токи и намагниченные тела 1. проводник, по которому течет ток, нагревается, 2. электрический ток может изменять химический состав проводника, 3. ток оказывает силовое воздействие на соседние токи и намагниченные тела

Опыт Толмена и Стюарта (ч1) Схема опыта Толмена и Стюарта показана на рисунке. 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 Г. Раскрученная катушка резко тормозилась, и в цепи возникал кратковременных ток, обусловленный инерцией носителей заряда. Полный заряд, протекающий по цепи, измерялся по отбросу стрелки гальванометра. Схема опыта Толмена и Стюарта показана на рисунке. 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 Г. Раскрученная катушка резко тормозилась, и в цепи возникал кратковременных ток, обусловленный инерцией носителей заряда. Полный заряд, протекающий по цепи, измерялся по отбросу стрелки гальванометра.

(ч2) 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: 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:сторонней силысторонней силы

(ч3) Следовательно, в цепи при торможении катушки возникает электродвижущая сила, равная: Следовательно, в цепи при торможении катушки возникает электродвижущая сила, равная: где l – длина проволоки катушки. За время торможения катушки по цепи протечет заряд q, равный: где l – длина проволоки катушки. За время торможения катушки по цепи протечет заряд q, равный:

(ч4) Здесь I – мгновенное значение силы тока в катушке, R – полное сопротивление цепи, υ0 – начальная линейная скорость проволоки. 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: Отсюда удельный заряд e / m свободных носителей тока в металлах равен:

(ч5) Все величины, входящие в правую часть этого соотношения, можно измерить. На основании результатов опытов Толмена и Стюарта было установлено, что носители свободного заряда в металлах имеют отрицательный знак, а отношение заряда носителя к его массе близко к удельному заряду электрона, полученному из других опытов. Так было установлено, что носителями свободных зарядов в металлах являются электроны. Все величины, входящие в правую часть этого соотношения, можно измерить. На основании результатов опытов Толмена и Стюарта было установлено, что носители свободного заряда в металлах имеют отрицательный знак, а отношение заряда носителя к его массе близко к удельному заряду электрона, полученному из других опытов. Так было установлено, что носителями свободных зарядов в металлах являются электроны. По современным данным модуль заряда электрона (элементарный заряд) равен: По современным данным модуль заряда электрона (элементарный заряд) равен: а его удельный заряд есть: а его удельный заряд есть:

(ч6) Хорошая электропроводность металлов объясняется высокой концентрацией свободных электронов, равной по порядку величины числу атомов в единице объема. Хорошая электропроводность металлов объясняется высокой концентрацией свободных электронов, равной по порядку величины числу атомов в единице объема.

Классическая электронная теория 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. 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 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. 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

Потенциальный барьер 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. 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.

Сверхпроводимость Согласно классической электронной теории, удельное сопротивление металлов должно монотонно уменьшаться при охлаждении, оставаясь конечным при всех температурах. Такая зависимость действительно наблюдается на опыте при сравнительно высоких температурах. При более низких температурах порядка нескольких кельвинов удельное сопротивление многих металлов перестает зависеть от температуры и достигает некоторого предельного значения. Однако наибольший интерес представляет удивительное явление сверхпроводимости, открытое датским физиком Х. Каммерлинг-Оннесом в 1911 году. При некоторой определенной температуре Tкр, различной для разных веществ, удельное сопротивление скачком уменьшается до нуля (рис). Критическая температура у ртути равна 4,1 К, у аллюминия 1,2 К, у олова 3,7 К. Сверхпроводимость наблюдается не только у элементов, но и у многих химических соединений и сплавов. 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. Согласно классической электронной теории, удельное сопротивление металлов должно монотонно уменьшаться при охлаждении, оставаясь конечным при всех температурах. Такая зависимость действительно наблюдается на опыте при сравнительно высоких температурах. При более низких температурах порядка нескольких кельвинов удельное сопротивление многих металлов перестает зависеть от температуры и достигает некоторого предельного значения. Однако наибольший интерес представляет удивительное явление сверхпроводимости, открытое датским физиком Х. Каммерлинг-Оннесом в 1911 году. При некоторой определенной температуре Tкр, различной для разных веществ, удельное сопротивление скачком уменьшается до нуля (рис). Критическая температура у ртути равна 4,1 К, у аллюминия 1,2 К, у олова 3,7 К. Сверхпроводимость наблюдается не только у элементов, но и у многих химических соединений и сплавов. 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.

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. 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. 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. 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. 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). Научный интерес к сверхпроводимости возрастал по мере открытия новых материалов с более высокими критическими температурами. 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).

Высокотемпературная сверхпроводимость 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. 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. В настоящее время ведутся интенсивные работы по поиску новых веществ с еще более высокими значениями Tкр. Ученые надеются получить вещество в сверхпроводящем состоянии при комнатной температуре. Если это произойдет, это будет настоящей революцией в науке, технике и вообще в жизни людей. В настоящее время ведутся интенсивные работы по поиску новых веществ с еще более высокими значениями Tкр. Ученые надеются получить вещество в сверхпроводящем состоянии при комнатной температуре. Если это произойдет, это будет настоящей революцией в науке, технике и вообще в жизни людей. Следует отметить, что до настоящего времени механизм высокотемпературной сверхпроводимости керамических материалов до конца не выяснен. Следует отметить, что до настоящего времени механизм высокотемпературной сверхпроводимости керамических материалов до конца не выяснен.

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.

1. Металл можно описать следующей моделью: кристаллическая решетка ионов погружена в идеальный электронный газ, состоящий из свободных электронов. У большинства металлов каждый атом ионизирован, поэтому концентрация свободных электронов приблизительно равна концентрации атомов 10 23 - 10 29 м -3 и почти не зависит от температуры.
2. Свободные электроны в металлах находятся в непрерывном хаотическом движении.
3. Электрический ток в металле образуется только за счет упорядоченного движения свободных электронов.
4. Сталкиваясь с ионами, колеблющимися в узлах кристаллической решетки, электроны отдают им избыточную энергию. Вот почему при прохождении тока проводники нагреваются.

Электрический ток в металлах.

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.

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

Описание презентации по отдельным слайдам:

1 слайд

Описание слайда:

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В МЕТАЛЛАХ Презентация разработана преподавателем КС и ПТ Каракашевой И.В. Санкт – Петербург 2016

2 слайд

Описание слайда:

Цели урока: Образовательные: познакомить учащихся с проводимостью металлов и ее техническим использованием; раскрыть понятие физической природы электрического тока в металлах; продолжить формирование естественно-научных представлений по изучаемой теме; создать условия для формирования познавательного интереса; расширить научно-технический кругозор учащихся Развивающие: создать условия для развития коммуникативных навыков; создать условия для развития аналитических способностей учащихся, умения анализировать, сопоставлять, сравнивать, обобщать, делать выводы; создать условия для развития памяти, внимания, воображения Воспитательные: способствовать развитию умения отстаивать свою точку зрения; способствовать развитию культуры взаимоотношений при работе в коллективе

3 слайд

Описание слайда:

Что называется металлом? Самое известное из ранних определений металла было дано в середине XVIII века М.В. Ломоносовым: “Металлом называется светлое тело, которое ковать можно. Таких тел только шесть: золото, серебро, медь, олово, железо и свинец”. Спустя два с половиной века многое стало известно о металлах. К числу металлов относится более 75% всех элементов таблицы Д. И. Менделеева, и подобрать абсолютно точное определение для металлов – почти безнадежная задача.

4 слайд

Описание слайда:

В1900 году немецкий ученый П. Друде на основании гипотезы о существовании свободных электронов в металлах создал электронную теорию проводимости металлов. Эта теория получила развитие в работах голландского физика Х. Лоренца (1904 г.) и носит название классической электронной теории. Она дала простое и наглядное объяснение большинства электрических и тепловых свойств металлов. Пауль Друде Карл Людвиг - немецкий физик Хендрик Антон Лоренц- голландский физик Классическая электронная теория

5 слайд

Описание слайда:

Движение электронов подчиняется законам классической механики. Электроны друг с другом не взаимодействуют. Электроны взаимодействуют только с ионами кристаллической решётки, взаимодействие это сводится к соударению. В промежутках между соударениями электроны движутся свободно. Электроны проводимости образуют «электронный газ», подобно идеальному газу. «Электронный газ» подчиняется законам идеального газа. При любом соударении электрон передаёт всю накопленную энергию. Основные положения теории

6 слайд

Описание слайда:

Металл обладает кристаллической решеткой, в узлах которой находятся положительные ионы, колеблющихся около положения равновесия, и свободных электронов, способных перемещаться по всему объему проводника (электронный газ, подчиняющийся законам идеального газа) Строение металла

7 слайд

Описание слайда:

Средняя скорость теплового движения электронов при комнатной температуре составляет примерно 105 м/с. Строение металла В металле в отсутствие электрического поля электроны хаотически движутся и сталкиваются, чаще всего с ионами кристаллической решетки.

8 слайд

Описание слайда:

Электрический ток в металлах Под действием электрического поля свободные электроны начинают упорядоченно перемещаться между ионами кристаллической решетки. Электрический ток протекает по проводнику благодаря наличию в нем свободных электронов, сорвавшихся с атомных орбит

9 слайд

Описание слайда:

Электрический ток в металлах Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение электронов под действием электрического поля. При протекании тока по металлическому проводнику переноса вещества не происходит, следовательно, ионы металла не принимают участия в переносе электрического заряда. Это было подтверждено в опытах немецкого физика Э.Рикке в 1901 году.

10 слайд

Описание слайда:

Опыты Э.Рикке В этих опытах электрический ток 0,1 А пропускали в течении года через три прижатых друг к другу, хорошо отшлифованных цилиндра. Общий заряд, прошедший за это время через цилиндры, превысил 3,5 МК. После окончания было установлено, что имеются лишь незначительные следы взаимного проникновения металлов, не превышающие результатов обычной диффузии атомов в твёрдых телах. Измерения 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.

11 слайд

Описание слайда:

Экспериментальное доказательство существования свободных электронов в металлах Экспериментальное доказательство того, что ток в металлах создается свободными электронами, было дано в опытах Л.И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси (1913 г., результаты не были опубликованы), а также опытах Т. Стюарта и Р. Толмена (1916 г.). Л.И. Мандельштам 1879-1949 Н. Д. Папалекси 1880-1947 Т. Стюарт

12 слайд

Описание слайда:

Катушка, соединенная с телефоном, раскручивалась вокруг своей оси в разные стороны и резко тормозилась. 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, и телефон должен издавать звук. Раз в телефоне слышен звук, следовательно, через него ток протекает. Но никакие измерения и количественные расчеты в этих опытах не были произведены. Опыт Л.И.Мандельштама и Н.Д.Папалекси (1912 г.)

13 слайд

Описание слайда:

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

14 слайд

Описание слайда:

Опыт Т.Стюарта и Р.Толмена Направление тока свидетельствовало о том, что он обусловлен движением отрицательно заряженных частиц. Измеряя заряд, проходящий через гальванометр за все время существования тока в цепи, Т.Стюарт и Р.Толмен определили экспериментально удельный заряд частиц. Он оказался равным

15 слайд

Описание слайда:

Вольт – амперная характеристика металлов Электрический ток в металлах Носители заряда – электроны Проводимость – электронная Проводник, по которому течет ток, нагревается. Проводник, по которому течет ток, оказывает магнитное действие на окружающие тела.

16 слайд

Описание слайда:

Зависимость сопротивления проводника от температуры Сопротивление - это физическая величина, характеризующая способность проводника противодействовать установлению электрического тока в нем. Удельное сопротивление – это сопротивление цилиндрического проводника единичной длины и единичной площадью поперечного сечения. При нагревании размеры проводника меняются мало, а в основном меняется удельное сопротивление.

17 слайд

Описание слайда:

Зависимость сопротивления проводника от температуры Удельное сопротивление проводника зависит от температуры: где ро - удельное сопротивление при 0 градусов, t - температура, α - температурный коэффициент сопротивления

18 слайд

Описание слайда:

Зависимость сопротивления проводника от температуры Для металлических проводников с ростом температуры увеличивается удельное сопротивление, увеличивается сопротивление проводника и уменьшается электрический ток в цепи. Сопротивление проводника при изменении температуры можно рассчитать по формуле: R = Ro (1 + α t), где Ro - сопротивление проводника при 0 градусов Цельсия t - температура проводника α - температурный коэффициент сопротивления

19 слайд

Описание слайда:

Применение тока в металлах Передача электроэнергии от источника к потребителям В электродвигателях и генераторах В нагревательных приборах

20 слайд

Описание слайда:

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

21 слайд

Описание слайда:

Сверхпроводимость Согласно классической электронной теории, удельное сопротивление металлов должно монотонно уменьшаться при охлаждении, оставаясь конечным при всех температурах. Такая зависимость действительно наблюдается на опыте при сравнительно высоких температурах. При температурах порядка нескольких кельвинов удельное сопротивление многих металлов перестает зависеть от температуры и достигает некоторого предельного значения. В 1911 г. нидерландский ученый Гейке Камерлинг-0ннес обнаружил, что при понижении температуры ртути до 4,1 К ее удельное сопротивление скачком уменьшается до нуля. (1853- 1926) Гейке Камерлинг -0ннес, нидерландский ученый

22 слайд

Описание слайда:

Сверхпроводимость При некоторой определенной температуре Tкр, различной для разных веществ, удельное сопротивление скачком уменьшается до нуля. Это явление называется сверхпроводимостью. Материалы, обнаруживающие способность переходить при некоторых температурах, отличных от абсолютного нуля, в сверхпроводящее состояние, называются сверхпроводниками. Зависимость удельного сопротивления ρ от абсолютной температуры T при низких температурах: a – нормальный металл; b – сверхпроводник

23 слайд

Описание слайда:

Сверхпроводимость Г. Камерлинг-Оннес был удостоен Нобелевской премии по физике 1913 г. «за исследования свойств вещества при низких температурах». В дальнейшем было выяснено, что более 25 химических элементов - металлов при очень низких температурах становятся сверхпроводниками. Самая низкая температура у вольфрама - 0,012 К, самая высокая у ниобия - 9 К. Сверхпроводимость наблюдается не только у чистых металлов, но и у многих химических соединений и сплавов и некоторых полупроводников. При этом сами элементы, входящие в состав сверхпроводящего соединения, могут и не являться сверхпроводниками. Например, NiBi, Au2Bi, PdTe, PtS и другие. В то же время такие «хорошие» проводники, как медь и серебро, не становятся сверхпроводниками при низких температурах.

24 слайд

Описание слайда:

Сверхпроводимость Первое теоретическое объяснение сверхпроводимости было дано в 1935 году братьями Фрицем и Хайнцем Лондоном. Более общая теория была построена в 1950 году Л. Д. Ландау и В. Л. Гинзбургом. Однако эти теории не раскрывали детальные механизмы сверхпроводимости. Впервые сверхпроводимость получила объяснение на микроскопическом уровне в 1957 году в работе американских физиков Джона Бардина, Леона Купера и Джона Шриффера. Центральным элементом их теории, получившей название теории БКШ, являются так называемые куперовские пары электронов. Позднее было установлено, что сверхпроводники делятся на два больших семейства: сверхпроводников I типа (к ним, в частности, относится ртуть) и II типа(которыми обычно являются сплавы разных металлов). В открытии сверхпроводимости II типа значительную роль сыграли работы А. А. Абрикосова в 1950-е.

25 слайд

Описание слайда:

Сверхпроводимость В 1962 году английским физиком Брайаном Джозефсоном был открыт эффект, получивший его имя. В 1986 году Карл Мюллер и Георг Беднорц открыли новый тип сверхпроводников, получивших название высокотемпературных. В начале 1987 года было показано, что соединения лантана, стронция, меди и кислорода (La-Sr-Cu-O) испытывают скачок сопротивления практически до нуля при температуре 36 К. В начале марта 1987 года был впервые получен сверхпроводник при температуре, превышающей температуру кипения жидкого азота (77,4 К): было обнаружено, что таким свойством обладает соединение иттрия, бария, меди и кислорода (Y-Ba-Cu-O).

26 слайд

Описание слайда:

Сверхпроводимость В 1988 году было создано керамическое соединение (смесь оксидов таллия, кальция, бария и меди) с критической температурой 125 К. В 2003 году было открыто керамическое соединениюеHg-Ba-Ca-Cu-O(F), критическая температура для которого равна 138 К. Более того, при давлении 400 кбар то же соединение является сверхпроводником при температурах до 166 К. В 2015 году был установлен новый рекорд температуры, при которой достигается сверхпроводимость. Для H2S (сероводород) при давлении 100 ГПа был зафиксирован сверхпроводящий переход при температуре 203 К (-70°C).

27 слайд

Описание слайда:

Свойства сверхпроводников Так как сопротивление в сверхпроводимости отсутствует, то не происходит выделения тепла при прохождении через проводник электрического тока. Это свойство сверхпроводников широко используется. Для каждого сверхпроводника существует критическое значение силы тока, которое можно достигнуть в проводнике, не нарушая его сверхпроводимости. Это происходит потому, что при прохождении силы тока, вокруг проводника создается магнитное поле. А магнитное поле разрушает сверхпроводящее состояние. Поэтому сверхпроводники невозможно использовать для получения сколь угодно сильного магнитного поля. При прохождении энергии через сверхпроводник не происходит её потерь. Одним из направлений исследований современных физиков, является создание сверхпроводящих материалов при комнатных температурах.

28 слайд

Описание слайда:

Сверхпроводимость В настоящее время известно свыше 500 чистых элементов и сплавов, обнаруживающих свойство сверхпроводимости. По своему поведению в достаточно сильных магнитных полях они подразделяются на сверхпроводники 1-го и 2-го рода. Сверхпроводники I рода полностью вытесняют магнитное поле. К сверхпроводникам 1 рода относятся все элементы-сверхпроводники, кроме Nb и V, и некоторые сплавы.

29 слайд