การนำเสนอในหัวข้อ "กระแสไฟฟ้าในโลหะ" การนำเสนอกระแสไฟฟ้าในโลหะสำหรับบทเรียนฟิสิกส์ (เกรด 11) ในหัวข้อ การเปลี่ยนผ่านของอิเล็กตรอน

เชอร์เชอร์ ผักหัวข้อบทเรียน

กระแสไฟฟ้า

อุปกรณ์ : การนำเสนอ การติดตั้ง การทดลองเรื่องการเปลี่ยนความต้านทานตามอุณหภูมิ

เป้าหมายและวัตถุประสงค์ 1. เพื่อพัฒนาความรู้พื้นฐานของทฤษฎีอิเล็กทรอนิกส์เกี่ยวกับการนำไฟฟ้าของโลหะ การทดลองยืนยัน และการประยุกต์ใช้ทฤษฎีในทางปฏิบัติ

2. เปิดโลกทัศน์ของนักเรียนด้วยเรื่องราวเกี่ยวกับปรากฏการณ์ตัวนำยิ่งยวด

3.สอนการประยุกต์ใช้ความรู้เรื่องการพึ่งพาความต้านทานต่ออุณหภูมิในการแก้ปัญหา

4. เพื่อส่งเสริมความรู้สึกรักชาติโดยทำความคุ้นเคยกับประวัติศาสตร์การค้นพบในสาขาฟิสิกส์สถานะของแข็ง

แผนการสอน (ตามสไลด์)

1.วันนี้ในชั้นเรียน

2. ทำซ้ำอีกครั้ง มีการถามคำถามที่ต้องใช้ความรู้เมื่อเรียนรู้สิ่งใหม่

3. ศึกษาสิ่งใหม่ๆ ก) การนำไฟฟ้าของสารต่างๆ ข) ธรรมชาติของตัวพาประจุในโลหะ c) ทฤษฎีการนำไฟฟ้าของโลหะ d) การพึ่งพาความต้านทานต่ออุณหภูมิ จ) เทอร์โมมิเตอร์วัดความต้านทาน f) ความเป็นตัวนำยิ่งยวดและการประยุกต์

4. การทดสอบการควบคุม (ตรวจสอบหลังจากคลิกเมาส์)

5. การรวมบัญชี มีการเสนอปัญหาสามประการเกี่ยวกับการขึ้นอยู่กับความต้านทานต่ออุณหภูมิ คำตอบจะปรากฏขึ้นหลังจากคลิกเมาส์ นักเรียนนำพารามิเตอร์คงที่ที่จำเป็นจากตาราง

ดูเนื้อหาเอกสาร
"การนำเสนอบทเรียน "กระแสไฟฟ้าในโลหะ" เกรด 10"

กระแสไฟฟ้าในโลหะ

Svetlana Nikolaevna Savvateeva ครูสอนฟิสิกส์ที่ Kemetskaya Secondary School เขต Bologovsky ภูมิภาคตเวียร์

วันนี้ในชั้นเรียน

ความลับก็ชัดเจน อะไรที่ซ่อนอยู่เบื้องหลังแนวคิด “ตัวพาโลหะในปัจจุบัน”

อะไรคือความยากของทฤษฎีคลาสสิกเกี่ยวกับการนำไฟฟ้าของโลหะ?

ทำไมหลอดไส้ถึงไหม้?

ทำไมพวกเขาถึงเหนื่อยหน่ายเมื่อเปิดเครื่อง?

จะสูญเสียความต้านทานได้อย่างไร?

มาทำซ้ำกัน

• กระแสไฟฟ้าคืออะไร?
• เงื่อนไขของการดำรงอยู่ของกระแสมีอะไรบ้าง?
• คุณรู้ผลกระทบของกระแสอะไรบ้าง?
• ทิศทางของกระแสเป็นอย่างไร?
• ค่าใดกำหนดความแรงของกระแสไฟฟ้าในวงจรไฟฟ้า?
• หน่วยของกระแสคืออะไร?
• กระแสไฟขึ้นอยู่กับปริมาณเท่าใด?
• ความเร็วของการแพร่กระจายของกระแสไฟฟ้าในตัวนำเป็นเท่าใด?
• ความเร็วของการเคลื่อนที่แบบสั่งอิเล็กตรอนเป็นเท่าใด?
• ความต้านทานขึ้นอยู่กับกระแสและแรงดันหรือไม่?
• กฎของโอห์มถูกกำหนดขึ้นสำหรับส่วนของโซ่และโซ่ที่สมบูรณ์อย่างไร

ธรรมชาติของผู้ให้บริการชาร์จในโลหะ

ประสบการณ์ของ Rikke (ภาษาเยอรมัน) – 1901 ปี! M = const สิ่งเหล่านี้ไม่ใช่ไอออน!

มานเดลสตัมและปาปาเล็คซี (1913)

สจ๊วตและโทลแมน (2459)

ในทิศทางของกระแส -

โดย І J I - q ⁄ m = e ⁄ m ) คือ อิเล็กตรอน!

กระแสไฟฟ้าในโลหะคือการเคลื่อนที่โดยตรงของอิเล็กตรอน

ทฤษฎีการนำไฟฟ้าของโลหะ

พี. ดรูส, 1900:

• อิเล็กตรอนอิสระ - "ก๊าซอิเล็กตรอน";
• อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ตามกฎของนิวตัน
• อิเล็กตรอนอิสระชนกับคริสตัลไอออน ตะแกรง;
• เมื่อมีการชนกัน อิเล็กตรอนจะถ่ายโอนพลังงานจลน์ของพวกมันไปยังไอออน
• ความเร็วเฉลี่ยเป็นสัดส่วนกับแรงดึงและดังนั้นความต่างศักย์

ร= ฉ ( ρ, ล, ส, ที)

เครื่องวัดอุณหภูมิความต้านทาน

ข้อดี: ช่วยวัดอุณหภูมิต่ำมากและสูงมาก

ตัวนำยิ่งยวด

ปรอทในฮีเลียมเหลว

คำอธิบายเป็นไปตามทฤษฎีควอนตัม

ดี. บาร์ดีน, แอล. คูเปอร์, ดี. ชรีฟเฟอร์ (อเมริกัน) และ

N. Bogolyubov (นักเรียนโซเวียตในปี 2500)

และยัง:

• การได้รับกระแสสูงและสนามแม่เหล็ก
• การส่งกระแสไฟฟ้าโดยไม่สูญเสีย

การทดสอบการควบคุม

• อิเล็กตรอนอิสระเคลื่อนที่ในโลหะได้อย่างไร?

ก. ตามลำดับที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัด ข. ไม่เป็นระเบียบ. ข. มีระเบียบ.

• อิเล็กตรอนอิสระเคลื่อนที่ในโลหะอย่างไรภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้า

ก. ไม่เป็นระเบียบ. ข. มีระเบียบ. ข. สั่งไปในทิศทางของสนามไฟฟ้า ง. เรียงในทิศทางตรงกันข้ามกับสนามไฟฟ้า

• - อนุภาคใดบ้างที่อยู่ในบริเวณตาข่ายคริสตัลของโลหะ และพวกมันมีประจุเท่าใด

ก. ไอออนลบ บีอิเล็กตรอน ข. ไอออนบวก

• กระแสไฟฟ้าที่ใช้ในหลอดไฟฟ้ามีผลกระทบอย่างไร?

ก. แม่เหล็ก. บีความร้อน บีเคมี. ช. แสงและความร้อน

• การเคลื่อนที่ของอนุภาคใดเป็นทิศทางของกระแสในตัวนำ

อ. อิเล็กโทรนอฟ. ข. ไอออนลบ B. ประจุบวก

• ทำไมโลหะถึงร้อนขึ้นเมื่อกระแสไหลผ่าน?

ก. อิเล็กตรอนอิสระชนกัน ข. อิเล็กตรอนอิสระชนกับไอออน ข. ไอออนชนกับไอออน

• ความต้านทานของโลหะเปลี่ยนแปลงอย่างไรเมื่อถูกทำให้เย็นลง?

ก. เพิ่มขึ้น. ข. ลดลง ข. ไม่เปลี่ยนแปลง

1 - บี.2.จี. 3.บี. 4.จี. 5.บี 6.บี 7.บี

แก้ปัญหา

1. ความต้านทานไฟฟ้าของไส้หลอดทังสเตน หลอดไฟฟ้าที่อุณหภูมิ 23 °C เท่ากับ 4 โอห์ม

ค้นหาความต้านทานไฟฟ้าของด้ายที่อุณหภูมิ 0°C

(คำตอบ: 3.6 โอห์ม)

2. ความต้านทานไฟฟ้าของไส้หลอดทังสเตนที่อุณหภูมิ 0°C คือ 3.6 โอห์ม ค้นหาความต้านทานไฟฟ้า

ที่อุณหภูมิ 2,700 K.

(คำตอบ: 45.5 โอห์ม)

3. ความต้านทานไฟฟ้าของสายไฟที่อุณหภูมิ 20 °C คือ 25 โอห์ม ที่อุณหภูมิ 60 ° C คือ 20 โอห์ม หา

ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของความต้านทานไฟฟ้า

(คำตอบ: 0.0045 Kラ¹)

สารบัญ กระแสไฟฟ้าคืออะไร? กระแสไฟฟ้าคืออะไร? ปรากฏการณ์ที่มาพร้อมกับกระแสไฟฟ้า ปรากฏการณ์ที่มาพร้อมกับกระแสไฟฟ้า การทดลองของโทลแมนและสจ๊วต การทดลองของโทลแมนและสจ๊วต ทฤษฎีอิเล็กตรอนคลาสสิก ทฤษฎีอิเล็กตรอนคลาสสิก ทฤษฎีอิเล็กตรอนแบบคลาสสิก สิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้น

กระแสไฟฟ้าคืออะไร? กระแสไฟฟ้าในโลหะคือการเคลื่อนที่ตามลำดับของอิเล็กตรอนภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้า การทดลองแสดงให้เห็นว่าเมื่อกระแสไหลผ่านตัวนำโลหะ ไม่มีสารใดถูกถ่ายโอน ดังนั้นไอออนของโลหะจึงไม่มีส่วนร่วมในการถ่ายโอนประจุไฟฟ้า

ปรากฏการณ์ที่มาพร้อมกับกระแสไฟฟ้า ได้แก่ 1. ตัวนำที่กระแสไฟฟ้าไหลผ่านจะร้อนขึ้น 2. กระแสไฟฟ้าสามารถเปลี่ยนแปลงได้ องค์ประกอบทางเคมีตัวนำ 3. กระแสไฟฟ้ามีผลกระทบต่อกระแสข้างเคียงและตัวแม่เหล็ก 1. ตัวนำที่กระแสไหลผ่านทำให้เกิดความร้อนขึ้น 2. กระแสไฟฟ้าสามารถเปลี่ยนองค์ประกอบทางเคมีของตัวนำได้ 3. กระแสไฟฟ้ามีผลกระทบต่อแรง บนกระแสน้ำใกล้เคียงและวัตถุที่มีแม่เหล็ก

การทดลองของโทลแมนและสจ๊วต (ตอนที่ 1) โครงร่างการทดลองของโทลแมนและสจ๊วตแสดงอยู่ในรูป คอยล์ด้วย จำนวนมากลวดเส้นเล็กถูกดันให้หมุนรอบแกนอย่างรวดเร็ว ปลายของขดลวดถูกเชื่อมต่อโดยใช้สายไฟที่ยืดหยุ่นกับกัลวาโนมิเตอร์แบบ ballistic ที่ละเอียดอ่อน G. ขดลวดที่ไม่มีการบิดนั้นถูกชะลอตัวลงอย่างรวดเร็วและกระแสไฟฟ้าในระยะสั้นก็เกิดขึ้นในวงจรเนื่องจากความเฉื่อยของตัวพาประจุ ประจุทั้งหมดที่ไหลผ่านวงจรวัดโดยการโก่งตัวของเข็มกัลวาโนมิเตอร์ แผนภาพการทดลองของโทลแมนและสจ๊วตแสดงอยู่ในภาพ ขดลวดที่มีเส้นลวดบางจำนวนมากถูกขับเคลื่อนให้หมุนรอบแกนอย่างรวดเร็ว ปลายของขดลวดถูกเชื่อมต่อโดยใช้สายไฟที่ยืดหยุ่นกับกัลวาโนมิเตอร์แบบ ballistic ที่ละเอียดอ่อน G. ขดลวดที่ไม่มีการบิดนั้นถูกชะลอตัวลงอย่างรวดเร็วและกระแสไฟฟ้าในระยะสั้นก็เกิดขึ้นในวงจรเนื่องจากความเฉื่อยของตัวพาประจุ ประจุทั้งหมดที่ไหลผ่านวงจรวัดโดยการโก่งตัวของเข็มกัลวาโนมิเตอร์

(ch2) เมื่อเบรกคอยล์ที่กำลังหมุน แรงเบรกจะกระทำต่อตัวพาประจุ e แต่ละอัน ซึ่งมีบทบาทเป็นแรงภายนอก กล่าวคือ แรงที่มีต้นกำเนิดที่ไม่ใช่ไฟฟ้า แรงภายนอกต่อหน่วยประจุ ตามคำนิยามแล้ว คือความแรงของสนามโดยประมาณของแรงภายนอก: เมื่อขดลวดที่กำลังหมุนเบรก ตัวพาประจุแต่ละอัน e จะต้องได้รับแรงเบรกที่ทำหน้าที่เป็นแรงภายนอก กล่าวคือ แรง ที่ไม่ใช่แหล่งกำเนิดไฟฟ้า แรงภายนอกต่อหน่วยประจุ ตามคำนิยามคือความแรงของสนามไฟฟ้าโดยประมาณของแรงภายนอก: แรงภายนอก แรงภายนอก

(ch3) ดังนั้น ในวงจรเมื่อคอยล์เบรก แรงเคลื่อนไฟฟ้าจึงปรากฏเท่ากับ ดังนั้น ในวงจรเมื่อคอยล์เบรก แรงเคลื่อนไฟฟ้าปรากฏในวงจรเท่ากับ โดยที่ l คือความยาวของคอยล์ ลวด. ในระหว่างการเบรกคอยล์ ประจุ q จะไหลผ่านวงจร เท่ากับ โดยที่ l คือความยาวของขดลวด ในระหว่างการเบรกคอยล์ ประจุ q จะไหลผ่านวงจรเท่ากับ:

(ch4) โดยที่ I คือค่าปัจจุบันของกระแสในขดลวด R คือความต้านทานรวมของวงจร υ0 คือความเร็วเชิงเส้นเริ่มต้นของเส้นลวด โดยที่ I คือค่าปัจจุบันของกระแสในขดลวด R คือความต้านทานรวมของวงจร υ0 คือความเร็วเชิงเส้นเริ่มต้นของเส้นลวด ดังนั้นประจุเฉพาะ e/m ของตัวพากระแสไฟฟ้าอิสระในโลหะจึงเท่ากับ: ดังนั้นประจุเฉพาะ e/m ของตัวพากระแสไฟฟ้าอิสระในโลหะจึงเท่ากับ:

(ch5) สามารถวัดปริมาณทั้งหมดที่รวมอยู่ในด้านขวาของความสัมพันธ์นี้ได้ จากผลการทดลองของโทลแมนและสจ๊วต พบว่าตัวพาประจุฟรีในโลหะมีเครื่องหมายลบ และอัตราส่วนของประจุของตัวพาต่อมวลนั้นใกล้เคียงกับประจุเฉพาะของอิเล็กตรอนที่ได้รับจากที่อื่น การทดลอง ดังนั้นจึงเป็นที่ยอมรับว่าพาหะของประจุอิสระในโลหะคืออิเล็กตรอน สามารถวัดปริมาณทั้งหมดที่รวมอยู่ในด้านขวาของความสัมพันธ์นี้ได้ จากผลการทดลองของโทลแมนและสจ๊วต พบว่าตัวพาประจุฟรีในโลหะมีเครื่องหมายลบ และอัตราส่วนของประจุของตัวพาต่อมวลนั้นใกล้เคียงกับประจุเฉพาะของอิเล็กตรอนที่ได้รับจากที่อื่น การทดลอง ดังนั้นจึงเป็นที่ยอมรับว่าพาหะของประจุอิสระในโลหะคืออิเล็กตรอน จากข้อมูลสมัยใหม่ โมดูลัสประจุของอิเล็กตรอน (ประจุเบื้องต้น) เท่ากับ: จากข้อมูลสมัยใหม่ โมดูลัสประจุของอิเล็กตรอน (ประจุเบื้องต้น) เท่ากับ: และประจุเฉพาะของมันคือ: และประจุเฉพาะของมันคือ:

(ch6) ค่าการนำไฟฟ้าที่ดีของโลหะอธิบายได้ด้วยความเข้มข้นสูงของอิเล็กตรอนอิสระ ซึ่งเท่ากันตามลำดับขนาดตามจำนวนอะตอมต่อหน่วยปริมาตร ค่าการนำไฟฟ้าที่ดีของโลหะอธิบายได้ด้วยความเข้มข้นสูงของอิเล็กตรอนอิสระ ซึ่งเท่ากันตามลำดับขนาดกับจำนวนอะตอมต่อหน่วยปริมาตร

ทฤษฎีอิเล็กตรอนคลาสสิก ข้อสันนิษฐานที่ว่าอิเล็กตรอนมีหน้าที่รับผิดชอบต่อกระแสไฟฟ้าในโลหะเกิดขึ้นเร็วกว่าการทดลองของโทลแมนและสจ๊วตมาก ย้อนกลับไปในปี 1900 นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน P. Drude ได้สร้างทฤษฎีอิเล็กทรอนิกส์เกี่ยวกับการนำโลหะขึ้นมาโดยใช้สมมติฐานของการมีอยู่ของอิเล็กตรอนอิสระในโลหะ ทฤษฎีนี้ได้รับการพัฒนาในงานของนักฟิสิกส์ชาวดัตช์ H. Lorentz และเรียกว่าทฤษฎีอิเล็กทรอนิกส์คลาสสิก ตามทฤษฎีนี้ อิเล็กตรอนในโลหะมีพฤติกรรมเหมือนก๊าซอิเล็กตรอน เหมือนกับก๊าซในอุดมคติ ก๊าซอิเล็กตรอนเติมช่องว่างระหว่างไอออนที่ก่อตัวเป็นโครงผลึกของโลหะ ข้อสันนิษฐานที่ว่าอิเล็กตรอนมีหน้าที่รับผิดชอบต่อกระแสไฟฟ้าในโลหะนั้นเกิดขึ้นเร็วกว่าการทดลองของโทลแมนและสจ๊วตมาก ย้อนกลับไปในปี 1900 นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน P. Drude ได้สร้างทฤษฎีอิเล็กทรอนิกส์เกี่ยวกับการนำโลหะขึ้นมาโดยใช้สมมติฐานของการมีอยู่ของอิเล็กตรอนอิสระในโลหะ ทฤษฎีนี้ได้รับการพัฒนาในงานของนักฟิสิกส์ชาวดัตช์ H. Lorentz และเรียกว่าทฤษฎีอิเล็กทรอนิกส์คลาสสิก ตามทฤษฎีนี้ อิเล็กตรอนในโลหะมีพฤติกรรมเหมือนก๊าซอิเล็กตรอน เหมือนกับก๊าซในอุดมคติ ก๊าซอิเล็กตรอนเติมช่องว่างระหว่างไอออนที่ก่อตัวเป็นโครงตาข่ายคริสตัลโลหะ

สิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้น เนื่องจากอันตรกิริยากับไอออน อิเล็กตรอนสามารถออกจากโลหะได้โดยการเอาชนะสิ่งที่เรียกว่าสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้นเท่านั้น ความสูงของแผงกั้นนี้เรียกว่าฟังก์ชันการทำงาน ที่อุณหภูมิปกติ (ห้อง) อิเล็กตรอนจะมีพลังงานไม่เพียงพอที่จะเอาชนะสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้นได้ เนื่องจากปฏิสัมพันธ์กับไอออน อิเล็กตรอนจึงสามารถออกจากโลหะได้โดยการเอาชนะสิ่งที่เรียกว่าสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้นเท่านั้น ความสูงของแผงกั้นนี้เรียกว่าฟังก์ชันการทำงาน ที่อุณหภูมิปกติ (ห้อง) อิเล็กตรอนจะมีพลังงานไม่เพียงพอที่จะเอาชนะสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้นได้

ความเป็นตัวนำยิ่งยวด ตามทฤษฎีอิเล็กทรอนิกส์คลาสสิก ความต้านทานของโลหะควรลดลงแบบโมโนโทนเมื่อเย็นตัวลง โดยยังคงมีค่าจำกัดอยู่ที่ทุกอุณหภูมิ การพึ่งพาอาศัยกันนี้สังเกตได้จากการทดลองที่อุณหภูมิค่อนข้างสูง ที่อุณหภูมิต่ำกว่าหลายเคลวิน ความต้านทานของโลหะหลายชนิดจะหยุดขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและถึงค่าจำกัดที่แน่นอน อย่างไรก็ตาม ปรากฏการณ์ที่น่าสนใจที่สุดคือปรากฏการณ์อัศจรรย์ของความเป็นตัวนำยิ่งยวด ซึ่งค้นพบโดยนักฟิสิกส์ชาวเดนมาร์ก H. Kammerlingh Onnes ในปี 1911 ที่อุณหภูมิหนึ่ง Tcr ซึ่งแตกต่างกันไปตามสารต่างๆ ความต้านทานจะลดลงทันทีจนเหลือศูนย์ (รูปที่) อุณหภูมิวิกฤตของปรอทคือ 4.1 K สำหรับอะลูมิเนียม 1.2 K สำหรับดีบุก 3.7 K ความเป็นตัวนำยิ่งยวดนั้นสังเกตได้ไม่เพียงแต่ในองค์ประกอบเท่านั้น แต่ยังรวมถึงสารประกอบทางเคมีและโลหะผสมหลายชนิดด้วย ตัวอย่างเช่น สารประกอบไนโอเบียมกับดีบุก (Ni3Sn) มีอุณหภูมิวิกฤต 18 เคลวิน สารบางชนิดที่เปลี่ยนสถานะเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิต่ำไม่ใช่ตัวนำที่อุณหภูมิปกติ ในเวลาเดียวกันตัวนำ "ดี" เช่นทองแดงและเงินจะไม่กลายเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิต่ำ ตามทฤษฎีอิเล็กทรอนิกส์คลาสสิก ความต้านทานของโลหะควรลดลงแบบโมโนโทนเมื่อเย็นตัวลง โดยยังคงมีขอบเขตจำกัดในทุกอุณหภูมิ การพึ่งพาอาศัยกันนี้สังเกตได้จากการทดลองที่อุณหภูมิค่อนข้างสูง ที่อุณหภูมิต่ำกว่าหลายเคลวิน ความต้านทานของโลหะหลายชนิดจะหยุดขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและถึงค่าจำกัดที่แน่นอน อย่างไรก็ตาม ปรากฏการณ์ที่น่าสนใจที่สุดคือปรากฏการณ์อัศจรรย์ของความเป็นตัวนำยิ่งยวด ซึ่งค้นพบโดยนักฟิสิกส์ชาวเดนมาร์ก H. Kammerlingh Onnes ในปี 1911 ที่อุณหภูมิหนึ่ง Tcr ซึ่งแตกต่างกันไปตามสารต่างๆ ความต้านทานจะลดลงทันทีจนเหลือศูนย์ (รูปที่) อุณหภูมิวิกฤตของปรอทคือ 4.1 K สำหรับอะลูมิเนียม 1.2 K สำหรับดีบุก 3.7 K ความเป็นตัวนำยิ่งยวดนั้นสังเกตได้ไม่เพียงแต่ในองค์ประกอบเท่านั้น แต่ยังรวมถึงสารประกอบทางเคมีและโลหะผสมหลายชนิดด้วย ตัวอย่างเช่น สารประกอบไนโอเบียมกับดีบุก (Ni3Sn) มีอุณหภูมิวิกฤต 18 เคลวิน สารบางชนิดที่เปลี่ยนสถานะเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิต่ำไม่ใช่ตัวนำที่อุณหภูมิปกติ ในเวลาเดียวกันตัวนำ "ดี" เช่นทองแดงและเงินจะไม่กลายเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิต่ำ

สารที่อยู่ในสถานะตัวนำยิ่งยวดมีคุณสมบัติพิเศษ ในทางปฏิบัติสิ่งที่สำคัญที่สุดคือความสามารถในการรักษากระแสไฟฟ้าที่ตื่นเต้นในวงจรตัวนำยิ่งยวดเป็นเวลานาน (หลายปี) โดยไม่มีการลดทอน สารที่อยู่ในสถานะตัวนำยิ่งยวดมีคุณสมบัติพิเศษ ในทางปฏิบัติสิ่งที่สำคัญที่สุดคือความสามารถในการรักษากระแสไฟฟ้าที่ตื่นเต้นในวงจรตัวนำยิ่งยวดเป็นเวลานาน (หลายปี) โดยไม่มีการลดทอน ทฤษฎีอิเล็กทรอนิกส์คลาสสิกไม่สามารถอธิบายปรากฏการณ์ของตัวนำยิ่งยวดได้ คำอธิบายกลไกของปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นเพียง 60 ปีหลังจากการค้นพบบนพื้นฐานของแนวคิดทางกลควอนตัม ทฤษฎีอิเล็กทรอนิกส์คลาสสิกไม่สามารถอธิบายปรากฏการณ์ของตัวนำยิ่งยวดได้ คำอธิบายกลไกของปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นเพียง 60 ปีหลังจากการค้นพบนี้บนพื้นฐานของแนวคิดทางกลควอนตัม ความสนใจทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับความเป็นตัวนำยิ่งยวดเพิ่มขึ้นเมื่อมีการค้นพบวัสดุใหม่ที่มีอุณหภูมิวิกฤติสูงกว่า ขั้นตอนที่สำคัญในทิศทางนี้เกิดขึ้นในปี 1986 เมื่อพบว่าสารประกอบเซรามิกเชิงซ้อนหนึ่งสารประกอบมี Tcr = 35 K จากนั้นในปี 1987 ต่อมา นักฟิสิกส์สามารถสร้างเซรามิกใหม่ที่มีอุณหภูมิวิกฤต 98 K ซึ่งเกินอุณหภูมิที่ ไนโตรเจนเหลว (77 เคลวิน) ความสนใจทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับความเป็นตัวนำยิ่งยวดเพิ่มขึ้นเมื่อมีการค้นพบวัสดุใหม่ที่มีอุณหภูมิวิกฤติสูงกว่า ขั้นตอนที่สำคัญในทิศทางนี้เกิดขึ้นในปี 1986 เมื่อพบว่าสารประกอบเซรามิกเชิงซ้อนหนึ่งสารประกอบมี Tcr = 35 K จากนั้นในปี 1987 ต่อมา นักฟิสิกส์สามารถสร้างเซรามิกใหม่ที่มีอุณหภูมิวิกฤต 98 K ซึ่งเกินอุณหภูมิที่ ไนโตรเจนเหลว (77 เคลวิน)

ความเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง ปรากฏการณ์การเปลี่ยนของสารไปสู่สถานะตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิเกินจุดเดือดของไนโตรเจนเหลวเรียกว่าความเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง ในปี 1988 สารประกอบเซรามิกถูกสร้างขึ้นโดยใช้ธาตุ Tl–Ca–Ba–Cu–O โดยมีอุณหภูมิวิกฤต 125 K ปรากฏการณ์การเปลี่ยนผ่านของสารเป็นสถานะตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิเกินจุดเดือดของไนโตรเจนเหลวคือ เรียกว่าตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง ในปี 1988 สารประกอบเซรามิกถูกสร้างขึ้นโดยใช้ธาตุ Tl–Ca–Ba–Cu–O โดยมีอุณหภูมิวิกฤต 125 K ในปัจจุบัน การทำงานอย่างเข้มข้นกำลังดำเนินการเพื่อค้นหาสารใหม่ที่มีค่า Tcr ที่สูงขึ้นไปอีก นักวิทยาศาสตร์หวังว่าจะได้สารนี้ในสถานะเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้อง หากสิ่งนี้เกิดขึ้น มันจะเป็นการปฏิวัติทางวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี และชีวิตของผู้คนโดยทั่วไปอย่างแท้จริง ปัจจุบัน การทำงานอย่างเข้มข้นกำลังดำเนินการเพื่อค้นหาสารใหม่ๆ ที่มีค่า Tcr ที่สูงขึ้นไปอีก นักวิทยาศาสตร์หวังว่าจะได้สารนี้ในสถานะเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้อง หากสิ่งนี้เกิดขึ้น มันจะเป็นการปฏิวัติทางวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี และชีวิตของผู้คนโดยทั่วไปอย่างแท้จริง ควรสังเกตว่าจนถึงปัจจุบันกลไกของความเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงของวัสดุเซรามิกยังไม่ได้รับการอธิบายอย่างสมบูรณ์ ควรสังเกตว่าจนถึงปัจจุบันกลไกของความเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงของวัสดุเซรามิกยังไม่ได้รับการอธิบายอย่างสมบูรณ์

ระดับ: 11

การนำเสนอสำหรับบทเรียน

กลับไปข้างหน้า

ความสนใจ! การแสดงตัวอย่างสไลด์มีวัตถุประสงค์เพื่อให้ข้อมูลเท่านั้น และอาจไม่ได้แสดงถึงคุณลักษณะทั้งหมดของงานนำเสนอ หากสนใจงานนี้กรุณาดาวน์โหลดฉบับเต็ม

วัตถุประสงค์ของบทเรียน:

ขยายแนวคิดเกี่ยวกับลักษณะทางกายภาพของกระแสไฟฟ้าในโลหะ การยืนยันการทดลองของทฤษฎีอิเล็กทรอนิกส์

สานต่อการก่อตัวของแนวคิดทางวิทยาศาสตร์ธรรมชาติในหัวข้อที่กำลังศึกษา

สร้างเงื่อนไขสำหรับการก่อตัวของความสนใจและกิจกรรมทางปัญญาของนักเรียน

การก่อตัวของทักษะ

การก่อตัวของการสื่อสารเพื่อการสื่อสาร

อุปกรณ์: โน๊ตบุ๊ค SMART Board แบบโต้ตอบที่ซับซ้อน เครือข่ายท้องถิ่นคอมพิวเตอร์อินเทอร์เน็ต

วิธีการสอนบทเรียน: รวม

บทบรรยายของบทเรียน:

พยายามเข้าใจวิทยาศาสตร์ให้ลึกซึ้งมากขึ้นเรื่อยๆ
กระหายความรู้อันเป็นนิรันดร์
เฉพาะความรู้แรกเท่านั้นที่จะส่องสว่างแก่คุณ
คุณจะพบว่า: ความรู้ไม่มีขีดจำกัด

เฟอร์โดว์ซี
(กวีเปอร์เซียและทาจิกิสถาน, 940-1030)

แผนการสอน

I. ช่วงเวลาขององค์กร

ครั้งที่สอง งานกลุ่ม

III. การอภิปรายผลการติดตั้งการนำเสนอ

IV. การสะท้อนกลับ

V. การบ้าน

ความคืบหน้าของบทเรียน

สวัสดีทุกคน! นั่งลง วันนี้งานของเราจะเกิดขึ้นเป็นกลุ่ม

การมอบหมายงานกลุ่ม:

I. ลักษณะทางกายภาพของประจุในโลหะ

ครั้งที่สอง ประสบการณ์ของคุณริกกี้

III. ประสบการณ์ของสจ๊วร์ต, โทลแมน. ประสบการณ์ของ Mandelstam, Papaleksi

IV. ทฤษฎีของดรู๊ด

V. ลักษณะเฉพาะของแรงดันกระแสของโลหะ กฎของโอห์ม

วี. การพึ่งพาความต้านทานของตัวนำต่ออุณหภูมิ

ปกเกล้าเจ้าอยู่หัว ความเป็นตัวนำยิ่งยวด

1. การนำไฟฟ้าคือความสามารถของสารในการนำกระแสไฟฟ้าภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าภายนอก

ตามลักษณะทางกายภาพของประจุ - พาหะของกระแสไฟฟ้า การนำไฟฟ้าแบ่งออกเป็น:

ก) อิเล็กทรอนิกส์

B) ไอออนิก

ข) ผสม

2. สารแต่ละชนิดภายใต้เงื่อนไขที่กำหนดนั้นมีลักษณะเฉพาะด้วยการพึ่งพาความแรงของกระแสกับความต่างศักย์

ขึ้นอยู่กับความต้านทานจำเพาะ สารมักจะแบ่งออกเป็น:

ก) ตัวนำ (น< 10 -2 Ом*м)

B) ไดอิเล็กทริก (p > 10 -8 โอห์ม*ม.)

B) เซมิคอนดักเตอร์ (10 -2 โอห์ม*ม.> p>10 -8 โอห์ม*ม.)

อย่างไรก็ตามการแบ่งนี้มีเงื่อนไขเนื่องจากภายใต้อิทธิพลของปัจจัยหลายประการ (ความร้อน การฉายรังสี สิ่งสกปรก) ความต้านทานของสารและลักษณะแรงดันไฟฟ้าในปัจจุบันจะเปลี่ยนไปและบางครั้งก็มีความสำคัญมาก

3. พาหะของประจุอิสระในโลหะคืออิเล็กตรอน พิสูจน์โดยการทดลองคลาสสิก K. Riecke (1901) – นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน; แอล.ไอ. Mandelstam และ N.D. Papaleksi (1913) - เพื่อนร่วมชาติของเรา; T. Stewart และ R. Tolman (1916) - นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน

ประสบการณ์ของคุณริกกี้

Rikke วางกระบอกสูบที่ชั่งน้ำหนักไว้ล่วงหน้าไว้สามกระบอก (ทองแดง 2 อันและอะลูมิเนียม 1 อัน) โดยมีปลายขัดเงาเพื่อให้อะลูมิเนียมอยู่ระหว่างกระบอกทองแดง จากนั้นกระบอกสูบก็เชื่อมต่อกับวงจรไฟฟ้ากระแสตรง: กระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่ไหลผ่านพวกมันเป็นเวลาหนึ่งปี ในช่วงเวลานั้น ประจุไฟฟ้าประมาณ 3.5 ล้าน C ไหลผ่านกระบอกสูบไฟฟ้า ปฏิกิริยาทุติยภูมิของกระบอกสูบที่ดำเนินการด้วยปริมาณไม่เกิน 0.03 มก. แสดงให้เห็นว่ามวลของกระบอกสูบไม่เปลี่ยนแปลงอันเป็นผลมาจากการทดลอง เมื่อตรวจสอบปลายสัมผัสด้วยกล้องจุลทรรศน์ พบว่ามีร่องรอยการเจาะโลหะเพียงเล็กน้อยเท่านั้น ซึ่งไม่เกินผลการแพร่กระจายของอะตอมในของแข็งตามปกติ ผลการทดลองระบุว่าไอออนไม่มีส่วนร่วมในการถ่ายโอนประจุในโลหะ

แอล.ไอ. แมนเดลสตัม

น. . ปาปาเล็กซี่

ประสบการณ์ของ L. I. Mandelstam และ N. D. Papaleksi

นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย L. I. Mandelstam (พ.ศ. 2422-2492 ผู้ก่อตั้งโรงเรียนนักรังสีฟิสิกส์) และ N. D. Papaleksi (พ.ศ. 2423-2490 นักฟิสิกส์โซเวียตที่ใหญ่ที่สุด นักวิชาการ ประธานสภาวิทยาศาสตร์ All-Union เกี่ยวกับรังสีฟิสิกส์และวิศวกรรมวิทยุที่ USSR Academy of Sciences ) ในปี พ.ศ. 2456 ได้จัดแสดงประสบการณ์ดั้งเดิม พวกเขาเอาลวดม้วนหนึ่งแล้วเริ่มบิดไปในทิศทางที่ต่างกัน

พวกเขาจะหมุนตามเข็มนาฬิกา จากนั้นหยุดกะทันหันแล้วย้อนกลับ

พวกเขาให้เหตุผลดังนี้: ถ้าอิเล็กตรอนมีมวลจริงๆ เมื่อขดลวดหยุดกะทันหัน อิเล็กตรอนควรจะเคลื่อนที่ต่อไปตามความเฉื่อยสักระยะหนึ่ง การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนไปตามเส้นลวดถือเป็นกระแสไฟฟ้า มันเกิดขึ้นตามที่เราวางแผนไว้ เราเชื่อมต่อโทรศัพท์เข้ากับปลายสายและได้ยินเสียง เนื่องจากได้ยินเสียงในโทรศัพท์ กระแสจึงไหลผ่าน

ต. สจ๊วต

ประสบการณ์ของ ที.สจ๊วต และ อาร์.โทลแมน

ลองใช้ขดลวดที่สามารถหมุนรอบแกนของมันได้ ปลายของขดลวดเชื่อมต่อกับกัลวาโนมิเตอร์โดยใช้หน้าสัมผัสแบบเลื่อน หากคอยล์ซึ่งหมุนอย่างรวดเร็วถูกเบรกกะทันหัน อิเล็กตรอนอิสระในเส้นลวดจะยังคงเคลื่อนที่ต่อไปตามความเฉื่อย ซึ่งส่งผลให้กัลวาโนมิเตอร์ควรบันทึกพัลส์ปัจจุบัน

ทฤษฎีดรู๊ด

อิเล็กตรอนในโลหะถือเป็นก๊าซอิเล็กตรอน ซึ่งสามารถประยุกต์ใช้ทฤษฎีจลน์ของก๊าซได้ เชื่อกันว่าอิเล็กตรอน เช่นเดียวกับอะตอมก๊าซในทฤษฎีจลน์ศาสตร์ เป็นทรงกลมแข็งเหมือนกันที่เคลื่อนที่เป็นเส้นตรงจนกระทั่งชนกัน สันนิษฐานว่าระยะเวลาของการชนแต่ละครั้งนั้นน้อยมาก และไม่มีแรงอื่นใดนอกจากที่เกิดขึ้นในขณะที่เกิดการชนกันระหว่างโมเลกุล เนื่องจากอิเล็กตรอนเป็นอนุภาคที่มีประจุลบ เพื่อให้เป็นไปตามสภาวะความเป็นกลางทางไฟฟ้า ของแข็งจึงต้องมีอนุภาคประเภทอื่นซึ่งมีประจุบวกด้วย ดรู๊ดแนะนำว่าประจุบวกที่ชดเชยนั้นเป็นของอนุภาค (ไอออน) ที่หนักกว่ามาก ซึ่งเขาถือว่าไม่สามารถเคลื่อนที่ได้ ในสมัยของ Drude ยังไม่ชัดเจนว่าเหตุใดจึงมีอิเล็กตรอนอิสระและไอออนที่มีประจุบวกในโลหะ และไอออนเหล่านี้คืออะไร มีเพียงทฤษฎีควอนตัมของของแข็งเท่านั้นที่สามารถให้คำตอบสำหรับคำถามเหล่านี้ได้ อย่างไรก็ตาม สำหรับสสารหลายชนิด เราสามารถสรุปได้ว่าก๊าซอิเล็กตรอนประกอบด้วยเวเลนซ์อิเล็กตรอนชั้นนอกที่จับกับนิวเคลียสอย่างอ่อน ซึ่ง "อิสระ" ในโลหะและสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระทั่วโลหะ ในขณะที่นิวเคลียสของอะตอมกับอิเล็กตรอน ของเปลือกชั้นใน (แกนอะตอม) ยังคงไม่เปลี่ยนแปลงและมีบทบาทเป็นไอออนบวกที่ไม่เคลื่อนที่ตามทฤษฎี Drude

กระแสไฟฟ้าในโลหะ

โลหะทุกชนิดเป็นตัวนำกระแสไฟฟ้าและประกอบด้วยโครงตาข่ายคริสตัลเชิงพื้นที่ ซึ่งโหนดตรงกับจุดศูนย์กลางของไอออนบวก และอิเล็กตรอนอิสระเคลื่อนที่อย่างวุ่นวายรอบไอออน

หลักการพื้นฐานของทฤษฎีอิเล็กทรอนิกส์เกี่ยวกับการนำไฟฟ้าของโลหะ

1. โลหะสามารถอธิบายได้ด้วยแบบจำลองต่อไปนี้: โครงผลึกของไอออนถูกแช่อยู่ในก๊าซอิเล็กตรอนในอุดมคติที่ประกอบด้วยอิเล็กตรอนอิสระ ในโลหะส่วนใหญ่ แต่ละอะตอมจะถูกแตกตัวเป็นไอออน ดังนั้นความเข้มข้นของอิเล็กตรอนอิสระจึงประมาณเท่ากับความเข้มข้นของอะตอม 10 23 - 10 29 m -3 และแทบไม่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ
2. อิเล็กตรอนอิสระในโลหะมีการเคลื่อนไหวที่วุ่นวายอย่างต่อเนื่อง
3. กระแสไฟฟ้าในโลหะเกิดขึ้นเนื่องจากการเคลื่อนตัวของอิเล็กตรอนอิสระตามคำสั่งเท่านั้น
4. เมื่อชนกับไอออนที่สั่นอยู่ที่โหนดของโครงตาข่ายคริสตัล อิเล็กตรอนจะให้พลังงานส่วนเกินแก่พวกมัน นี่คือสาเหตุที่ตัวนำร้อนขึ้นเมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน

กระแสไฟฟ้าในโลหะ

ความเป็นตัวนำยิ่งยวด

ปรากฏการณ์ความต้านทานลดลงเหลือศูนย์ที่อุณหภูมิอื่นที่ไม่ใช่ศูนย์สัมบูรณ์เรียกว่าตัวนำยิ่งยวด วัสดุที่แสดงความสามารถในการเปลี่ยนไปสู่สถานะตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิที่กำหนดนอกเหนือจากศูนย์สัมบูรณ์เรียกว่าตัวนำยิ่งยวด

กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านในตัวนำยิ่งยวดเกิดขึ้นโดยไม่สูญเสียพลังงาน ดังนั้น เมื่อถูกกระตุ้นในวงแหวนตัวนำยิ่งยวด กระแสไฟฟ้าสามารถดำรงอยู่ได้อย่างไม่มีกำหนดโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลง

วัสดุตัวนำยิ่งยวดถูกนำมาใช้ในแม่เหล็กไฟฟ้าแล้ว การวิจัยกำลังดำเนินการเพื่อสร้างสายไฟฟ้ายิ่งยวด

การประยุกต์ใช้ปรากฏการณ์ความเป็นตัวนำยิ่งยวดในทางปฏิบัติอย่างแพร่หลายอาจกลายเป็นความจริงในอีกไม่กี่ปีข้างหน้าด้วยการค้นพบความเป็นตัวนำยิ่งยวดของเซรามิกในปี 1986 - สารประกอบของแลนทานัม แบเรียม ทองแดง และออกซิเจน สภาพนำยิ่งยวดของเซรามิกดังกล่าวยังคงมีอุณหภูมิประมาณ 100 เคลวิน

ทำได้ดีมากทุกคน! พวกเขาทำงานได้ยอดเยี่ยมมาก มันเปิดออก การนำเสนอที่ดี- ขอบคุณสำหรับบทเรียน!

วรรณกรรม.

1. กอร์บูชิน เอส.เอ. หมายเหตุพื้นฐานสำหรับการเรียนฟิสิกส์สำหรับหลักสูตรมัธยมศึกษา – อีเจฟสค์ “อุดมูร์เทีย”, 1992
2. ลานีนา ไอ.ยา. การก่อตัวของความสนใจทางปัญญาของนักเรียนในบทเรียนฟิสิกส์: หนังสือสำหรับครู – อ.: การศึกษา, 2528.
3. บทเรียนฟิสิกส์ในโรงเรียนสมัยใหม่ การค้นหาเชิงสร้างสรรค์สำหรับครู: หนังสือสำหรับครู / คอมพ์
4. E.M. Braverman / เรียบเรียงโดย V.G. Razumovsky.- ม.: การศึกษา, 2536
5. Digelev F.M. จากประวัติศาสตร์ฟิสิกส์และชีวิตของผู้สร้าง: หนังสือสำหรับนักเรียน - อ.: การศึกษา, 2529

คาร์ทเซฟ วี.แอล. การผจญภัยของสมการอันยิ่งใหญ่ - ฉบับพิมพ์ครั้งที่ 3 - M.: Znanie, 1986. (ชีวิตของความคิดที่ยอดเยี่ยม).

คำอธิบายการนำเสนอเป็นรายสไลด์:

1 สไลด์

คำอธิบายสไลด์:

กระแสไฟฟ้าในโลหะ การนำเสนอได้รับการพัฒนาโดยครูของ CS และ PT Karakasheva I.V. เซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก 2559

1 สไลด์

วัตถุประสงค์ของบทเรียน: ทางการศึกษา: เพื่อแนะนำนักเรียนเกี่ยวกับการนำไฟฟ้าของโลหะและการใช้งานทางเทคนิค เปิดเผยแนวคิดเกี่ยวกับลักษณะทางกายภาพของกระแสไฟฟ้าในโลหะ ดำเนินการสร้างแนวคิดทางวิทยาศาสตร์ธรรมชาติในหัวข้อที่กำลังศึกษาต่อไป สร้างเงื่อนไขสำหรับการก่อตัวของความสนใจทางปัญญา ขยายขอบเขตทางวิทยาศาสตร์และทางเทคนิคของนักเรียน พัฒนาการ: สร้างเงื่อนไขสำหรับการพัฒนาทักษะการสื่อสาร สร้างเงื่อนไขในการพัฒนาความสามารถในการวิเคราะห์ของนักเรียน ความสามารถในการวิเคราะห์ เปรียบเทียบ เปรียบเทียบ สรุป และสรุปผล สร้างเงื่อนไขสำหรับการพัฒนาความจำความสนใจจินตนาการทางการศึกษา: ส่งเสริมการพัฒนาความสามารถในการปกป้องมุมมองของตนเอง ส่งเสริมการพัฒนาวัฒนธรรมความสัมพันธ์เมื่อทำงานเป็นทีม

3 สไลด์

1 สไลด์

โลหะเรียกว่าอะไร? คำจำกัดความแรกของโลหะที่มีชื่อเสียงที่สุดให้ไว้ในช่วงกลางศตวรรษที่ 18 โดย M.V. Lomonosov: “โลหะเป็นตัวถังที่มีน้ำหนักเบาซึ่งสามารถตีขึ้นรูปได้ มีวัตถุดังกล่าวเพียงหกเท่านั้น: ทอง เงิน ทองแดง ดีบุก เหล็ก และตะกั่ว” สองศตวรรษครึ่งต่อมา มีคนรู้จักโลหะมากมาย องค์ประกอบมากกว่า 75% ในตารางของ D.I. Mendeleev เป็นโลหะ และการค้นหาคำจำกัดความที่แม่นยำสำหรับโลหะถือเป็นงานที่แทบจะสิ้นหวัง

4 สไลด์

1 สไลด์

ในปี 1900 นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน P. Drude ได้สร้างทฤษฎีอิเล็กทรอนิกส์เกี่ยวกับการนำโลหะขึ้นมาโดยใช้สมมติฐานของการมีอยู่ของอิเล็กตรอนอิสระในโลหะ ทฤษฎีนี้ได้รับการพัฒนาในงานของนักฟิสิกส์ชาวดัตช์ H. Lorentz (1904) และเรียกว่าทฤษฎีอิเล็กทรอนิกส์คลาสสิก เธอให้คำอธิบายที่เรียบง่ายและเห็นภาพเกี่ยวกับคุณสมบัติทางไฟฟ้าและความร้อนส่วนใหญ่ของโลหะ Paul Drude Karl Ludwig - นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน Hendrik Anton Lorentz - นักฟิสิกส์ชาวดัตช์ ทฤษฎีอิเล็กตรอนคลาสสิก

5 สไลด์

1 สไลด์

การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนเป็นไปตามกฎของกลศาสตร์คลาสสิก อิเล็กตรอนไม่มีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน อิเล็กตรอนมีปฏิสัมพันธ์กับไอออนของโครงตาข่ายคริสตัลเท่านั้น ปฏิกิริยานี้จะลดลงเมื่อมีการชนกัน ในช่วงเวลาระหว่างการชนกัน อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่อย่างอิสระ การนำอิเล็กตรอนก่อตัวเป็น "ก๊าซอิเล็กตรอน" คล้ายกับก๊าซในอุดมคติ “ก๊าซอิเล็กทรอนิกส์” เป็นไปตามกฎของก๊าซในอุดมคติ ในระหว่างการชนกัน อิเล็กตรอนจะถ่ายโอนพลังงานที่สะสมไว้ทั้งหมด หลักการพื้นฐานของทฤษฎี

6 สไลด์

1 สไลด์

โลหะมีโครงตาข่ายคริสตัล ที่โหนดซึ่งมีไอออนบวกที่แกว่งไปรอบตำแหน่งสมดุล และมีอิเล็กตรอนอิสระที่สามารถเคลื่อนที่ได้ตลอดปริมาตรทั้งหมดของตัวนำ (ก๊าซอิเล็กตรอน ขึ้นอยู่กับกฎของก๊าซในอุดมคติ) โครงสร้าง ของโลหะ

7 สไลด์

1 สไลด์

ความเร็วเฉลี่ยการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของอิเล็กตรอนที่อุณหภูมิห้องมีค่าประมาณ 105 เมตร/วินาที โครงสร้างของโลหะ ในโลหะหากไม่มีสนามไฟฟ้า อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่อย่างโกลาหลและชนกัน โดยส่วนใหญ่มักเกิดกับไอออนของโครงผลึก

8 สไลด์

1 สไลด์

กระแสไฟฟ้าในโลหะ ภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้า อิเล็กตรอนอิสระจะเริ่มเคลื่อนที่อย่างเป็นระเบียบระหว่างไอออนของโครงผลึก กระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวนำเนื่องจากมีอิเล็กตรอนอิสระอยู่ในตัวนำซึ่งหลุดออกจากวงโคจรของอะตอม

สไลด์ 9

1 สไลด์

กระแสไฟฟ้าในโลหะ กระแสไฟฟ้าในโลหะคือการเคลื่อนที่ตามลำดับของอิเล็กตรอนภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้า เมื่อกระแสไหลผ่านตัวนำโลหะ จะไม่มีการถ่ายโอนสารเกิดขึ้น ดังนั้น ไอออนของโลหะจึงไม่มีส่วนร่วมในการถ่ายโอนประจุไฟฟ้า สิ่งนี้ได้รับการยืนยันในการทดลองของนักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน E. Ricke ในปี 1901

10 สไลด์

1 สไลด์

การทดลองโดย E.Rikke ในการทดลองเหล่านี้ กระแสไฟฟ้า 0.1 A ถูกส่งผ่านเป็นเวลาหนึ่งปีผ่านกระบอกสูบขัดเงาอย่างดีสามกระบอกที่กดทับกัน ประจุทั้งหมดที่ส่งผ่านกระบอกสูบในช่วงเวลานี้เกิน 3.5 MK หลังจากเสร็จสิ้นพบว่ามีเพียงร่องรอยเล็กน้อยของการแทรกซึมของโลหะซึ่งกันและกัน ซึ่งไม่เกินผลลัพธ์ของการแพร่กระจายของอะตอมในของแข็งตามปกติ การวัดพบว่ามวลของแต่ละกระบอกสูบยังคงไม่เปลี่ยนแปลง เนื่องจากมวลของอะตอมของทองแดงและอะลูมิเนียมแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ มวลของกระบอกสูบจึงต้องเปลี่ยนแปลงอย่างเห็นได้ชัดหากตัวพาประจุเป็นไอออน ดังนั้นตัวพาประจุฟรีในโลหะจึงไม่ใช่ไอออน เห็นได้ชัดว่าประจุขนาดใหญ่ที่ไหลผ่านกระบอกสูบถูกพาไปด้วยอนุภาคที่มีขนาดเท่ากันทั้งในทองแดงและอะลูมิเนียม

11 สไลด์

1 สไลด์

ข้อพิสูจน์เชิงทดลองเกี่ยวกับการมีอยู่ของอิเล็กตรอนอิสระในโลหะ ข้อพิสูจน์เชิงทดลองว่ากระแสในโลหะถูกสร้างขึ้นโดยอิเล็กตรอนอิสระ ซึ่งให้ไว้ในการทดลองโดย L.I. Mandelstam และ N.D. Papaleksi (1913 ผลลัพธ์ไม่ได้รับการตีพิมพ์) รวมถึงการทดลองของ T. Stewart และ R. Tolman (1916) แอล.ไอ. Mandelstam 1879-1949 N.D. Papaleksi 1880-1947 T. Stewart

12 สไลด์

1 สไลด์

คอยล์ที่เชื่อมต่อกับโทรศัพท์หมุนรอบแกนไปในทิศทางที่ต่างกันและชะลอตัวลงอย่างรวดเร็ว หากอิเล็กตรอนมีมวลจริงๆ เมื่อขดลวดหยุดกะทันหัน อิเล็กตรอนก็ควรจะเคลื่อนที่ต่อไปตามความเฉื่อยสักระยะหนึ่ง การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนผ่านสายไฟนั้นเป็นกระแสไฟฟ้า และโทรศัพท์ควรจะส่งเสียง เนื่องจากได้ยินเสียงในโทรศัพท์ จึงมีกระแสไหลผ่าน แต่ไม่มีการวัดหรือการคำนวณเชิงปริมาณในการทดลองเหล่านี้ ประสบการณ์ของ L.I. Mandelstam และ N.D. Papaleksi (1912)

สไลด์ 13

1 สไลด์

ประสบการณ์ของ T. Stewart และ R. Tolman ขดลวดที่มีเส้นลวดเส้นเล็กจำนวนมากถูกขับเคลื่อนให้หมุนรอบแกนอย่างรวดเร็ว ปลายของขดลวดเชื่อมต่อกันโดยใช้สายไฟอ่อนกับกัลวาโนมิเตอร์แบบขีปนาวุธที่มีความละเอียดอ่อน คอยล์ที่ไม่มีการบิดถูกชะลอความเร็วลงอย่างรวดเร็วและกระแสระยะสั้นเกิดขึ้นในวงจรเนื่องจากความเฉื่อยของตัวพาประจุ ประจุทั้งหมดที่ไหลผ่านวงจรวัดโดยการโก่งตัวของเข็มกัลวาโนมิเตอร์

สไลด์ 14

1 สไลด์

การทดลองของ T. Stewart และ R. Tolman ทิศทางของกระแสระบุว่าเกิดจากการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุลบ ด้วยการวัดประจุที่ผ่านกัลวาโนมิเตอร์ตลอดการมีอยู่ของกระแสในวงจร T. Stewart และ R. Tolman ได้ทำการทดลองหาประจุเฉพาะของอนุภาค เขากลับกลายเป็นคนเท่าเทียมกัน

15 สไลด์

1 สไลด์

คุณลักษณะของโวลต์ - แอมแปร์ของโลหะ กระแสไฟฟ้าในโลหะ ตัวพาประจุ - อิเล็กตรอน ความนำไฟฟ้า - อิเล็กทรอนิกส์ ตัวนำที่กระแสไฟฟ้าไหลผ่านจะร้อนขึ้น ตัวนำที่กระแสไหลผ่านมีผลแม่เหล็กต่อวัตถุโดยรอบ

16 สไลด์

1 สไลด์

การพึ่งพาความต้านทานของตัวนำต่ออุณหภูมิ ความต้านทานเป็นปริมาณทางกายภาพที่แสดงถึงความสามารถของตัวนำในการต้านทานการสร้างกระแสไฟฟ้าในนั้น ความต้านทานจำเพาะคือความต้านทานของตัวนำทรงกระบอกที่มีความยาวหน่วยและพื้นที่หน้าตัดของหน่วย เมื่อถูกความร้อนขนาดของตัวนำจะเปลี่ยนไปเล็กน้อย แต่ความต้านทานจะเปลี่ยนไปเป็นหลัก

สไลด์ 17

1 สไลด์

การขึ้นอยู่กับความต้านทานของตัวนำต่ออุณหภูมิ ความต้านทานเฉพาะของตัวนำขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ: โดยที่ ro คือความต้านทานที่ 0 องศา, t คืออุณหภูมิ, α คือค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของความต้านทาน

18 สไลด์

1 สไลด์

การพึ่งพาความต้านทานของตัวนำต่ออุณหภูมิ สำหรับตัวนำโลหะ เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ความต้านทานจะเพิ่มขึ้น ความต้านทานของตัวนำจะเพิ่มขึ้น และกระแสไฟฟ้าในวงจรจะลดลง ความต้านทานของตัวนำที่มีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิสามารถคำนวณได้โดยใช้สูตร: R = Ro (1 + α t) โดยที่ Ro คือความต้านทานของตัวนำที่ 0 องศาเซลเซียส t คืออุณหภูมิของตัวนำ α คืออุณหภูมิ ค่าสัมประสิทธิ์ความต้านทาน

สไลด์ 19

1 สไลด์

การประยุกต์กระแสไฟฟ้าในโลหะ การถ่ายโอนไฟฟ้าจากแหล่งกำเนิดสู่ผู้บริโภค ในมอเตอร์ไฟฟ้าและเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ในอุปกรณ์ทำความร้อน

20 สไลด์

1 สไลด์

ข้อขัดแย้งของทฤษฎีอิเล็กทรอนิกส์คลาสสิก ทฤษฎีอิเล็กทรอนิกส์คลาสสิกอธิบายการมีอยู่ของความต้านทานไฟฟ้าของโลหะ กฎของโอห์ม และจูล-เลนซ์ อย่างไรก็ตาม ในหลายประเด็น ทฤษฎีอิเล็กทรอนิกส์คลาสสิกนำไปสู่ข้อสรุปที่ขัดแย้งกับการทดลอง ทฤษฎีนี้ไม่สามารถอธิบายได้ว่าทำไมความจุความร้อนโมลาร์ของโลหะ รวมถึงความจุความร้อนโมลาร์ของผลึกไดอิเล็กทริกจึงเท่ากับ 3R โดยที่ R คือค่าคงที่ของก๊าซสากล (กฎของ Dulong และ Petit) การมีอยู่ของอิเล็กตรอนอิสระไม่ส่งผลต่อความจุความร้อนของโลหะ ทฤษฎีอิเล็กทรอนิกส์แบบคลาสสิกไม่สามารถอธิบายการขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของความต้านทานของโลหะได้ ทฤษฎีให้ความสัมพันธ์ ในขณะที่ได้รับความพึ่งพา ρ ~ T จากการทดลอง อย่างไรก็ตาม ตัวอย่างที่ชัดเจนที่สุดของความคลาดเคลื่อนระหว่างทฤษฎีกับการทดลองก็คือความเป็นตัวนำยิ่งยวด

21 สไลด์

1 สไลด์

ความเป็นตัวนำยิ่งยวด ตามทฤษฎีอิเล็กทรอนิกส์คลาสสิก ความต้านทานของโลหะควรลดลงแบบโมโนโทนเมื่อเย็นตัวลง โดยยังคงมีค่าจำกัดอยู่ที่ทุกอุณหภูมิ การพึ่งพาอาศัยกันนี้สังเกตได้จากการทดลองที่อุณหภูมิค่อนข้างสูง ที่อุณหภูมิประมาณหลายเคลวิน ความต้านทานของโลหะหลายชนิดจะหยุดขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและถึงค่าจำกัดที่แน่นอน ในปี 1911 นักวิทยาศาสตร์ชาวดัตช์ Geike Kamerling-0nnes ค้นพบว่าเมื่ออุณหภูมิของปรอทลดลงเหลือ 4.1 K ความต้านทานของปรอทจะลดลงทันทีจนเหลือศูนย์ (1853-1926) Geike Kamerling -0nnes นักวิทยาศาสตร์ชาวดัตช์

22 สไลด์

1 สไลด์

ความเป็นตัวนำยิ่งยวด ที่อุณหภูมิหนึ่ง Tcr ซึ่งแตกต่างกันไปตามสารต่างๆ ความต้านทานจะลดลงทันทีจนเหลือศูนย์ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าตัวนำยิ่งยวด วัสดุที่แสดงความสามารถในการเปลี่ยนไปสู่สถานะตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิที่กำหนดนอกเหนือจากศูนย์สัมบูรณ์เรียกว่าตัวนำยิ่งยวด การพึ่งพาความต้านทาน ρ กับอุณหภูมิสัมบูรณ์ T ที่อุณหภูมิต่ำ: a – โลหะปกติ; ข – ตัวนำยิ่งยวด

สไลด์ 23

1 สไลด์

ตัวนำยิ่งยวด G. Kamerlingh Onnes ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1913 “สำหรับการศึกษาคุณสมบัติของสสารที่อุณหภูมิต่ำ” ต่อมาพบว่ามีมากกว่า 25 ราย องค์ประกอบทางเคมี- โลหะกลายเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิต่ำมาก อุณหภูมิต่ำสุดสำหรับทังสเตน - 0.012 K ซึ่งสูงสุดสำหรับไนโอเบียม - 9 K ความเป็นตัวนำยิ่งยวดนั้นสังเกตได้ไม่เพียงแต่ในโลหะบริสุทธิ์เท่านั้น แต่ยังพบได้ในสารประกอบทางเคมีและโลหะผสมหลายชนิด รวมถึงเซมิคอนดักเตอร์บางชนิดด้วย นอกจากนี้องค์ประกอบที่ประกอบเป็นสารประกอบตัวนำยิ่งยวดอาจไม่ใช่ตัวนำยิ่งยวด ตัวอย่างเช่น NiBi, Au2Bi, PdTe, PtS และอื่นๆ ในเวลาเดียวกันตัวนำ "ดี" เช่นทองแดงและเงินจะไม่กลายเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิต่ำ

24 สไลด์

1 สไลด์

ความเป็นตัวนำยิ่งยวด คำอธิบายทางทฤษฎีครั้งแรกเกี่ยวกับความเป็นตัวนำยิ่งยวดให้ไว้ในปี 1935 โดยพี่น้อง Fritz และ Heinz London ทฤษฎีทั่วไปถูกสร้างขึ้นในปี 1950 โดย L. D. Landau และ V. L. Ginzburg อย่างไรก็ตาม ทฤษฎีเหล่านี้ไม่ได้เปิดเผยกลไกโดยละเอียดของความเป็นตัวนำยิ่งยวด ความเป็นตัวนำยิ่งยวดได้รับการอธิบายครั้งแรกในระดับจุลทรรศน์ในปี 1957 ในงานของนักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน John Bardeen, Leon Cooper และ John Schrieffer องค์ประกอบหลักของทฤษฎีของพวกเขาที่เรียกว่าทฤษฎี BCS คือสิ่งที่เรียกว่าอิเล็กตรอนคู่คูเปอร์ ต่อมาถูกค้นพบว่าตัวนำยิ่งยวดแบ่งออกเป็นสองตระกูลใหญ่: ตัวนำยิ่งยวดประเภทที่ 1 (ซึ่งรวมถึงปรอทโดยเฉพาะ) และประเภทที่ 2 (ซึ่งโดยปกติจะเป็นโลหะผสมของโลหะต่างชนิดกัน) งานของ A. A. Abrikosov ในช่วงทศวรรษ 1950 มีบทบาทสำคัญในการค้นพบตัวนำยิ่งยวดประเภท II

25 สไลด์

1 สไลด์

ตัวนำยิ่งยวด ในปี 1962 นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ Brian Josephson ค้นพบผลกระทบที่ได้รับชื่อของเขา ในปี 1986 Karl Müller และ Georg Bednorz ค้นพบตัวนำยิ่งยวดชนิดใหม่ที่เรียกว่าตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง ในช่วงต้นปี 1987 พบว่าสารประกอบของแลนทานัม สตรอนเซียม ทองแดง และออกซิเจน (La-Sr-Cu-O) มีความต้านทานเพิ่มขึ้นเกือบเป็นศูนย์ที่อุณหภูมิ 36 K ในต้นเดือนมีนาคม 1987 ได้รับตัวนำยิ่งยวด เป็นครั้งแรกที่อุณหภูมิสูงกว่าจุดเดือดของไนโตรเจนเหลว (77.4 เคลวิน) พบว่าสารประกอบของอิตเทรียม แบเรียม ทองแดง และออกซิเจน (Y-Ba-Cu-O) มีคุณสมบัตินี้

26 สไลด์

1 สไลด์

ความเป็นตัวนำยิ่งยวด ในปี 1988 ได้มีการสร้างสารประกอบเซรามิก (ส่วนผสมของแทลเลียม แคลเซียม แบเรียม และคอปเปอร์ออกไซด์) ที่มีอุณหภูมิวิกฤติ 125 K ในปี 2003 ได้มีการค้นพบสารประกอบเซรามิก Hg-Ba-Ca-Cu-O(F) ซึ่งมีอุณหภูมิวิกฤติอยู่ที่ 138 K นอกจากนี้ ที่ความดัน 400 kbar สารประกอบชนิดเดียวกันนี้ยังเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงถึง 166 K ในปี 2015 ได้มีการสร้างสถิติใหม่สำหรับอุณหภูมิที่ทำให้เกิดความเป็นตัวนำยิ่งยวด สำหรับ H2S (ไฮโดรเจนซัลไฟด์) ที่ความดัน 100 GPa จะมีการบันทึกการเปลี่ยนแปลงของตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิ 203 K (-70°C)

สไลด์ 27

1 สไลด์

คุณสมบัติของตัวนำยิ่งยวด เนื่องจากไม่มีความต้านทานต่อความเป็นตัวนำยิ่งยวด จึงไม่เกิดความร้อนเมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวนำ คุณสมบัติของตัวนำยิ่งยวดนี้ใช้กันอย่างแพร่หลาย สำหรับตัวนำยิ่งยวดแต่ละตัว มีค่ากระแสวิกฤตที่สามารถทำได้ในตัวนำโดยไม่ละเมิดความเป็นตัวนำยิ่งยวด สิ่งนี้เกิดขึ้นเพราะเมื่อกระแสผ่านไป สนามแม่เหล็กจะถูกสร้างขึ้นรอบๆ ตัวนำ และสนามแม่เหล็กจะทำลายสถานะตัวนำยิ่งยวด ดังนั้นจึงไม่สามารถใช้ตัวนำยิ่งยวดเพื่อสร้างสนามแม่เหล็กแรงสูงโดยพลการได้ เมื่อพลังงานไหลผ่านตัวนำยิ่งยวด จะไม่มีการสูญเสียพลังงาน หนึ่งในสาขาการวิจัยของนักฟิสิกส์สมัยใหม่คือการสร้างวัสดุตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้อง

28 สไลด์

1 สไลด์

ความเป็นตัวนำยิ่งยวด ปัจจุบัน เป็นที่ทราบกันว่าธาตุและโลหะผสมบริสุทธิ์มากกว่า 500 ชนิดมีคุณสมบัติเป็นตัวนำยิ่งยวด ตามพฤติกรรมของเขาค่อนข้างแข็งแกร่ง สนามแม่เหล็กพวกมันแบ่งออกเป็นตัวนำยิ่งยวดประเภท 1 และประเภท 2 ตัวนำยิ่งยวดประเภท I จะแทนที่สนามแม่เหล็กอย่างสมบูรณ์ ตัวนำยิ่งยวดประเภท 1 ประกอบด้วยองค์ประกอบตัวนำยิ่งยวดทั้งหมด ยกเว้น Nb และ V และโลหะผสมบางชนิด

สไลด์ 29