К уроку по физике в 10 классе по теме:"Электрический ток в металлах"

2015 г.

• Электрический ток в металлах представляет собой 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.

• Электрический ток в металлических проводниках никаких изменений в этих проводниках, кроме их нагревания, не вызывает.
• Концентрация электронов проводимости в металле очень велика: по порядку величины она равна числу атомов в единице объёма металла. Электроны в металлах находятся в непрерывном движении. Их беспорядочное движение напоминает движение молекул идеального газа. Это дало основание считать, что электроны в металлах образуют своеобразный электронный газ. Но скорость беспорядочного движения электронов в металле значительно больше скорости молекул в газе.

• В этих опытах электрический ток пропускали в течении года через три прижатых друг к другу, хорошо отшлифованных цилиндра - медный, алюминиевый и снова медный. Общий заряд, прошедший за это время через цилиндры, был очень велик. После окончания было установлено, что имеются лишь незначительные следы взаимного проникновения металлов, которые не превышают результатов обычной диффузии атомов в твёрдых телах. Измерения, проведённые с высокой степенью точности, показали, что масса каждого из цилиндров осталась неизменной. Поскольку массы атомов меди и алюминия существенно отличаются друг от друга, то масса цилиндров должна была бы заметно измениться, если бы носителями заряда были ионы.
• Следовательно, свободными носителями заряда в металлах являются не ионы. Огромный заряд, который прошёл через цилиндры, был перенесён, очевидно, такими частицами, которые одинаковы и в меди, и в алюминии.. Естественно предположить, что ток в металлах осуществляют именно свободные электроны.

• Если электрон обладает массой, то его масса, или способность двигаться по инерции, должна проявляться повсюду, а не только в электрическом поле. Русские ученые Л. И. Мандельштам и Н. Д Папалекси. 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.

• Опыт Мандельштама и Папалекси в 1916 году повторили американские ученые Толмен и Стюарт. 
• 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.

• Т.Стюарт и Р.Толмен определили экспериментально удельный заряд частиц. Он оказался равным

• 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 основании 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 (рис. 1.1).

Рисунок 1.1.Газ свободных электронов в кристаллической решетке металла. Показана траектория одного из электронов

• Хорошая проводимость металлов объясняется наличием в них большого числа электронов.
• Под действием внешнего электрического поля на беспорядочное движение электронов накладывается упорядоченное движение, т.е. возникает ток.
• Сила электрического, тока идущего по металлическому проводнику равна:

• 4. Так как внутреннее строение у разных веществ различное, то и сопротивление тоже будет различным.
• 5. При увеличении хаотического движения частиц вещества происходит нагревание тела, т.е. выделение тепла. Закон Джоуля-Ленца:

• У многих металлов и сплавов при температурах, близких с T =0 К, наблюдается резкое уменьшение удельного сопротивления – это явление называется сверхпроводимостью металлов.
• У многих металлов и сплавов при температурах, близких с T =0 К, наблюдается резкое уменьшение удельного сопротивления – это явление называется сверхпроводимостью металлов.

P

Т

0

Оно было обнаружено голландским физиком Х.Камерлингом – Онессом в 1911 году у ртути ( Т кр =4,2 о К ).

• получение сильных магнитных полей;
• мощные электромагниты со сверхпроводящей обмоткой в ускорителях и генераторах.
• В настоящий момент в энергетике существует большая проблема
• - большие потери электроэнергии при передаче ее по проводам.
• Возможное решение проблемы:
• при сверхпроводимости сопротивление проводников приблизительно равно 0
• и потери энергии резко уменьшаются.

• Свойством сверхпроводимости обладают около половины металлов и несколько сотен сплавов.
• Сверхпроводящие свойства зависят от типа кристаллической структуры . Изменение её может перевести вещество из обычного в сверхпроводящее состояние.
• Критические температуры изотопов элементов, переходящих в сверхпроводящее состояние, связаны с массами изотопов соотношением:

Т э (М э ) 1/2 = const (изотопический эффект)

Сильное магнитное поле разрушает эффект сверхпроводимости. Следовательно, при помещении в магнитное поле свойство сверхпроводимости может исчезнуть.