Урок-аукцион: "Электрический ток в средах"

Урок-аукцион: "Электрический ток в средах" ПЛАН:

1. Электрический ток в металлах.

2. Электрический ток в полупроводниках.

3. Электрический ток в вакууме.

4. Электрический ток в жидкостях.

5. Электрический ток в газах.

1. Первым на аукцион выставляю электродвигатель. Он будет считаться проданным той команде, которая даст больше сведений о нем. Ответы будут засчитаны, если они будут содержать:

1. назначение;

2. устройство;

3. прицип действия;

4. кто изобрел;

5. применение;

За каждый правильный ответ командам будет даваться карточка с символом данного прибора (или жетон). В конце торгов эти карточки будут подсчитаны и прибор получит та команда , которая соберет большее количество.

Ответы:

-в 1838 г. рус. уч .Б .С .Якоби построил первый пригодный для практического применения электродвигатель постоянного тока для привода гребного вала лодки ;

-позднее он усовершенствовал конструкцию, в таком виде он применяется и сейчас;

-в 1889 г. рус инженер М.О .Доливо -Добровольский изобрел трех фазный двигатель переменного тока ;

-основным устройством двигателя является вращающая часть - ротор и неподвижная часть-статор;

-в электродвигателе применяются проводники из различных материалов, способных проводить эл. ток ;

-принцип действия основан на преобразовании электрической энергии в механическую ;

-ток в проводниках переносится свободными электронами;

-скорость движения зависит от температуры;

-электронную проводимость доказали советские физики Д.И. Мендельштам и Н.Д. Папалекси в 1913 г.;

-в 1916 г. английские физики В. Толмен и В.Стюарт опытом : приводили катушку в движение , а затем резко тормозили , стрелка гальванометра отклонялась ( после торможения электроны продолжали движение по инерции ) , по направлению отклонения определили , что это отрицательные частицы ;

-концентрация этих частиц в металле велика - порядка 10 ²⁵ 1/м³;

-электроны в проводниках под действием эл. тока движутся со средней скоростью 10 ^-4 м/с;

-скорость рассчитывается по формуле:

-экспериментально было установлено, что с ростом температуры сопротивление проводника растет по линейному закону p = p₀ ( 1 +L t ) ;

-больше сопротивление больше нагрев тел, что надо учитывать при подборе проводников в различных электроприборах, а так же их работу при различных температурах;

-зависимость сопротивления от температуры используют в термометрах сопротивления, они могут измерять как очень низкие, так и очень высокие температуры;

-при низких температурах сопротивление падает до нуля, проводник может проводить ток без потерь на нагревание - это явление обнаружил голландский физик Г. Камерлинг - Онесс охлаждая ртуть до 4,1 К, т.е. однажды возбужденный в таком материале ток может существовать очень долго без изменений; такое явление было названо сверхпроводимостью;

--в 1957 г. сов.уч. Боголюбов, ам. уч. Бардин, Купер и Шриффер дали этому объяснение на основе квантовой теории;

--из таких материалов можно соорудить мощные магниты, использовать в УЭЧ, магнитогидродинамических генераторах;

--сверхпроводниковые двигатели вращаются с большими скоростями, меньше вибрируют, менее шумные;

--ученые работают в области сверхпроводников из керамических материалов;

--область применения электродвигателя обширна: электровозы, в магнитофонах, бытовых приборах , для привода станков , насосов , в лифтах и так далее ( можно принимать применение одно от команды и за каждое давать жетон ) .

После ответов заполняется общая таблица по строкам:

а). природа носителей - свободные электроны

б).характер движения - беспорядочное, под действием эл. тока от одного конца проводника к другому

в).вольт - амперная характеристика ( прямопропорциональная зависимость силы тока от напряжения ) объяснение этой зависимости : t , R ---- V , след. по закону Ома J соотв. U

г). зависимость проводимости от температуры — с ростом температуры проводимость ухудшается

д). применение: электроприборы, генераторы, трансформаторы, линия электропередач.

2. Вторым на аукцион выставляются полупроводниковые элементы : диод, транзистор, термистор, фоторезистор.

Ответы:

--полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками

--одним из первых эти материалы начал изучать А.Ф. Иоффе, который выяснил, что нагревании или освещении их сопротивление уменьшается;

--еще он выяснил, что проводимость контактов двух проводников - односторонняя;

--у чистых полупроводников электронно-дырочная проводимость;

--есть примесные полупроводники двух типов : n- типа и р - типа ;

--полупроводники п- типа называют донорными , они обладают электронной проводимостью ;

--полупроводники р- типа называют акцепторными, они обладают дырочной проводимостью ;

--принцип действия большинство приборов основан на р-п ( п-р ) переходе ;

--при спайке двух полупроводников в месте спайке образуется диффузный слой (взаимное проникновение носителей в соседний слой);

--при соединение р- перехода с + клеммой источника тока , а п- типа --с “ --” ист.т., т.е. с основным носителями заряда, диффузный слой ссужается , R уменьшается --идет ток ;

--при обратной полярности - диффузный слой расширяется, R возрастает --ток не идет, в этом и заключается односторонняя проводимость;

--на таком принципе основана работа диода, который используется для выпрямления переменного тока (показать его обозначение в цепи );

--диод используется в радиоаппаратуре, ЭВМ;

--его достоинство - малые размеры, малая масса, длительный срок службы, высокая прочность и большой КПД;

--у диода есть и недостатки - зависит от температуры ( диапазон 70 -125 ⁰С ) ;

--диоды на природных кристаллах применил впервые нем.физик Ф.К. Браун в 1874 г. ;

--в России А.С.Попов применил их для изобретения радио;

--в 40-х годах О.В. Лосев - на германии - применение в радиолокации;

--теория выпрямления тока диодом принадлежит сов. физ. Б.И.Давыдову и Блохинцеву ;

--понятие “ дырка “ введен сов .физ. Я.И.Френкелем .

--транзистор прибор с ‘ п-р-п “ или “ р -п- р “ переходами , используется как усилитель в радиоаппаратуре ( изображение в цепи );

--изобретен в 1948 г. ам. У. Шокли и У. Браттейном;

--в основе устройства не один, а два р-п (п-р) перехода;

--на коллектор подают “ --” относительно эмиттера, на базу как “ + “, так и “ --” относительно эмиттера;

--к эмиттерному переходу приложено напряжение в пропускном режиме, а к коллектору -запирающее , при этом эмиттерный слой открывается и из эмиттера к базе переходят “ дырки “

--J _э= J _k +J_б (дырки втягиваются в коллектор);

--изменение тока в цепи базы в несколько изменяет ток в цепи коллектора (усиление может быть от 20 до 500 раз);

--транзистор применяется для усиления слабых сигналов по J и U;

--применяются в микроэлектроники, в системах связи, в автоматике;

--фоторезисторы, приборы, работающие под действием света;

--первый селеновый фоторезистор изобретен рус. физ. В.А.Ульяниным в 1888 г. ; второй --в 1924 г.;

--в 1926 г. нем.физ. Б. Гуддоном и Р. Полем ;

--промышленное производство позже;

--в 30-40 г. - кремневый фоторезистор под руководством А.Ф. Иоффе;

--в 1953-54 гг. селеновые батареи сконструированные Дж.Пирсоном Б Ф. Фунляром , Д. Ганинтом /США/, которые используются на космических кораблях и спутниках ;

--принцип действия: под действием света уменьшается сопротивление;

--используются, как аварийное выключение на станках, в метро, в дистанционном управлении телевизоров, видиомагнетофонов , световое реле для включения или выключения подачи тока в осветительной сети ( в трансформаторных будках ) ;

--термистор, изобретен сов.физ. Б.Т. Коломийцем в 1937 г. ;

--в них используется свойство изменения сопротивления от температуры;

--выпускаются в виде стержней, трубочек ,дисков , шайб и бусинок маленьких размеров ( несколько мм ) ;

--диапазон измерения температуры от 170 до 570 К /1300 К /, а также низкие температуры --4 - 80 К;

--используются для дистанционного измерения температуры , противопожарной сигнализации .

Подведение итога:

а). носители – электроны -дырки ( чистые полупроводники ) ,дырки -р типа , электроны --п типа ;

б). характер движения: электроны в одну стороны - дырки в другую ( у чистых ), у типов при совпадении знаков ;

в).вольт - амперная характеристика (график);

г).зависимость проводимости от температуры – с возрастанием температуры проводимость улучшается;

д).применение – радиоаппаратура, сигнализация, солнечные батареи и т.д.

3. Третьим на аукцион выставляется телевизор.

Ответы:

--у истоков телевидения стоял рус .уч. Б.Л. Розинг, в 1912 г. он разработал основные элементы современных черно-белых телевизоров, а именно кинескопов - основным элементом, которого является электронно-лучевая трубка

-в его трубке за 1.25 с луч пробегал 625 строк изображения, составляющий 1 кадр;

--за 1 с кадры на экране сменяются 25 раз;

--в 1907 г. он запатентовал аппарат для передачи изображения на расстоянии;

--в 1911 г. впервые в мире передал, принял и воспроизвел изображение

--учеником у него был Зворыкин, позднее иммигрирующий в США где участвовал в развитии новой ветви радиотехники ;

--в 1930 г. А.П. Константинов первым подал заявку на изобретение передающей трубки ТВ с накоплением зарядов;

--годом позже эта идея была разработана В.К.Зворыкиным и бесплатно внедрена в производство;

--электронно-лучевая трубка (основа кинескопа) относится к вакуумным приборам;

--к вакуумным приборам относится электронные лампы: вакуумный диод и триод (их обозначение в цепи);

--вакуум - сильно разряженный газ

--носителей заряда нет - нужен источник заряженных частиц - это металл, нагретый до больших температур ;

--такое явление называют термоэлектронной эмиссией;

--в 1870 г. Томас Эдисон /ам.уч.- изобретатель / обнаружил , что в вакуумной стеклянной трубке возникает эл. ток , если нагреть один из электродов до больших температур ;

--термоэлектронная эмиссия лежит в основе работы вакуумного прибора, который состоит из двух электродов (катода и анода), помещенных в вакуумную колбу, рядом с катодом помещена нить накаливания, используемая для разогрева катода;

--при соответствующем соединении К с “ --” , А с +, с катода электроны устремляются к аноду - идет ток , как у полупроводникового диода;

--вакуумный диод так же используется для выпрямления переменного тока;

--после замены вакуумных ламп полупроводниковыми элементами телевизоры значительно полегчали , повысилась их надежность, уменьшились габариты;

--вакуумный триод подобно полупроводниковому транзистору применяется для усиления сигнала;

--электронная лампа впервые была изобретена Флеменгом /ан. физ./ в 1904 г., он объяснил принцип ее действия, подчеркнув, что основным в них является электроды ( А и К );

--электронно-лучевая трубка отличается от вакуумной лампы тем, что имеет два анода, в которых просверлены отверстия, так же в ней имеется по две пары пластин для регулирования движения зарядов под действием маг. и эл. полей ;

--кроме телевизора эти приборы используются в осцилогрофах, в радиолокационных приборах, дисплеях ;

--экран кинескопа изнутри покрыт слоем кристаллов, способных светиться под действием удара о них электронов;

--под действием маг. поля можно заставить электроны двигаться направлено, т.е. рисовать картины ;

--сетка в триоде была введена в 1906 г. ам. Инж .Ли де Ферестом .

Подведение итога:

а). носители - электроны

б). характер движения - от К к А

в).вольт амперная характеристика - схожа с полупроводниками

г). зависимость проводимости от температуры- с ростом температуры проводимость улучшается

д). применение - в ЭВМ, радиоаппаратуре локации.

4. Следующим на аукцион выставляется аккумуляторная батарея.

Возможные ответы:

--аккумулятором называют устройство, предназначенное для накопления энергии с целью ее последующего использования;

--ак .батарея преобразует химическую энергию в электрическую при разрядке и наоборот -при зарядки ;

--электрические аккумуляторы состоят из положительных электродов ( А ) и отрицательных электродов ( К ), разделенные диэлектриками и погруженными в раствор электролита ( щелочной или кислотный ) ; электроды могут быть как из различных материалов так и одинаковых --это свинцовые ак. батареи ;

--ак. батареи используются на тракторах , машинах , самолетах ;

--процесс работы батареи основан на зарядке-разрядке или окислительно -восстановительной реакции

--ак. батарея характеризуется емкостью - это значение заряда , который может дать батарея при разрядке , измеряется в А ч ;

--в принципе работы батареи лежит эдектролетическая диссоция

--при растворении электролитов под влиянием эл. поля полярные молекулы распадаются на ионы, этот распад зависит от температуры ;

--выше температура, больше положительных и отрицательных ионов, которые и являются носителями зарядов;

--+ ионы к катоду, а “ --” ионы к аноду, при этом происходит перенос вещества , т.е. на электродах выделяется вещество , входящее в состав электролита --этот процесс называется электролизом ;

--закон электролиза открыл Майкл Фарадей в 1834 г.;

--в 1928 г. сов. инженер В.И.Гусев и Л.П.Рожков использовали электролиз для размерной обработки металлов взамен обточки ;

--электролиз применяется для выделения чистых химических веществ;

--для нанесения тонкого слоя различных веществ - этот процесс носит название гальваностегия;

--при больших температурах откладывается большой слой, который можно отделить, т.е. изготовить копии - такой процесс называется гальванопластикой;

--используется в электрометаллургии;

--в 18з8 г. гальванопластикой были изготовлены копи на фронтоне Большого театра, фигуры в Исаакеевском соборе Б.С. Якоби;

--в 1857 г. на Вольховском алюминиевом комбинате методом гальваностегии был получен алюминий;

--первый построил мощную эл. батарею и первым ее применил на практике русский ученый - самоучка, профессор Петербургской медико-хирургической академии В.Петров в 1802 г. ;

Подведение итога:

а). носители заряда - в водных растворах “ + “ и “ --” ионы;

б).характер движения - беспорядочное движение частиц электролита по действием тока делятся на ионы “ + “ к “ К “, а “ --” к “ А “;

в).вольт - амперная характеристика точно так же как у металлов, т.е. сила тока пропорциональна напряжению график);

г).зависимость проводимости от температуры - с t проводимость растворов возрастает;

д).применение - гальваностегия, гальванопластика, в ак. батареях.

5. Последним на аукцион выставляется электросварочный аппарат или лампа дневного света.

Предполагаемые ответы:

--в 1802 г. рус. уч .В.В.Петров открыл явление электрической дуги и только в 1880 г. соотечественники Н.Н. Бекардос и И.Г.Славянов первыми в мире применили “ дугу Петрова “ для сварки металлов ;

--иногда электрическую дугу называют “ вольтовой дугой “ или “дугой Деви “;

--Петров взял два стержня из древесного угля соединил их с полюсами батареи и сблизил, между ними возникал разряд и вспыхнул свет ;

--именно свечение поспешили использовать, так в 1876 г. П.Н.Яблочков изобрел дуговую угольную лампочку переменного тока;

--в основе работы сварочного аппарата и дуговой лампы лежит дуговой разряд, являющий одним из видов самостоятельного разряда;

--этот разряд сопровождается выделением большой энергии, происходит нагрев до температуры порядка 4000 - 7000 К на положительном электроде (А) вследствие термоэлектронной эмиссии и ударной лавины электронов;

--при этом идет сильное световое ультрафиолетовое излучение, поэтому смотреть на дугу без защитного стекла нельзя;

--электросварочный аппарат используют для сварки различных металлов;

--эл. дуга применяется в прожекторах, киноаппаратах, лампах ультрафиолетового излучения;

--в лампе дневного света используется другой вид самостоятельного разряда - тлеющий;

--в 30 годах ХХ века появились газоразрядные источники тока;

--первые ртутные лампы дневного света в нашей стране появились в 1924 г., натриевые - в 1935 г.;

--лампы состоят из стеклянных трубок, заполненных каким- либо газом, по краям этой трубки размещены электроды ( А и К ) , при больших разностях потенциала в газоразрядной трубке образуется светящийся столб за счет движения “ --” ионов и электронов к А , а + ионов к К , при этом происходит ударная ионизация -выбиваются ионы , т.е. вторичная ионизация , часть ионов рекомбинируется в результате чего высвобождается энергия -появляется свечение;

--цвета свечения в газоразрядной трубке зависит от того, каким газом наполнена трубка;

--применяются в качестве светильников, рекламных трубок, в газовых лазерах;

--в природе примером такого разряда служит северное сияние;

--есть и другие виды самостоятельного разряда - это искровой и коронный;

--примером искрового разряда - молния, а так же свеча зажигания смеси в ДВС;

--коронный разряд возникает в неоднородных эл. полях между острием и плоскостью ( в линиях электропередачи, на мачтах кораблей, на остриях

--причиной несамостоятельного разряда в газах является внешние воздействия ( огонь, рентгеновские лучи и т.п. ), а причиной самостоятельного разряда является само эл. поле, при этом электрону надо сообщить кинетическую энергию не меньшую работы выхода электрона из атома ( W_r=Е g l ).

Подведение итога:

а).носители зарядов --” + “ и “ --” ионы, а также электроны ;

б). характер движения ---беспорядочное движение под действием эл. поля сталкиваются , ионизируются : “ + “ к К , а “--” и электроны к А;

в). вольт - амперная характеристика (привести график);

г). принцип действия - термоэлектронная эмиссия, ударная лавина - ионизация газа;

д). применение самостоятельного разряда - сварка, прожектора, рекламные трубки, лампы дневного света лазерные установки , свечи зажигания и др.

Можно уделить внимание плазме, т.к. в дуговом разряде светящийся столб - это и есть плазма.