Применение электрического тока в металлах. Электрический ток в металлах. Действия электрического тока. Направление

Все металлы в твердом и жидком состоянии являются проводниками электрического тока. Специально поставленные опыты показали, что при прохождении злектрического тока масса металлических проводников остается постоянной, не изменяется и их химический состав. На этом основании можно было предположить, что в создании электрического тока в металлах участвуют только электроны. Предположение об электронной природе электрического тока в металлах подтверждено опытами советских физиков Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси и американских физиков Т. Стюарта и Р. Толмена. В этих опытах было обнаружено, что при резкой остановке быстро вращающейся катушки в проводе катушки возникает электрический ток, создаваемый отрицательно заряженными частицами - электронами.

При отсутствии электрического поля свободные электроны перемещаются в кристалле металла хаотически. Под действием электрического поля свободные электроны, кроме хаотического движения, приобретают упорядоченное движение в одном направлении, и в проводнике возникает электрический ток. Свободные электроны сталкиваются с ионами кристаллической решетки, отдавая им при каждом столкновении кинетическую энергию, приобретенную при свободном пробеге под действием электрического поля. В результате упорядоченное движение электронов в металле можно рассматривать как равномерное движение с некоторой постоянной скоростью V.

Так как кинетическая энергия электронов, приобретаемая под действием электрического поля, передается при столкновении ионами кристаллической решетки, то при прохождении постоянного тока проводник нагревается.

Зависимость удельного электрического сопротивления металлов от температуры.

Удельное сопротивление металлов при нагревании увеличивается приблизительно по линейному закону (рис. 152):

где р - удельное электрическое сопротивление металла при температуре t, ро - его удельное сопротивление при О °С, а - температурный коэффициент сопротивления, особый для каждого металла,

С приближением температуры к абсолютному нулю удельное сопротивление монокристаллов становится очень малым. Этот факт свидетельствует о том, что в идеальной кристаллической решетке металла электроны перемещаются под действием электрического поля, не взаимодействуя с ионами решетки. Длина их свободного пробега при этом может достигать значений, порядка 1 см, т. е. в 107-108 раз превышает межатомные расстояния в кристалле. Электроны взаимодействуют лишь с ионами, не находящимися в узлах кристаллической решетки.

При повышении температуры возрастает число дефектов в кристаллической решетке из-за тепловых колебаний ионов, - это приводит к возрастанию удельного сопротивления кристалла.

В том, что электрическое сопротивление металлов обусловлено взаимодействиями электронов проводимости с различными дефектами решетки, убеждает и тот факт, что удельное сопротивление кристаллов металлов сильно зависит от наличия в них примесей. Например, введение 1 % примеси марганца увеличивает удельное сопротивление меди в три раза.

Сверхпроводимость.

В 1911 г. нидерландский ученый Гейке Камерлинг-Ониес (1853- 1926) обнаружил, что при понижении температуры ртути до 4,1 К ее удельное сопротивление скачком уменьшается до нуля (рис. 153). 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.

Сверхпроводящие 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.

Скорость упорядоченного движения электронов в проводнике.

Для определения скорости упорядоченного движения свободных электрических зарядов в проводнике нужно знать концентрацию свободных носителей заряда и силу тока . Если концентрация свободных электрических зарядов в проводнике то за промежуток времени через поперечное сечение проводника при скорости их упорядоченного движения проходит электрический заряд равный

В этом разделе мы приступаем к подробному изучению того, как осуществляется прохождение электрического тока в различных проводящих средах твёрдых телах, жидкостях и газах.

Напомним, что необходимым условием возникновения тока является наличие в среде достаточно большого количества свободных зарядов, которые могут начать упорядоченное движение под действием электрического поля. Такие среды как раз и называются проводниками электрического тока.

Наиболее широко распространены металлические проводники. Поэтому начинаем мы с вопросов распространения электрического тока в металлах.

Мы много раз говорили о свободных электронах, которые являются носителями свободных зарядов в металлах. Вам хорошо известно, что электрический ток в металлическом проводнике образуется в результате направленного движения свободных электронов.

3.13.1 Свободные электроны

Металлы в твёрдом состоянии имеют кристаллическую структуру: расположение атомов в пространстве характеризуется периодической повторяемостью и образует геометрически правильный рисунок, называемый кристаллической решёткой.

Атомы металлов имеют небольшое число валентных электронов, расположенных на внешней электронной оболочке. Эти валентные электроны слабо связаны с ядром, и атом легко может их потерять.

Когда атомы металла занимают места в кристаллической решётке, валентные электроны покидают свои оболочки они становятся свободными и отправляются ¾гулять¿ по всему кристаллу18 . В узлах кристаллической решётки металла остаются положительные ионы, пространство между которыми заполнено ¾газом¿ свободных электронов (рис.3.47 ).

+ + + ++

Рис. 3.47. Свободные электроны

Свободные электроны и впрямь ведут себя подобно частицам газа19 совершая тепловое движение, они хаотически снуют туда-сюда между ионами кристаллической решётки. Суммарный заряд свободных электронов равен по модулю и противоположен по знаку общему заряду положительных ионов, поэтому металлический проводник в целом оказывается электрически нейтральным.

Газ свободных электронов является ¾клеем¿, на котором держится вся кристаллическая структура проводника. Ведь положительные ионы отталкиваются друг от друга, так что кристаллическая решётка, распираемая изнутри мощными кулоновскими силами, могла бы разлететься в разные стороны. Однако в то же самое время ионы металла притягиваются к обволаки-

18 А именно, свободные электроны перемещаются по внешним орбиталям соседних атомов. Эти орбитали перекрываются друг с другом вследствие близкого расположения атомов в кристаллической решётке, так что свободные электроны оказываются ¾общей собственностью¿ всего кристалла.

19 Другой адекватный образ электронное море, которое ¾омывает¿ кристаллическую решётку.

вающему их электронному газу и, как ни в чём не бывало, остаются на своих местах, совершая лишь тепловые колебания в узлах кристаллической решётки вблизи положений равновесия.

Что произойдёт, если металлический проводник включить в замкнутую цепь, содержащую источник тока? Свободные электроны продолжают совершать хаотическое тепловое движение, но теперь под действием возникшего внешнего электрического поля они вдобавок начнут перемещаться упорядоченно. Это направленное течение электронного газа, накладывающееся на тепловое движение электронов, и есть электрический ток в металле20 . Скорость упорядоченного движения электронов в металлическом проводнике, как нам уже известно, составляет порядка 0;1 мм/с.

3.13.2 Опыт Рикке

Почему мы решили, что ток в металлах создаётся движением именно свободных электронов? Положительные ионы кристаллической решётки также испытывают на себе действие внешнего электрического поля. Может, они тоже перемещаются внутри металлического проводника и участвуют в создании тока?

Упорядоченное движение ионов означало бы постепенный перенос вещества вдоль направления электрического тока. Поэтому надо просто пропускать ток по проводнику на протяжении весьма длительного времени и посмотреть, что в итоге получится. Такого рода эксперимент и был поставлен Э. Рикке в 1901 году.

В электрическую цепь были включены три прижатых друг к другу цилиндра: два медных по краям и один алюминиевый между ними (рис. 3.48 ). По этой цепи пропускался электрический ток в течение года.

Рис. 3.48. Опыт Рикке

За год сквозь цилиндры прошёл заряд более трёх миллионов кулон. Предположим, что каждый атом металла теряет по одному валентному электрону, так что заряд иона равен элементарному заряду e = 1;6 10 19 Кл. Если ток создаётся движением положительных ионов, то нетрудно подсчитать (сделайте это сами!), что такая величина прошедшего по цепи заряда соответствует переносу вдоль цепи около 2 кг меди.

Однако после разъединения цилиндров было обнаружено лишь незначительное проникновение металлов друг в друга, обусловленное естественной диффузией их атомов (и не более того). Электрический ток в металлах не сопровождается переносом вещества, поэтому положительные ионы металла не принимают участия в создании тока.

3.13.3 Опыт Стюарта–Толмена

Прямое экспериментальное доказательство того, что электрический ток в металлах создаётся движением свободных электронов, было дано в опыте Т. Стюарта и Р. Толмена (1916 год).

20 Поэтому свободные электроны называются также электронами проводимости.

Рис. 3.49. Опыт Стюарта–Толмена

Эксперименту Стюарта–Толмена предшествовали качественные наблюдения, сделанные четырьмя годами ранее русскими физиками Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси. Они обратили внимание на так называемый электроинерционный эффект: если резко затормозить движущийся проводник, то в нём возникает кратковременный импульс тока. Эффект объясняется тем, что в течение небольшого времени после торможения проводника его свободные заряды продолжают двигаться по инерции.

Однако никаких количественных результатов Мандельштам и Папалекси не получили, и наблюдения их опубликованы не были. Честь назвать опыт своим именем принадлежит Стюарту и Толмену, которые не только наблюдали указанный электроинерционный эффект, но и произвели необходимые измерения и расчёты.

Установка Стюарта и Толмена показана на рис. 3.49 . Катушка большим числом витков металлического провода приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы обмотки с помощью скользящих контактов были подсоединены к специальному прибору баллистическому гальванометру, который позволяет измерять проходящий через него заряд.

После резкого торможения катушки в цепи возникал импульс тока. Направление тока указывало на то, что он вызван движением отрицательных зарядов. Измеряя баллистическим гальванометром суммарный заряд, проходящий по цепи, Стюарт и Толмен вычислили отношение q=m заряда одной частицы к её массе. Оно оказалось равно отношению e=m для электрона, которое в то время уже было хорошо известно.

Так было окончательно выяснено, что носителями свободных зарядов в металлах являются свободные электроны. Как видите, этот давно и хорошо знакомый

вам факт был установлен сравнительно поздно учитывая, что металлические проводники к тому моменту уже более столетия активно использовались в самых разнообразных экcпериментах по электромагнетизму21 .

3.13.4 Зависимость сопротивления от температуры

Опыт показывает, что при нагревании металлического проводника его сопротивление увеличивается. Как это объяснить?

Причина проста: с повышением температуры тепловые колебания ионов кристаллической решётки становятся более интенсивными, так что число соударений свободных электронов с ионами возрастает. Чем активнее тепловое движение решётки, тем труднее электронам пробираться сквозь промежутки между ионами22 . Скорость упорядоченного движения электронов уменьшается, поэтому уменьшается и сила тока (при неизменном напряжении). Это и означает увеличение сопротивления.

21 Сравните, например, с датой открытия закона Ома 1826 год. Дело, однако, заключается в том, что сам электрон был открыт лишь в 1897 году.

22 Представьте себе вращающуюся проходную дверь. В каком случае труднее проскочить через неё: когда она вращается медленно или быстро? :-)

Множитель называется температурным коэффициентом сопротивления. Его значения для различных металлов и сплавов можно найти в таблицах.

Длина проводника l и его площадь поперечного сечения S при изменении температуры меняются несущественно. Выразим R и R0 через удельное сопротивление:

и подставим эти формулы в (3.68 ). Получим аналогичную зависимость удельного сопротивления от температуры:

0 (1 + t):

Коэффициент весьма мал (для меди, например, = 0;0043), так что температурной зависимостью сопротивления металла часто можно пренебречь. Однако в ряде случаев считаться с ней приходиться. Например, вольфрамовая спираль электрической лампочки раскаляется до такой степени, что её вольт-амперная характеристика оказывается существенно нелинейной.

Так, на рис. 3.51 приведена вольт-амперная характеристика автомобильной лампочки. Если бы лампочка представляла собой идеальный резистор, её вольт-амперная характеристика была прямой линией в соответствии с законом Ома. Эта прямая изображена синим пунктиром.

Однако по мере роста напряжения, приложенного к лампочке, график отклоняется от этой прямой всё сильнее и сильнее. Почему? Дело в том, что с увеличением напряжения ток через лампочку возрастает и больше разогревает спираль; сопротивление спирали поэтому также увеличивается. Следовательно, сила тока хотя и продолжит возрастать, но будет иметь всё меньшее и меньшее значение по сравнению с тем, которое предписывается ¾пунктирной¿ линейной зависимостью тока от напряжения.

Электрический Ток в металлах.

Носителями электрического тока в металлах являются свободные электроны. На основании электронной проводимости в металлах можно вывести закон Ома. Кинетическая энергия электрона к моменту соударения его в конце свободного пробега (свободный пробег электрона - расстояние между двумя соседними ударами) Обозначим время свободного пробега (интервал времени, за которое электрон проходит длину свободного пробега) через т. Все электроны проводимости, которые имеются в участке проводника длиной l и сечением S, приобретают энергию, равную

где v - скорость электрона перед его столкновением с ионом. Средняя скорость Г7 направленного движения в результате действия электрического стационарного поля будет равна

Считаем, что движение электрона между ударами равноускоренное. В формулу, выражающую силу тока через микроскопические величины (I = neSv), подставим

получим: 2I = neSv. Из этого выражения находим:

которое подставим в формулу (3.18) и получим:

В выражение (3.19) все величины, стоящие перед I, не зависят от напряжения и поэтому:

Таким образом, сила тока пропорциональна напряжению. Вольт-амперная характеристика для металлов представлена на рис. 53. Зная силу тока I, заряд электрона е, площадь поперечного сечения проводника и концентрацию электронов, можно определить скорость упорядоченного движения электронов, так называемую дрейфовую скорость.

НАЗНАЧЕНИЕ:

Электрический ток присутствует везде, он течет: в нашем организме, передавая нервные импульсы, в атмосфере, вызывая разряды молнии и тому подобное, и, конечно же, в электрических приборах, протекая по металлическим проводам.

УСТРОЙСТВО:

Электрический ток в металлах - это движение отрицательно заряженных свободных электронов под действием электрического поля в пространстве между положительно заряженными ионами упорядоченной кристаллической решетки металла.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ:

Отрицательно заряженные свободные электроны совершают хаотическое движение в пространстве между ионами, но под действием электрического поля они начинают смещаться в сторону положительно заряженного электрода. Скорость этого смещения очень мала, примерно, 1 мм в секунду. Однако электрическое поле распространяется по проводнику со скоростью света (300 000 км/c), и, так как все электроны начинают двигаться одновременно, получается что ток движется со скоростью света!

Электрический Ток в Полупроводниках

Полупроводниками назвали класс веществ, у которых с повышением температуры увеличивается проводимость, уменьшается электрическое сопротивление. Этим полупроводники принципиально отличаются от металлов. Типичными полупроводниками являются кристаллы германия и кремния, в которых атомы объединены кова-лентной связью. При любых температурах в полупроводниках имеются свободные электроны. Свободные электроны под действием внешнего электрического поля могут перемещаться в кристалле, создавая электронный ток проводимости. Удаление электрона с внешней оболочки одного из атомов кристаллической решетки приводит к превращению этого атома в положительный ион. Этот ион может нейтрализоваться, захватив электрон у одного из соседних атомов. Далее, в результате переходов электронов от атомов к положительным ионам происходит процесс хаотического перемещения в кристалле места с недостающим электроном. Внешне этот процесс воспринимается как перемещение положительного электрического заряда, называемого дыркой . При помещении кристалла в электрическое поле возникает упорядоченное движение дырок - дырочный ток проводимости. В идеальном полупроводниковом кристалле электрический ток создается движением равного количества отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных дырок. Проводимость в идеальных полупроводниках называется собственной проводимостью. Свойства полупроводников сильно зависят от содержания примесей. Примеси бывают двух типов - донорные и акцепторные. Примеси, отдающие электроны и создающие электронную проводимость, называются донорными (примеси, имеющие валентность больше, чем у основного полупроводника). Полупроводники, в которых концентрация электронов превышает концентрацию дырок, называют полупроводниками n-типа. Примеси, захватывающие электроны и создающие тем самым подвижные дырки, не увеличивая при этом число электронов проводимости, называют акцепторными (примеси имеющие валентность меньше, чем у основного полупроводника). При низких температурах основными носителями тока в полупроводниковом кристалле с акцепторной примесью являются дырки, а не основными носителями - электроны. Полупроводники, в которых концентрация дырок превышает концентрацию электронов проводимости, называют дырочными полупроводниками или полупроводниками р-типа. Рассмотрим контакт двух полупроводников с различными типами проводимости. Через границу этих полупроводников происходит взаимная диффузия основных носителей: электроны из n-полупроводника диффундируют в р-полупроводник, а дырки из р-полупроводника в n-полупроводник. В результате участок n-полупроводника, граничащий с контактом, будет обеднен электронами, и в нем образуется избыточный положительный заряд, обусловленный наличием оголенных ионов примеси. Движение дырок из р-полупроводника в n-полупроводник приводит к возникновению избыточного отрицательного заряда в пограничном участке р-полупроводника. В результате образуется двойной электрический слой, и возникает контактное электрическое поле, которое препятствует дальнейшей диффузии основных носителей заряда. Этот слой называют запирающим . Внешнее электрическое поле влияет на электропроводность запирающего слоя. Если полупроводники подключены к источнику так, как показано на рис. 55, то под действием внешнего электрического поля основные носители заряда - свободные электроны в п-полупроводнике и дырки в р-полупроводнике - будут двигаться навстречу друг другу к границе раздела полупроводников, при этом толщина p-n-перехода уменьшается, следовательно, уменьшается его сопротивление. В этом случае сила тока ограничивается внешним сопротивлением. Такое направление внешнего электрического поля называется прямым. Прямому включению p-n-перехода соответствует участок 1 на вольт-амперной характеристике (см. рис. 57). Носители электрического тока в различных средах и вольт-амперные характеристики обобщены в табл. 1. Если полупроводники подключены к источнику так, как показано на рис. 56, то электроны в п-полупроводнике и дырки в р-полупроводнике будут перемещаться под действием внешнего электрического поля от границы в противоположные стороны. Толщина запирающего слоя и, следовательно, его сопротивление увеличиваются. При таком направлении внешнего электрического поля - обратном (запирающем) через границу раздела проходят только неосновные носители заряда, концентрация которых много меньше, чем основных, и ток практически равен нулю. Обратному включению р-п-перехода соответствует участок 2 на вольт-амперной характеристике (рис. 57). Таким образом, р-п-переход обладает несимметричной проводимостью. Это свойство используется в полупроводниковых диодах, содержащих один p-n-переход и применяемых, например, для выпрямления переменного тока или детектирования. Полупроводники находят широкое применение в современной электронной технике. Зависимость электрического сопротивления полупроводниковых металлов от температуры используется в специальных полупроводниковых приборах - терморезисторах . Приборы, в которых используется свойство полупроводниковых кристаллов изменять свое электрическое сопротивление при освещении светом, называются фоторезисторами .

Электрический Ток в электролитах

Электролитами принято называть проводящие среды, в которых протекание электрического тока сопровождается переносом вещества. Носителями свободных зарядов в электролитах являются положительно и отрицательно заряженные ионы. К электролитам относятся многие соединения металлов с металлоидами в расплавленном состоянии, а также некоторые твердые вещества. Однако основными представителями электролитов, широко используемыми в технике, являются водные растворы неорганических кислот, солей и оснований.

Прохождение электрического тока через электролит сопровождается выделением веществ на электродах. Это явление получило название электролиза . Электрический ток в электролитах представляет собой перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях. Положительные ионы движутся к отрицательному электроду (катоду ), отрицательные ионы - к положительному электроду (аноду). Ионы обоих знаков появляются в водных растворах солей, кислот и щелочей в результате расщепления части нейтральных молекул. Это явление называется электролитической диссоциацией . Например, хлорид меди CuCl2 диссоциирует в водном растворе на ионы меди и хлора: При подключении электродов к источнику тока ионы под действием электрического поля начинают упорядоченное движение: положительные ионы меди движутся к катоду, а отрицательно заряженные ионы хлора - к аноду (рис 4.15.1). Достигнув катода, ионы меди нейтрализуются избыточными электронами катода и превращаются в нейтральные атомы, оседающие на катоде. Ионы хлора, достигнув анода, отдают но одному электрону. После этого нейтральные атомы хлора соединяются попарно и образуют молекулы хлора Cl2. Хлор выделяется на аноде в виде пузырьков. Во многих случаях электролиз сопровождается вторичными реакциями продуктов разложения, выделяющихся на электродах, с материалом электродов или растворителей. Примером может служить электролиз водного раствора сульфата меди CuSO4 (медный купорос) в том случае, когда электроды, опущенные в электролит, изготовлены из меди. Диссоциация молекул сульфата меди происходит по схеме Нейтральные атомы меди отлагаются в виде твердого осадка на катоде. Таким путем можно получить химически чистую медь. Ион отдает аноду два электрона и превращается в нейтральный радикал SO4 вступает во вторичную реакцию с медным анодом Образовавшаяся молекула сульфата меди переходит в раствор. Таким образом, при прохождении электрического тока через водный раствор сульфата меди происходит растворение медного анода и отложение меди на катоде. Концентрация раствора сульфата меди при этом не изменяется.Закон электролиза был экспериментально установлен английским физиком М. Фарадеем в 1833 году. Закон Фарадея определяет количества первичных продуктов, выделяющихся на электродах при электролизе: Масса m вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду Q, прошедшему через электролит: Величину k называют электрохимическим эквивалентом. Масса выделившегося на электроде вещества равна массе всех ионов, пришедших к электроду:

Здесь NA - постоянная Авогадро, M = m0NA - молярная масса вещества, F = eNA - постоянная Фарадея.

Постоянная Фарадея численно равна заряду, который необходимо пропустить через электролит для выделения на электроде одного моля одновалентного вещества. Закон Фарадея для электролиза приобретает вид:

Явление электролиза широко применяется в современном промышленном производстве.

Электрический Ток в Газах

В газах существуют несамостоятельные и самостояг тельные электрические разряды.

Явление протекания электрического тока через газ, наблюдаемое только при условии какого-либо внешнего воздействия на газ, называется несамостоятельным электрическим разрядом. Процесс отрыва электрона от атома называется ионизацией атома. Минимальная энергия, которую необходимо затратить для отрыва электрона от атома, называется энергией ионизации. Частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов одинаковы, называется плазмой .

Носителями электрического тока при несамостоятельном разряде являются положительные ионы и отрицательные электроны. Вольт-амперная характеристика представлена на рис. 54. В области ОАВ - несамостоятельный разряд. В области ВС разряд становится самостоятельным.

При самостоятельном разряде одним из способов ионизации атомов является ионизация электронным ударом. Ионизация электронным ударом становится возможна тогда, когда электрон на длине свободного пробега А приобретает кинетическую энергию W k , достаточную для совершения работы по отрыву электрона от атома. Виды самостоятельных разрядов в газах - искровой, коронный, дуговой и тлеющий разряды.

Искровой разряд возникает между двумя электродами заряженными разными зарядами и имеющие большую разность потенциалов. Напряжение между разноименно заряженными телами достигает до 40 000 В. Искровой разряд кратковременный, его механизм - электронный удар. Молния - вид искрового разряда. В сильно неоднородных электрических полях, образующихся, например, между острием и плоскостью или между проводом линии электропередачи и поверхностью Земли, возникает особая форма самостоятельного разряда в газах, называемая коронным разрядом . Электрический дуговой разряд был открыт русским ученым В. В. Петровым в 1802 г. При соприкосновении двух электродов из углей при напряжении 40-50 В в некоторых местах возникают участки малого сечения с большим электрическим сопротивлением. Эти участки сильно разогреваются, испускают электроны, которые ионизируют атомы и молекулы между электродами. Носителями электрического тока в дуге являются положительно заряженные ионы и электроны. Разряд, возникающий при пониженном давлении, называется тлеющим разрядом . При понижении давления увеличивается длина свободного пробега электрона, и за время между столкновениями он успевает приобрести достаточную для ионизации энергию в электрическом поле с меньшей напряженностью. Разряд осуществляется электронно-ионной лавиной.

Электрический Ток в Вакууме

Если два электрода поместить в герметичный сосуд и удалить из сосуда воздух, то электрический ток в вакууме не возникает - нет носителей электрического тока. Американский ученый Т. А. Эдисон (1847-1931) в 1879 г. обнаружил, что в вакуумной стеклянной колбе может возникнуть электрический ток, если один из находящихся в ней электродов нагреть до высокой температуры. Явление испускания свободных электронов с поверхности нагретых тел называется термоэлектронной эмиссией. Работа, которую нужно совершить для освобождения электрона с поверхности тела, называется работой выхода. Явление термоэлектронной эмиссии объясняется тем, что при повышении температуры тела увеличивается кинетическая энергия некоторой части электронов в веществе. Если кинетическая энергия электрона превысит работу выхода, то он может преодолеть действие сил притяжения со стороны положительных ионов и выйти с поверхности тела в вакууме. На явлении термоэлектронной эмиссии основана работа различных электронных ламп.

Цель урока : Продолжить изучение природы электрического тока в металлах, экспериментальным путем изучить действие электрического тока.

Задачи урока:

• Образовательная – формирование единых взглядов на природу электрического тока, формирование умения работать с электрическими схемами, собирать электрические цепи.
• Развивающая – формирование умения находить ошибки и не допускать их при применении знаний на практике, а также логично объяснять новые явления, применять свои знания в нестандартных ситуациях.
• Воспитательная – воспитывать чувство любви к своей Родине, формирование умения концентрировать внимание, вести диалог, аргументировано отстаивать свое мнение.

Оборудование и материалы : источники тока, электрическая лампочка для карманного фонаря, электрический звонок, выключатели, подводящие провода, раствор медно купороса, электромагнит, медная и цинковая пластинки, модель кристаллической решетки, гальванометр.

ТСО : компьютерная презентация , мультимедийный проектор.

Демонстрации:

1. Сборка простейших электрических цепей.
2. Выделение меди при электролизе CuSO4.
3. Действие катушки с током, как электромагнита.
4. Получение источника тока используя лимон и медную и цинковую пластинку.

План урока.

1. Актуализация опорных знаний – 10 мин.
2. Изучение нового материала «Электрический ток в металлах» – 10 мин.
3. Закрепление – 3 мин.
4. Минутка отдыха – 1 мин.
5. Изучение нового материала «Действия электрического тока». 12 мин.
6. Закрепление – 5 мин.
7. Домашнее задание – 2 мин.
8. Итоги урока – 2 мин.

Ход урока

1. Актуализация опорных знаний – 10 мин.

– Здравствуйте ребята.Сегодня мы продолжим изучение темы «электрический ток»

Для вспоминания пройденный темы, давайте ответим на следующие вопросы

1) Что называется электрическим током?

Эталон ответа. Упорядоченное направленное движение частиц.

2) Что необходимо, чтобы в цепи существовал электрический ток или назовите элементы цепи?

Э. ответа . Источник тока, проводники, потребитель тока, и все эти элементы должны быть замкнуты.

3) Работа со схемами.

А теперь проверим, как вы видите нарушения в составлении электрических цепей.

Перед вами две эл. цепи, схемы которых представлены на экране.

1. Почему не горит исправная лампа в первой цепи при замыкании ключа? (Рис. 1)

Ответ учащихся.

Эталон ответа. Электрическая цепь имеет разрыв. Чтобы лампа загорелась, в цепи должен существовать электрический ток, а это возможно при замкнутой цепи, состоящей только из проводников электричества.

Учитель. А чем проводники отличаются от непроводников или изоляторов?

Ответ учащихся.

Эталон ответа. Проводники – такие тела, через которые электрические заряды могут переходить от заряженного тела к незаряженному. А в изоляторах такие переходы невозможны, и лампа загорается.

Приглашается ученик, который дал правильный ответ и он, устранив разрыв, демонстрирует правильный ответ. Лампа загорается.

2. Почему не звенит звонок во второй цепи при замыкании цепи? (Рис. 2)

Ответ учащихся.

Эталон ответа. Для получения электрического тока в проводнике, надо в нем создать электрическое поле. Под действием этого поля свободные заряженные частицы начнут двигаться упорядоченно, а это и есть электрический ток. Электрическое поле в проводниках создается и может длительно поддерживаться источниками электрического поля. Электрическая цепь должна иметь источник тока. Подключаем цепь к источнику тока и звонок звенит.

Приглашается ученик, который дал правильный ответ и он, подсоединив к цепи источник тока, демонстрирует правильный ответ.

Учитель Ребята, мы наблюдали работающий цепь. Скажите, можно ли сказать смотрев на провода, что здесь течет ток?

Ответ учащихся.

Ответ нет, потому что мы не видим движение зарядов.

Учитель И так, для подробного получения ответа на этот вопрос, мы перейдем к изучению новой темы.

2. Изучение нового материала «Электрический ток в металлах» – 10 мин.

Слайд Тема нашего урока: «Электрический ток в металлах. Действия электрического тока»

Ребята кто знает, как можно избежать действия электрического тока при случайном прикосновении к электроприбору, которое оказалось под напряжением?

Эталон ответа. Для этого необходимо заземление, так как земля является проводником и, благодаря своим огромным размерам, может удерживать большой заряд.

Учитель. Из каких материалов выполняется заземление?

Ответ учащихся.

Эталон ответа. Заземление выполняют из металла.

Учитель. Почему предпочитают именно эти вещества, мы ответим после изучения новой темы “Электрический ток в металлах”. Запишите тему урока в тетрадь.

Итак, наш разговор пойдет о металлах. 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.

Поэтому сегодня, в общем случае можно воспользоваться определением М.В.Ломоносова первый русский ученый – естествоиспытатель мирового значения, добавив к первым двум свойствам, им предложенным, еще три. Вы узнаете все свойства металлов. Начнем знакомство с одним из них – электропроводностью.

Вспомним строение металлов. Модель металла – кристаллическая решетка, в узлах которой частицы совершают хаотичное колебательное движение. (Представлена модель кристаллической решетки, а на экране проецируется изображение модели строения металлов).

Металлы в твёрдом состоянии имеют кристаллическое строение. Частицы в кристаллах расположены в определённом порядке, образуя пространственную (кристаллическую) решётку. Как вам уже известно, в любом металле часть валентных электронов покидает свои места в атоме, в результате чего атом превращается в положительный ион. В узлах кристаллической решётки металла расположены положительные ионы, а в пространстве между ними движутся свободные электроны (электронный газ), т.е. не связанные с ядрами своих атомов.

Отрицательный заряд всех свободных электронов по абсолютному значению равен положительному заряду всех ионов решётки. Поэтому в обычных условиях металл электрически нейтрален.

Какие же электрические заряды движутся под действием электрического поля в металлических проводниках? Мы можем предположить, что под действием электрического поля движутся свободные электроны. Но это наше предположение нуждается в доказательстве.

В 1899 г. К. Рикке на трамвайной подстанции в Штуттгарте включил в главный провод, питающий трамвайные линии, последовательно друг другу торцами три тесно прижатых цилиндра; два крайних были медными, а средний – алюминиевым.

Через эти цилиндры более года проходил электрический ток. Произведя тщательный анализ того места, где цилиндры контактировали, К. Рикке не обнаружил в меди атомов алюминия, а в алюминии – атомов меди, т. е. диффузия не произошла. Таким образом, он экспериментально доказал, что при прохождении по проводнику электрического тока ионы не перемещаются. Следовательно, перемещаются одни лишь свободные электроны, а они у всех веществ одинаковые.

Заключительным подтверждением этому факту явился опыт, проведенный в 1913 году физиками нашей страны Л.И. Мандельштамом и Н.Д. Папалекси, а также американскими физиками Б. Стюартом и Р. Толменом. Посмотрите рисунок на экране. Слайд

Ученые приводили в очень быстрое вращение многовитковую катушку вокруг ее оси. Затем, при резком торможении катушки концы ее замыкались на гальванометр, и прибор регистрировал кратковременный электрический ток. Причина возникновения, которого вызвана движением по инерции свободных заряженных частиц между узлов кристаллической решетки металла. Так как из опыта известно направление начальной скорости и направление получаемого тока, то можно найти знак заряда носителей: он оказывается отрицательным. Следовательно, свободные носители зарядов в металле – свободные электроны. По отклонению стрелки гальванометра можно судить о величине протекающего в цепи электрического заряда. Опыт подтвердил теорию. Триумф классической теории электричества состоялся.

электрический ток в металлических проводниках представляет собой упорядоченное движение свободных электронов, под действием электрического поля

Если в проводнике нет электрического поля, то электроны движутся хаотично, аналогично тому, как движутся молекулы газов или жидкостей. В каждый момент времени скорости различных электронов отличаются по модулям и по направлениям. Если же в проводнике создано электрическое поле, то электроны, сохраняя свое хаотичное движение, начинают смещаться в сторону положительного полюса источника. Вместе с беспорядочным движением электронов возникает и упорядоченный их перенос – дрейф.

Скорость упорядоченного движения электронов в проводнике под действием электрического поля – несколько миллиметров в секунду, а иногда и ещё меньше. Но как только в проводнике возникает электрическое поле, оно с огромной скоростью, близкой к скорости света в вакууме (300 000 км /с), распространяется по всей длине проводника.

Одновременно с распространением электрического поля все электроны начинают двигаться в одном направлении по всей длине проводника. Так, например, при замыкании цепи электрической лампы в упорядоченное движение приходят и электроны, имеющиеся в спирали лампы.

Понять это поможет сравнение электрического тока с течением воды в водопроводе, а распространения электрического поля – с распространением давления воды. При подъёме воды в водонапорную башню очень быстро по всей водопроводной системе распространяется давление (напор) воды. Когда мы открываем кран, то вода уже находится под давлением и начинает течь. Но из крана течёт та вода, которая была в нём, а вода из башни дойдёт до крана много позднее, т.к. движение воды происходит с меньшей скоростью, чем распространение давления.

Когда говорят о скорости распространения электрического тока в проводнике, то имеют в виду скорость распространения по проводнику электрического поля.

Электрический сигнал, посланный, например, по проводам из Москвы во Владивосток (s=8000 км), приходит туда примерно через 0,03 с.

Минутка отдыха .

Ребята, однажды великого мыслителя Сократа спросили о том, что, по его мнению, легче всего в жизни? Он ответил, что легче всего – поучать других, а труднее – познать самого себя.

На уроках физики мы говорим о познании природы. Но сегодня давайте лянем « в себя». Как мы воспринимаем окружающий мир? Как художники или как мыслители?

1. Встаньте, поднимите руки в верх, потянитесь.
2. Переплетите пальцы рук.
3. Посмотрите какой палец левой или правой руки оказался у вас вверху? Результат запишите «Л» или «П»
4. Скрестите руки на груди. («поза Наполеона») Какая рука сверху?
5. Поаплодируйте. Какая рука сверху?

Подведем итоги.

Учитывая, что результат «ЛЛЛ» соответствует художественному типу личности, а «ППП» – типу мышления.

Какой же тип мышления преобладает у вашего класса?

Несколько «художников», несколько «мыслителей», а большинство ребят – гармонично развитые личности, которым свойственно, как логическое, так и образное мышление.

А теперь можно переходить к познанию внешнего мира.

Электрический ток в металлах. Переходим к следующему блоку «Действия электрического тока»

Изучение нового материала «Действия электрического тока»

Мы не можем видеть движущиеся в металлическом проводнике электроны. О наличии тока в цепи мы можем судить по различным явлениям, которые вызывает электрический ток. Такие явления называют действиями тока. Некоторые из этих действий легко наблюдать на опыте.

Тепловое действие тока. (Слайд)

Химическое действие тока. Химическое действие эл. тока впервые было открыто в 1800 г. (Слайд)

Опыт. Проведем опыт с раствором медного купороса. Два угольных электрода, опускаем в дисцилированную воду замыкаем цепь. Наблюдаем, что Эл. лампочка не загорается. Берем раствор медного купороса и подсоединяем к источнику тока. Эл лампочка загорается.

Вывод. Химическое действие тока состоит в том, что в некоторых растворах кислот (солей, щелочей) при прохождении через них электрического тока наблюдается выделение веществ. Вещества, содержащиеся в растворе, откладываются на электродах, опущенных в этот раствор. При пропускании тока через раствор медного купороса (CuSo4) на отрицательно заряженном электроде выделится чистая медь (Сu). Это используют для получения чистых металлов.

Путем электролиза получают алюминий (это единственный промышленный способ его получения), химические чистые металлы, производят никелирование, хромирование, золочение.

Для предохранения металлов от коррозии их поверхность часто покрывают трудно окисляемыми металлами, т. е. производят никелирование или хромирование. Этот процесс называется гальваностегией.

Магнитное действие тока. Слайд

Опыт. Катушку с железным сердечником включаем в цепь и наблюдает притяжение металлических предметов.

Использование магнитного действия тока в гальванометрах.

Слайд

Гальванометр. Схематическое обозначение

Закрепление изученного материала.

Решаем задачи по сборнику задач В.И. Лукашик

1. №1248
2. №1250
3. ? Почему нельзя прикасаться к неизолированным электрическим проводам голыми руками?

(Влага на руках всегда содержит раствор различных солей и является электролитом. Поэтому она создает хороший контакт между проводами и кожей.)

Анализируя ответы учащихся ставим оценки.

Задание на дом. Параграф. 34, 35Л. №1260, 1261. придумать схему управления звонком с двух точек (ребятам).

При действии электрического поля в металлическом проводнике кроме теплового движения возникает упорядоченное движение электронов (или дрейф),т.е. электрический ток. Скорость дрейфа электронов очень мала (0,6-6 мм/с).Мгновенное появление электрического тока в проводнике связано со скоростью распространения электрического поля равной км/с. 3

В течение года через цилиндры пропускался значительный электрический ток. За это время через них прошел заряд, равный примерно трем с половиной миллионам кулонов. Когда цилиндры разъединили и вновь определили их массы, выяснилось, что массы цилиндров не изменились. Это позволяет сделать вывод, что ток в металлах осуществляется частицами совершенно одинаковыми для меди и алюминия, т.е электронами. 4 Опыт Рикке

Опыт Папалекси и Мандельштама 5 Описание: Цель:Выяснить какова проводимость металлов. Установка:Катушка на стержне со скользящими контактами, присоединены к гальванометру. Ход эксперимента: Катушка раскручивалась с большой скоростью, затем резко останавливалась, при этом наблюдался отброс стрелки гальванометра. Вывод:Проводимость металлов- электронная.