Меню

Задания по теме ток в металлах

Тема урока: «Электрический ток в металлах»

Презентация к уроку

Назад Вперёд

Программа: автор А.В.Перышкин

Класс 8

Раздел “Электрические явления”

Тема “Электрический ток в металлах”

Цель: Формирование у обучающихся знаний об электрическом токе в металлах

Задачи:

  • Образовательная – формирование единых взглядов на природу электрического тока в металлах, формирование умения работать с электрическими схемами.
  • 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 – воспитание внимательности, познавательного интереса к предмету;
    • формирование умения строить логическую цепочку рассуждений;
    • воспитывать дисциплинированность, ответственное отношение к учебному труду;
    • выработка личностных качеств: аккуратности, внимательности при заполнении тетрадей, точности ответов; показать тесную связь физики с жизнью.

Тип урока — комбинированный

Формы работы учащихся — индивидуальная, фронтальная

СТРУКТУРА И ХОД УРОКА

Результат

  • Готовность к активной учебно-познавательной деятельности, понимание практической значимости материала.
  • Мультимедийная презентация повышает наглядность предлагаемого для изучения материала, позволяет активизировать внимание учащихся, предоставляет возможность демонстрации опытов, представление которых на уроке затруднительно.
  • Использование компьютера при работе с тестами позволяет быстро оценить уровень усвоенных учащимися знаний, что позволяет оперативно осуществлять обратную связь на уроке с целью коррекции возможных ошибок учащихся.

Средства обучения.

  • Компьютер, мультимедийный проектор, экран, электронные учебные издания.

Во всём мне хочется дойти
До самой сути.
В работе, в поисках пути,
В сердечной смуте
До сущности протекших дней,
До их причины,
До оснований, до корней,
До сердцевины.
Б. Пастернак

Учитель: ребята, давайте повторим условные обозначения, применяемые в схемах (слайд 3)

Фронтальный опрос учащихся (предлагаются различные задания)

Задание 1. НАЗОВИТЕ СОСТАВНЫЕ ЧАСТИ ЦЕПИ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА

Задание 2. На рисунке изображены условные обозначения, применяемые на схемах

Каким номером обозначены

А. пересечение проводов?

Б. ключ?

В. электрический звонок?

Г. плавкий предохранитель?

Д. соединение проводов?

Е. потребители электроэнергии?

Задание 3. Почему не горит исправная лампа в первой цепи при замыкании ключа?

(Рис. 1) Почему не звенит звонок во второй цепи при замыкании цепи? (Рис. 2)

Задание 4. Из каких частей состоит электрическая цепь, изображенная на рисунке?

1. Элемент, выключатель, лампа, провода.

2. Батарея элементов, звонок, выключатель, провода.

3. Батарея элементов, лампа, выключатель, провода.

(слайд 8, 9) Индивидуальные задания учащимся (учащиеся работают на доске)

НАЧЕРТИТЕ СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ

Чтобы нам продолжить путь,
Надо знанья почерпнуть.

Мы тетради открываем
Ток в металлах изучаем

(слайд 11) Учитель: почему в металлических проводниках протекает электрический ток?

Гипотеза: Если существует металлический проводник, то заряженные частицы двигаются

Цель: познакомиться с особенностями электрического тока в металлах

(слайд 12) Задачи:

1. Повторить строение металлов

2. Убедиться, что металл в обычных условиях нейтрален

3. Выяснить, что представляет собой электрический ток в металлах

4. Представить доказательства физиков нашей страны и американских физиков

(слайд 13) Учитель объявляет тему урока

(слайд 14) Учитель: Что называется металлом?

Самое известное из ранних определений металла было дано в середине XVIII века М.В. Ломоносовым:

“Металлом называется светлое тело, которое ковать можно. Таких тел только шесть: золото, серебро, медь, олово, железо и свинец”.

Спустя два с половиной века многое стало известно о металлах. К числу металлов относится более 75% всех элементов таблицы Д. И. Менделеева, и подобрать абсолютно точное определение для металлов – почти безнадежная задача.

(МЕТАЛЛЫ — это вещества, обладающие высокой электропроводностью и теплопроводностью, ковкостью, пластичностью и металлическим блеском)

(слайд 15) Работа с учебником. Рассмотрим рис.52 (стр.79 – 80) [1]

Модель металла — кристаллическая решетка, в узлах которой частицы совершают хаотичное колебательное движение.

(слайд 16) Учащиеся выполняют опорный конспект (записи в тетрадях)

В узлах кристаллической решетки расположены положительные ионы

В пространстве между ними движутся свободные электроны

Отрицательный заряд всех свободных электронов по абсолютному значению равен положительному заряду всех ионов решетки

(слайд 17) Электроны взаимодействуют не друг с другом, а с ионами кристаллической решётки. При каждом соударении электрон передаёт свою кинетическую энергию.

Учащиеся рассматривают интерактивную модель строения металла

(слайд 18) Учитель: рассматриваем видеофрагмент и делаем выводы

Вывод:

1. В обычных условиях металл электрически нейтрален

2. Свободные электроны движутся в нём беспорядочно

3. Если создать в металле электрическое поле, то свободные электроны начнут двигаться направленно (упорядоченно), т. е. возникнет электрический ток

4. Беспорядочное движение электронов сохраняется

Учитель: Что представляет собой электрический ток в металлах? (стр. 80) [1]

(слайд 21) Минутка отдыха. Учитель предлагает физические упражнения движения заряженных частиц (колебания положительных частиц около положения равновесия и беспорядочного движения отрицательных частиц). Зарядка для глаз.

(слайд 22, 23) Подтверждение теоретического материала. Рассматриваем опыты физиков из нашей страны Леонида Исааковича Мендельштама и Николая Дмитриевича Папалекси, а также американских физиков Бальфура Стюарта и Роберта Толмена.

Доклад учащегося.

Опыт Мандельштама и Папалекси проведен в 1916 году. Цель опыта состояла в проверке того, есть ли масса у носителя электрического тока, электрона. Если масса у электрона есть, то он должен подчиняться законам механики, в частности закону инерции. К примеру, если движущийся проводник резко затормозить, то электроны еще некоторое время будут двигаться в том же направлении по инерции.

Для этой проверки исследователи вращали катушку с проходящим током, а затем резко останавливали ее. Возникающий бросок тока регистрировали с помощью телефона.

По щелчку тока в телефонах Мандельштамм и Папалекси установили, что электрон обладает массой. Но измерить эту массу они не смогли. Поэтому этот опыт — качественный.

Позже американские физики Толмен и Стюарт, используя ту же идею вращения катушки, измерили массу электрона. Для этого они измеряли возникающий при торможении катушки заряд на ее выводах.

Рассмотреть интерактивную модель опытов.

(слайд 24) Учитель: какова же скорость движения самих электронов в проводнике под действием электрического поля? Что возникает в проводнике и распространяется с большой скоростью?

Учащиеся находят ответы:

Невелика, всего несколько миллиметров в секунду, а иногда и ещё меньше.

Если возникает в проводнике электрическое поле, оно с огромной скоростью распространяется по всей длине проводника (близкой к скорости света 300 000 км/с), одновременно начинают двигаться электроны в одном направлении по всей длине проводника

(слайд 25) Сравнение электрического тока с течением воды в водопроводе, а распространения электрического поля – с распространением давления воды.

(слайд 26) Тестирование (учащиеся работают с презентацией теста) Самопроверка, самооценка.

(слайд 27) Учитель: Как можно избежать действия электрического тока при случайном прикосновении к электроприбору, которое оказалось под напряжением?

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

Из каких материалов выполняется заземление?

Выслушать ответы учащихся.

(слайд 28, 29) Это интересно. Доклад учащегося.

На данный момент здания Мерилендского Стейт Хауза является самым старым зданием в Америке для законодательной власти США. Капитолий был построен во второй половине восемнадцатого века и использовался конгрессом Мериленда с 1772 года Стейт Хауз был спроектирован Джозефом Горацио Андерсеном, известным архитектором того времени, а огромный купол Капитолия поддерживает громоотвод который был сооружён и основан на характеристиках его изобретателя Бенджамина Франклина. Купол капитолия отображён на двадцатипятицентовике Мериленда

Читайте также:  Как узнать какое вещество не проводит электрический ток

(слайд 30) Закрепление материала. Учащиеся отвечают на вопросы.

  • Как объяснить, что в обычных условиях металл электрически нейтрален?
  • Что происходит с электронами металла при возникновении в нем электрического поля?
  • Что представляет собой электрический ток в металлах?
  • Какую скорость имеют ввиду, когда говорят о скорости распространения электрического тока в проводнике?

Рефлексия. Итоги урока.

Домашнее задание параграф 34

Литература

1. Физика 8 класс / А.В. Перышкин.- М.: Дрофа, 2011 г.

2. Тесты по физике /А.В. Чеботарева. Издательство “Экзамен” – М., 2010 г. (к учебнику А.В. Перышкина)

3. Сборник задач по физике / В.И.Лукашик, Е.В.Иванова.- М.: “Просвещение”, 2007 г.

Источник

Физика. 10 класс

Конспект урока

Физика, 10 класс

Урок 32. Электрический ток в металлах

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) прохождение тока в металлах;

2) зависимость сопротивления металлов от температуры;

3) явление сверхпроводимости.

Глоссарий по теме

Свободные электроны – это электроны, не связанные с определенными атомами.

Сверхпроводимость – физическое явление, заключающееся в скачкообразном падении до нуля сопротивления вещества.

Температурный коэффициент сопротивления — величина, равная относительному изменению электрического сопротивления участка электрической цепи или удельного сопротивления вещества при изменении температуры на 1 К.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Мякишев Г. Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 216-224.

Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. — М.: Дрофа, 2009.- С.81-89.

М.М. Балашов О природе М., Просвещение, 1991г.

Е.А. Марон, А.Е. Марон Сборник качественных задач по физике. М., Просвещение, 2006

Я.И. Перельман Занимательная физика. М.: “Наука”, 1991.

Основное содержание урока

Все тела по проводимости электрического тока делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики. Для того чтобы электрическую энергию доставить от источника тока потребителю составляют электрические цепи. В большинстве случаев в электрической цепи используются металлические провода. По физической природе зарядов – носителей электрического тока, электропроводность подразделяют на:

Какие заряженные частицы движутся в металлах при наличии тока?

После открытия в 1897 году английским ученым Дж. Дж. Томсоном электрона стали разрабатываться теории, объясняющие электропроводность металлов. Автором первой теории был Пауль Друде – немецкий физик. Эта теория нуждалась в опытном обосновании. В 1901 г. немецкий физик Э. Рикке поставил опыт по исследованию прохождения тока в металлах.

Результаты опыта свидетельствовали о том, что в переносе заряда в металлах ионы не участвуют. Впоследствии вопросом проводимости металлов заинтересовались и другие учёные. В 1913 году российские учёные Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси провели опыты по исследованию проводимости металлов. Суть опытов сводилась к тому, что катушка, на которую наматывали металлическую проволоку приводили во вращательное движение и резко тормозили. При торможении электроны продолжали двигаться по инерции и гальванометр, соединенный с катушкой фиксировал появление тока. По направлению отклонения стрелки гальванометра было установлено, что ток создается движением отрицательно заряженных частиц. На основании измерения отношения заряда частиц к их массе выяснилось, что ток создается движением свободных электронов. Аналогичный опыт был поставлен в 1916 году американскими учеными Т. Стюартом и Р. Толменом. Результаты опытов говорили, что ток в металлах создается движением электронов.

После анализа имеющихся данных о прохождении тока в металлах разными учеными была разработана современная классическая теория проводимости тока металлами. Основные положения электронной теории проводимости металлов.

1. Металл можно описать следующей моделью: кристаллическая решетка ионов погружена в идеальный электронный газ, состоящий из свободных электронов. У большинства металлов каждый атом ионизирован, поэтому концентрация свободных электронов приблизительно равна концентрации атомов 1023- 1029м-3 и почти не зависит от температуры.

2.Свободные электроны в металлах находятся в непрерывном хаотическом движении.

3. Электрический ток в металле образуется только за счет упорядоченного движения свободных электронов.

Опираясь на данную теорию удалось объяснить основные законы электрического тока в металлах. Исходя из электронной теории можно найти связь между силой тока в металлах и скоростью движения электронов.

Сила тока равна произведению заряда электрона, их концентрации, площади сечения проводника и средней скорости движения электронов:

Отсюда . По этой формуле можно найти среднюю скорость движения электронов.

Если в эту формулу подставлять числовые данные силы тока, концентрации и площади сечения для разных металлов, то мы увидим, что средняя скорость движения электронов составляет всего лишь какие-то доли миллиметра в секунду. Когда говорят о скорости распространения тока имеют в виду скорость распространения электрического поля в проводнике, которое равно скорости света.

На силу тока в проводнике влияет и сопротивление проводника. Опыт показывает, что сопротивление металлов зависит от температуры. Увеличение сопротивления можно объяснить тем, при повышении температуры увеличивается скорость и амплитуда хаотического движения ионов кристаллической решетки металла и свободных электронов. Это приводит к более частым их соударениям, что затрудняет направленное движение электронов, то есть увеличивает электрическое сопротивление.

зависимость сопротивления металлов от температуры выражается формулой:

При нагревании размеры проводника практически не меняются, в основном меняется удельное сопротивление. Учет зависимости сопротивления от температуры используется в термометрах сопротивления.

Формула зависимости удельного сопротивления металлического проводника от температуры имеет вид:

где ρ0 — удельное сопротивление при 0 градусов,

α — температурный коэффициент сопротивления.

Графиком зависимости ⍴(t) является прямая.

Хотя коэффициент α довольно мал, учет зависимости сопротивления от температуры при расчете нагревательных приборов совершенно необходим.

При понижении температуры сопротивление металлов должно уменьшаться. В 1911 году датский физик Х. Каммерлинг — Оннес открыл явление, названное сверхпроводимостью. Исследуя зависимость сопротивления ртути от температуры, он обнаружил, что при температуре 4,12 К сопротивление ртути исчезает. В сверхпроводящее состояние могут перейти многие химические соединения и сплавы. Некоторые вещества, переходящие при низких температурах в сверхпроводящее состояние, не являются проводниками при обычных температурах.

Вещества, находящиеся в сверхпроводящем состоянии, приобретают новые свойства. Наиболее важным из них является способность длительное время (многие годы) поддерживать без затухания электрический ток в проводниках.

Классическая электронная теория не способна объяснить явление сверхпроводимости. Теоретическое объяснение явления сверхпроводимости на основе квантово-механических представлений было дано учеными Дж. Бардиным, Дж. Шриффером (США) и Н. Н. Боголюбовым (СССР) в 1957 г.

В 1986 году была обнаружена высокотемпературная сверхпроводимость (при 100 К).

В настоящее время ведутся интенсивные работы по поиску новых веществ переходящими в сверхпроводящее состояние при более высокой температуре. Ученые надеются получить вещество в сверхпроводящем состоянии при комнатной температуре. Если удастся создать сверхпроводник при нормальной температуре, то будет решена проблема передачи электроэнергии по проводам без потерь.

Следует отметить, что до настоящего времени механизм высокотемпературной сверхпроводимости керамических материалов до конца не выяснен.

Читайте также:  Триггерная защита с регулируемым током срабатывания

Открытие вещества, переходящего в сверхпроводящее состояние при комнатной температуре, позволило бы упростить решение многих технических вопросов. Во-первых, отсутствие сопротивления означает отсутствие каких-либо потерь на нагревание. Отсутствие нагревания и потерь энергии на него чрезвычайно важно для электродвигателей и электронной вычислительной техники, а также для передачи электроэнергии.

В сверхпроводниках из-за отсутствия сопротивления протекают чрезвычайно высокие токи, создающие сильные магнитные поля, что может применяться при термоядерном синтезе для удержания высокотемпературной плазмы в реакторе.

На сегодняшний момент в некоторых странах существует железнодорожная сеть с поездами на магнитной подушке. После открытия сверхпроводимости Камерлинг-Оннес, пытаясь создать сверхпроводящий электромагнит, обнаружил, что изменение тока, или же магнитные поля, разрушают эффект сверхпроводимости. Только к середине двадцатого века удалось создать сверхпроводящие электромагниты. На данный момент продолжаются исследования по изучению высокотемпературной сверхпроводимости.

Разбор типовых тренировочных заданий

1. Сопротивление железного проводника при 0 0 С и 600 0 С равны соответственно 2 Ом и 10 Ом. Каков температурный коэффициент железа?

Зависимость сопротивления металлов от температуры определяется формулой

Из этой формулы выразим температурный коэффициент железа – α

После подстановки числовых данных получаем

2. Какова скорость дрейфа электронов в медном проводе диаметром 5 мм, по которому к стартеру грузовика подводится ток 100 А. Молярная масса меди

Сила тока в проводнике равна:

Выразим скорость из этой формулы:

Концентрацию электронов найдем по формуле:

Число электронов найдём по формуле:

Площадь сечения равна:

Учитывая всё это запишем конечную формулу для расчёта скорости дрейфа электронов:

Источник

Электрический ток в металлах

Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение электронов под действием электрического поля. Опыты показывают, что при протекании тока по металлическому проводнику переноса вещества не происходит, следовательно, ионы металла не принимают участия в переносе электрического заряда.

Наиболее убедительное доказательство электронной природы тока в металлах было получено в опытах с инерцией электронов. Идея таких опытов и первые качественные результаты (1913 г.) принадлежат русским физикам Л.И. Мандельштаму и Н.Д. Папалекси В 1916 году американский физик Р. Толмен и шотландский физик Б. Стюарт усовершенствовали методику этих опытов и выполнили количественные измерения, неопровержимо доказавшие, что ток в металлических проводниках обусловлен движением электронов.

Схема опыта Толмена и Стюарта показана на рис. 1.12.1. Катушка с большим числом витков тонкой проволоки приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы катушки с помощью гибких проводов были присоединены к чувствительному баллистическому гальванометру Г. Раскрученная катушка резко тормозилась, и в цепи возникал кратковременных ток, обусловленный инерцией носителей заряда. Полный заряд, протекающий по цепи, измерялся по отбросу стрелки гальванометра.

Схема опыта Толмена и Стюарта

При торможении вращающейся катушки на каждый носитель заряда e действует тормозящая сила которая играет роль сторонней силы, то есть силы неэлектрического происхождения. Сторонняя сила, отнесенная к единице заряда, по определению является напряженностью Eст поля сторонних сил:

Следовательно, в цепи при торможении катушки возникает электродвижущая сила , равная

где l – длина проволоки катушки. За время торможения катушки по цепи протечет заряд q, равный

Здесь I – мгновенное значение силы тока в катушке, R – полное сопротивление цепи, υ – начальная линейная скорость проволоки.

Отсюда удельный заряд e / m свободных носителей тока в металлах равен:

Все величины, входящие в правую часть этого соотношения, можно измерить. На основании результатов опытов Толмена и Стюарта было установлено, что носители свободного заряда в металлах имеют отрицательный знак, а отношение заряда носителя к его массе близко к удельному заряду электрона, полученному из других опытов. Так было установлено, что носителями свободных зарядов в металлах являются электроны.

По современным данным модуль заряда электрона (элементарный заряд) равен

а его удельный заряд есть

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

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. 1.12.2).

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

Из-за взаимодействия с ионами электроны могут покинуть металл, лишь преодолев так называемый потенциальный барьер. Высота этого барьера называется работой выхода. При обычных (комнатных) температурах у электронов не хватает энергии для преодоления потенциального барьера.

Из-за взаимодействия с кристаллической решеткой потенциальная энергия выхода электрона внутри проводника оказывается меньше, чем при удалении электрона из проводника. Электроны в проводнике находятся в своеобразной «потенциальной яме», глубина которой и называется потенциальным барьером.

Как ионы, образующие решетку, так и электроны участвуют в тепловом движении. Ионы совершают тепловые колебания вблизи положений равновесия – узлов кристаллической решетки. Свободные электроны движутся хаотично и при своем движении сталкиваются с ионами решетки. В результате таких столкновений устанавливается термодинамическое равновесие между электронным газом и решеткой. Согласно теории Друде–Лоренца, электроны обладают такой же средней энергией теплового движения, как и молекулы одноатомного идеального газа. Это позволяет оценить среднюю скорость теплового движения электронов по формулам молекулярно-кинетической теории. При комнатной температуре она оказывается примерно равной 10 5 м/с.

При наложении внешнего электрического поля в металлическом проводнике кроме теплового движения электронов возникает их упорядоченное движение (дрейф), то есть электрический ток. Среднюю скорость дрейфа можно оценить из следующих соображений. За интервал времени Δt через поперечное сечение S проводника пройдут все электроны, находившиеся в объеме

Число таких электронов равно , где n – средняя концентрация свободных электронов, примерно равная числу атомов в единице объема металлического проводника. Через сечение проводника за время Δt пройдет заряд Отсюда следует:

или

Концентрация n атомов в металлах составляет 10 28 –10 29 м –3 .

Оценка по этой формуле для металлического проводника сечением 1 мм 2 , по которому течет ток 10 А, дает для средней скорости упорядоченного движения электронов значение в пределах 0,6–6 мм/c. Таким образом,

средняя скорость упорядоченного движения электронов в металлических проводниках на много порядков меньше средней скорости их теплового движения

Рис. 1.12.3 дает представление о характере движения свободного электрона в кристаллической решетке.

Движение свободного электрона в кристаллической решетке: а – хаотическое движение электрона в кристаллической решетке металла; b – хаотическое движение с дрейфом, обусловленным электрическим полем. Масштабы дрейфа сильно преувеличены

Малая скорость дрейфа на противоречит опытному факту, что ток во всей цепи постоянного тока устанавливается практически мгновенно. Замыкание цепи вызывает распространение электрического поля со скоростью c = 3·10 8 м/с. Через время порядка l / c (l – длина цепи) вдоль цепи устанавливается стационарное распределение электрического поля и в ней начинается упорядоченное движение электронов.

Читайте также:  Опыт показывающий магнитное действие тока

В классической электронной теории металлов предполагается, что движение электронов подчиняется законам механики Ньютона. В этой теории пренебрегают взаимодействием электронов между собой, а их взаимодействие с положительными ионами сводят только к соударениям. Предполагается также, что при каждом соударении электрон передает решетке всю накопленную в электрическом поле энергию и поэтому после соударения он начинает движение с нулевой дрейфовой скоростью.

Несмотря на то, что все эти допущения являются весьма приближенными, классическая электронная теория качественно объясняет законы электрического тока в металлических проводниках.

Закон Ома. В промежутке между соударениями на электрон действует сила, равная по модулю eE, в результате чего он приобретает ускорение . Поэтому к концу свободного пробега дрейфовая скорость электрона равна

где τ – время свободного пробега, которое для упрощения расчетов предполагается одинаковым для всех электронов. Среднее значение скорости дрейфа равно половине максимального значения:

Рассмотрим проводник длины l и сечением S с концентрацией электронов n. Ток в проводнике может быть записан в виде:

где U = El – напряжение на концах проводника. Полученная формула выражает закон Ома для металлического проводника. Электрическое сопротивление проводника равно:

а удельное сопротивление ρ и удельная проводимость ν выражаются соотношениями:

Закон Джоуля-Ленца.

К концу свободного пробега электроны под действием поля приобретают кинетическую энергию

Согласно сделанным предположениям вся эта энергия при соударениях передается решетке и переходит в тепло.

За время Δt каждый электрон испытывает Δt / τ соударений. В проводнике сечением S и длины l имеется nSl электронов. Отсюда следует, что выделяемое в проводнике за время Δt тепло равно:

Это соотношение выражает закон Джоуля-Ленца.

Таким образом, классическая электронная теория объясняет существование электрического сопротивления металлов, законы Ома и Джоуля–Ленца. Однако в ряде вопросов классическая электронная теория приводит к выводам, находящимся в противоречии с опытом.

Эта теория не может, например, объяснить, почему молярная теплоемкость металлов, также как и молярная теплоемкость диэлектрических кристаллов, равна 3R, где R – универсальная газовая постоянная (закон Дюлонга и Пти, см. ч. I, § 3.10). Наличие свободных электронов на сказывается на величине теплоемкости металлов.

Классическая электронная теория не может также объяснить температурную зависимость удельного сопротивления металлов. Теория дает соотношение , в то время как из эксперимента получается зависимость ρ

T. Однако наиболее ярким примером расхождения теории и опытов является сверхпроводимость.

Согласно классической электронной теории, удельное сопротивление металлов должно монотонно уменьшаться при охлаждении, оставаясь конечным при всех температурах. Такая зависимость действительно наблюдается на опыте при сравнительно высоких температурах. При более низких температурах порядка нескольких кельвинов удельное сопротивление многих металлов перестает зависеть от температуры и достигает некоторого предельного значения. Однако наибольший интерес представляет удивительное явление сверхпроводимости, открытое датским физиком Х.Каммерлинг-Онесом в 1911 году. При некоторой определенной температуре Tкр, различной для разных веществ, удельное сопротивление скачком уменьшается до нуля (рис. 1.12.4). Критическая температура у ртути равна 4,1 К, у аллюминия 1,2 К, у олова 3,7 К. Сверхпроводимость наблюдается не только у элементов, но и у многих химических соединений и сплавов. Например, соединение ниобия с оловом (Ni3Sn) имеет критическую температуру 18 К. Некоторые вещества, переходящие при низких температурах в сверхпроводящее состояние, не являются проводниками при обычных температурах. В то же время такие «хорошие» проводники, как медь и серебро, не становятся сверхпроводниками при низких температурах.

Зависимость удельного сопротивления ρ от абсолютной температуры T при низких температурах: a – нормальный металл; b – сверхпроводник

Вещества в сверхпроводящем состоянии обладают исключительными свойствами. Практически наиболее важным их них является способность длительное время (многие годы) поддерживать без затухания электрический ток, возбужденный в сверхпроводящей цепи.

Классическая электронная теория не способна объяснить явление сверхпроводимости. Объяснение механизма этого явления было дано только через 60 лет после его открытия на основе квантово-механических представлений.

Научный интерес к сверхпроводимости возрастал по мере открытия новых материалов с более высокими критическими температурами. Значительный шаг в этом направлении был сделан в 1986 году, когда было обнаружено, что у одного сложного керамического соединения Tкр = 35 K. Уже в следующем 1987 году физики сумели создать новую керамику с критической температурой 98 К, превышающей температуру жидкого азота (77 К). Явление перехода веществ в сверхпроводящее состояние при температурах, превышающих температуру кипения жидкого азота, было названо высокотемпературной сверхпроводимостью. В 1988 году было создано керамическое соединение на основе элементов Tl–Ca–Ba–Cu–O с критической температурой 125 К.

В настоящее время ведутся интенсивные работы по поиску новых веществ с еще более высокими значениями Tкр. Ученые надеятся получить вещество в сверхпроводящем состоянии при комнатной температуре. Если это произойдет, это будет настоящей революцией в науке, технике и вообще в жизни людей.

Следует отметить, что до настоящего времени механизм высокотемпературной сверхпроводимости керамических материалов до конца не выяснен.

Источник



Тест по физике Электрический ток в металлах 8 класс

Тест по физике Электрический ток в металлах Направление электрического тока для учащихся 8 класса с ответами. Тест состоит из 8 заданий и предназначен для проверки знаний к главе Электрические явления.

1. Какие еще (кроме свободных электронов) заряженные части­цы имеются в металлах? Где они находятся?

1) Положительные ионы; на постоянном для каждого месте
2) Положительные ионы; в узлах кристаллической решетки
3) Атомы; в узлах кристаллической решетки
4) Отрицательные ионы; каждый на определенном месте

2. Какое движение и каких частиц представляет собой электри­ческий ток в металлах?

1) Упорядоченное (однонаправленное) движение свободных электронов
2) Согласованное колебание ионов в узлах кристаллической решетки
3) Упорядоченное смещение положительных ионов

3. Кристаллическая решетка металла, образуемая ионами, име­ет положительный заряд. Почему же металлы электрически нейтральны?

1) Потому что свободные электроны в металле, двигаясь ха­отично, попадают на поверхность и экранируют положи­тельный заряд решетки
2) Потому что ионы сохраняют свое местоположение в твер­дом теле
3) Потому что общий отрицательный заряд всех свободных электронов равен всему положительному заряду ионов
4) Среди ответов нет правильного

4. При каком условии в металлическом проводнике возникает электрический ток?

1) В случае перехода хаотического движения свободных электронов в упорядоченное движение
2) При создании в нем электрического поля
3) При появлении в нем свободных электронов
4) В случае включения его в электрическую цепь

5. Какова скорость распространения электрического тока в цепи?

1) Она равна средней скорости хаотического движения элек­тронов
2) Эта скорость бесконечно велика
3) Она равна скорости упорядоченного движения электронов в проводниках
4) Она равна скорости распространения в цепи электрическо­го поля

6. Движение каких заряженных частиц в электрическом поле принято за направление тока?

1) Электронов
2) Ионов
3) Частиц с отрицательным зарядом
4) Частиц с положительным зарядом

7. На какой схеме направление тока указано стрелкой непра­вильно?

Тест по физике Электрический ток в металлах 7 задание

8. На каком рисунке стрелки не соответствуют общепринятому обозначению направления электрического тока в цепи?

Тест по физике Электрический ток в металлах 8 задание

Ответы на тест по физике Электрический ток в металлах
1-2
2-1
3-3
4-2
5-4
6-4
7-1
8-3

Источник