PhysBook:Электронный учебник физики — PhysBook

Содержание

• 1 Учебники
• 2 Механика
  • 2.1 Кинематика
  • 2.2 Динамика
  • 2.3 Законы сохранения
  • 2.4 Статика
  • 2.5 Механические колебания и волны
• 3 Термодинамика и МКТ
  • 3.1 МКТ
  • 3. 2 Термодинамика
• 4 Электродинамика
  • 4.1 Электростатика
  • 4.2 Электрический ток
  • 4.3 Магнетизм
  • 4.4 Электромагнитные колебания и волны
• 5 Оптика. СТО
  • 5.1 Геометрическая оптика
  • 5.2 Волновая оптика
  • 5. 3 Фотометрия
  • 5.4 Квантовая оптика
  • 5.5 Излучение и спектры
  • 5.6 СТО
• 6 Атомная и ядерная
  • 6.1 Атомная физика. Квантовая теория
  • 6.2 Ядерная физика
• 7 Общие темы
• 8 Новые страницы

Здесь размещена информация по школьной физике:

1. материалы из учебников, лекций, рефератов, журналов;
2. разработки уроков, тем;
3. flash-анимации, фотографии, рисунки различных физических процессов;
4. ссылки на другие сайты

и многое другое.

Каждый зарегистрированный пользователь сайта имеет возможность выкладывать свои материалы (см. справку), обсуждать уже созданные.

Учебники

Формулы по физике – 7 класс – 8 класс – 9 класс – 10 класс – 11 класс –

Механика

Кинематика

Основные понятия кинематики – Прямолинейное движение – Криволинейное движение – Движение в пространстве

Динамика

Законы Ньютона – Силы в механике – Движение под действием нескольких сил

Законы сохранения

Закон сохранения импульса – Закон сохранения энергии

Статика

Статика твердых тел – Динамика твердых тел – Гидростатика – Гидродинамика

Механические колебания и волны

Механические колебания – Механические волны

---

Термодинамика и МКТ

МКТ

Основы МКТ – Газовые законы – МКТ идеального газа

Термодинамика

Первый закон термодинамики – Второй закон термодинамики – Жидкость-газ – Поверхностное натяжение – Твердые тела – Тепловое расширение

---

Электродинамика

Электростатика

Электрическое поле и его параметры – Электроемкость

Электрический ток

Постоянный электрический ток – Электрический ток в металлах – Электрический ток в жидкостях – Электрический ток в газах – Электрический ток в вакууме – Электрический ток в полупроводниках

Магнетизм

Магнитное поле – Электромагнитная индукция

Электромагнитные колебания и волны

Электромагнитные колебания – Производство и передача электроэнергии – Электромагнитные волны

---

Оптика.

СТО

Геометрическая оптика

Прямолинейное распространение света. Отражение света – Преломление света – Линзы

Волновая оптика

Свет как электромагнитная волна – Интерференция света – Дифракция света

Фотометрия

Фотометрия

Квантовая оптика

Квантовая оптика

Излучение и спектры

Излучение и спектры

СТО

СТО

---

Атомная и ядерная

Атомная физика. Квантовая теория

Строение атома – Квантовая теория – Излучение атома

Ядерная физика

Атомное ядро – Радиоактивность – Ядерные реакции – Элементарные частицы

---

Общие темы

Измерения – Методы решения – Развитие науки- Статья- Как писать введение в реферате- Подготовка к ЕГЭ — Репетитор по физике

Новые страницы

Запрос не дал результатов.

Движение свободных электронов в проводнике. Изготовление прибора для кабинета физики

Городская научно-практическая конференция «Мир науки»

Секция математика и физика

Движение свободных электронов в металле. Демонстрация прибора, изготовленного для кабинета физики.

Автор:  Смирнов Андрей Олегович

Класс 8б МОУ «СОШ» №7

Научный руководитель: Кованская Марина Геннадьевна

Учитель физики 1 категории  МОУ «СОШ» №7

Вологда

2017

Оглавление

Введение…………………………………………………………………………3

Глава I.

1.1 Понятие электрического тока  ……………………………………..4

1.2 Особенности протекания электрического тока в металлах………5

Глава II.

2.1 Построение  электрической схемы для изготовления прибора……7

2. Демонстрация прибора в работе……………………………………..8

         2.3 Законы физики, которые можно продемонстрировать с помощью  моего прибора  …………………………………………………………………8

Заключение………………………………………………………………………..9

Список используемой литературы……………………………………………..10

Приложения………………………………………………………………………11

---

Введение

Для того, чтобы поставить необходимый опыт, нужно иметь приборы и измерительные инструменты. И не думайте, что все приборы делаются на заводах. Во многих случаях исследовательские установки сооружаются самими исследователями. При этом считается, что талантливее тот исследователь, который может поставить опыт и получить хорошие результаты не только на сложных, а и на более простых приборах.  

Цель проектной работы:

Спроектировать и изготовить конструкцию; применить знания и навыки, полученные на уроках физики и дать возможность реализации своих творческих идей при изготовлении прибора для демонстрации движения свободных электронов в проводнике.

Задачи:

 — Разработать конструкцию прибора для демонстрации движения свободных электронов в проводнике, отсутствующий в лаборатории.

— систематизировать и обогатить знания по теме  «Законы постоянного тока»

 — сформировать исследовательские умения

 — сделать выводы по результатам работы прибора

 — представить результаты проектной работы

Актуальность работы состоит в том, что при отсутствии данного прибора в физической лаборатории, изготовленная мной конструкция  сможет заменить недостающую установку при демонстрации и объяснении темы «Электрический ток в металлах»

Глава I.

1. Понятие электрического тока  

Электрический ток — направленное движение электрически заряженных частиц под воздействием электрического поля.

Такими частицами могут являться: в проводниках – электроны, в электролитах – ионы (катионы и анионы), в полупроводниках – электроны и, так называемые, «дырки» («электронно-дырочная проводимость»).

Также существует «ток смещения», протекание которого обусловлено процессом заряда емкости, т.е. изменением разности потенциалов между обкладками. Между обкладками никакого движения частиц не происходит, но ток через конденсатор протекает.

В теории электрических цепей за ток принято считать направленное движение носителей заряда в проводящей среде под действием электрического поля.

Током проводимости (просто током) в теории электрических цепей называют количество электричества, протекающего за единицу времени через поперечное сечение проводника. Это выражение справедливо для цепей постоянного тока. Для цепей переменного тока применяют так называемое мгновенное значение тока, равное скорости изменения заряда во времени.

Электрический ток возникает тогда, когда на участке электрической цепи появляется электрическое поле, или разность потенциалов между двумя точками проводника. Разность потенциалов между двумя точками электрической цепи называют напряжением или падением напряжения на этом участке цепи.

1.2  Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение свободных электронов под действием электрического поля. Наиболее убедительное доказательство электронной природы тока в металлах было получено в опытах с инерцией электронов (опыт Толмена и Стьюарта).

      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 основе 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.

Откуда берутся  свободные электроны?

Дело в том, что в атомах не все электроны одинаково прочно удерживаются ядром. В электронных оболочках атомов металлов всегда есть один, два или три электрона, очень слабо связанных с ядром. Поэтому, например, при растворении различных солей входящие в их состав атомы металлов легко отдают эти электроны другим атомам, а сами превращаются в положительные ионы. Отрыв электронов от атомов происходит и в куске любого металла, но все электроны, утерявшие связь с атомами, остаются в самом металле между образовавшимися ионами.

Число свободных электронов в металле огромно. Их примерно столько же, сколько атомов. Тем не менее весь кусок металла остаётся, конечно, незаряженным, так как положительный заряд всех ионов в точности равен отрицательному заряду всех электронов.

Таким образом, строение металла мы может себе представить в таком виде. Атомы металла, потерявшие по 1—2 электрона, стали ионами. Они сравнительно прочно сидят на своих местах и образуют, можно сказать, жёсткий «скелет» куска металла. Между ионами быстро движутся по всем направлениям электроны. Некоторые из электронов при движении тормозятся, другие ускоряются, так что среди них всегда есть и быстрые и медленные

 При наложении внешнего электрического поля в металлическом проводнике кроме теплового движения электронов возникает их упорядоченное движение (дрейф), то есть электрический ток. Величина дрейфовой скорости электронов лежит 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. Малая скорость дрейфа не противоречит опытному факту, что ток во всей цепи постоянного тока устанавливается практически мгновенно. Замыкание цепи вызывает распространение электрического поля со скоростью  c = 3·108 м/с. Через время вдоль цепи устанавливается стационарное распределение электрического поля и в ней начинается упорядоченное движение электронов.

Направление электрического тока (приложение 1) условно принято от положительного полюса к отрицательному.

За направление электрического тока следовало бы считать направление движения свободных электронов по металлическому проводнику, однако за направление электрического тока условно принято считать направление движения положительных зарядов в проводнике. Эта условность сложилась исторически к в настоящее время сохранила свою силу в электротехнике

---

2.1 Построение  электрической схемы для изготовления прибора

В журнале «Юный техник» №9 1978 года издания я увидел  прибор, который можно изготовить своими руками и решил попробовать.

Для того, чтобы сконструировать электрический прибор, нужно начертить схему цепи и подобрать необходимое оборудование.

Мне понадобились следующие подручные материалы:

• Мотор ( с конденсаторами) от старой игрушки
• Понижающий трансформатор в зарядном устройстве
• Пластиковый стакан
• Пустая коробка от зубного порошка
• Пустая баночка от витаминов
• Соединительные провода

Оборудование из кабинета физики:

• Светодиод
• Ключ
• Амперметр
• Мультиметр
• Реостат

 Дальше  начертил схему последовательной электрической цепи (приложение 2), состоящей из электромотора, светодиода, реостата, понижающего трансформатора.

Мотор поместил в коробку от зубного порошка, насадив на его баночку от витаминов с нанесенными черными точками. Черные точки будут демонстрировать упорядоченное движение свободных электронов в проводнике под действием электрического поля, создавая тем самым электрический ток в проводнике.

Сверху на коробку от зубного порошка  поместил пластиковый стакан, закрепил его с помощью термоклея .В стакане вырезал окошечко 2*2 см, заклеил его прозрачной пленкой и нанес красные точки, которые в работе прибора представляют собой ионы кристаллической решетки. Они остаются неподвижными, в то время как свободные электроны движутся упорядоченно под действием электрического поля.

2.2 Демонстрация прибора в работе (Приложение 3)

Прибор работает следующим образом. При его включении цилиндр с нанесенными на его внешнюю поверхность электронами начинает вращаться, и они (электроны) двигаются в сторону знака «-« от знака «+», изображенных на стенке банки, мимо неподвижных ядер, имеющихся на экране.

Таким образом, учащиеся наглядно убеждаются, что возникновение электрического тока в проводнике обязано электрическому полю, которое заставляет свободные электроны в металле двигаться упорядоченно.

2.3 Законы физики, которые можно продемонстрировать с помощью моего прибора

Кроме наглядного показа прохождения электронов в проводнике, с помощью прибора можно демонстрировать:

• При уменьшении сопротивления , т.е увеличения тока на концах проводника, цилиндр вращается быстрее, поток электронов ускоряется. Одновременно более ярким накалом горит светодиод, и проводник как бы разогревается от все увеличивающегося потока электронов.(Закон Ома)

I	0.07A	0,1А	0,15А
R	12Ом	70Ом	6,2Ом

• Прохождение в проводнике количества электричества (электронов) за определенное время. С увеличением тока цилиндр вращается быстрее, ускоряется и поток  электронов в единицу времени.
• С увеличением тока увеличивается нагрев проводника и, следовательно, его температура (Закон Джоуля-Ленца)

Заключение

Для того,  чтобы смастерить что — то занятное,  не надо идти в магазин, ехать в лес или идти в парк и собирать природный материал. Все необходимое можно найти у себя дома, на даче или в дальнем пыльном закутке гаража. Главное —  включить свое воображение и фантазию относительно того,  как можно использовать тот или иной прибор или его часть. Ну и,  конечно, использовать знания по физике, чтобы суметь соединить этот материал в единое целое. Изготовление своими руками пусть даже несложных моделей очень интересно и полезно не только ученику, но и учителю, который может демонстрировать работу прибора последующему поколению учащихся.

Я сконструировал прибор, демонстрирующий движение свободных электронов в проводнике под действием электрического поля. Особенно меня порадовало то, что мое изобретение успешно прошло технические испытания на уроке физики, когда мы изучали понятие электрического тока и условия его существования.

В ходе своей проектной работы , мною были решены следующие задачи: систематизация знаний по теме  «Законы постоянного тока», формирование исследовательских умений (это моя первая проектная работа), сделаны выводы по результатам работы прибора, представил результаты проектной работы публично. Цель работы достигнута через решение данных задач.

СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ  И ИНТЕРНЕТ – РЕСУРСОВ

 

1. Википедия Свободная энциклопедия      http://ru.wikipedia.org
2. Инфоурок https://infourok.ru/
3. Пёрышкин А.В. Физика. 8 класс: Учебник для общеобразовательных учреждений.  — М: Дрофа, 2010.
4. physbook.ru›
5. ЭЛ-СХЕМА.РУ     http://el-shema.ru
6. Юный техник №9, 1978 г.

---

Приложение №1

Приложение 2

Приложение 3

конденсированное вещество — Какое расстояние на самом деле двигаются электроны по проводнику под действием переменного тока?

$\begingroup$

Это более или менее любопытный вопрос. Но до сих пор мне очень везло с обменом стеками. Если я могу немного расширить свой вопрос — это может быть не очень важно, но я знаю, скажем, типичную бытовую цепь переменного тока, все провода находятся под однофазным напряжением 120 В или 240 В при частоте 60 Гц. Каждый htz представляет собой один цикл, идущий от (я полагаю) 0 В до +120 В обратно к 0 В до -120 В и обратно 0 В. Мой вопрос в основном между нашим началом при 0 В и первым пиком при + 120 В, и мы скажем для простоты, что это происходит на стандартном домашнем проводе размером 12 AWG, как

далеко успевают ли электроны двигаться по проводнику? это всего несколько дюймов? это пара футов? доли дюйма? Изменилось бы это существенно, если бы это было однофазное напряжение 240 В или, скажем, фазное напряжение 480 В, которое вы получили бы между фазами трансформатора звезда?

Последнее замечание: я не силен в большинстве научных уравнений. Может быть, какие-то простые, но если ваш ответ имеет форму набора логарифмических уравнений, было бы признательно, если бы вы могли «отупить» ответ для меня 🙂

РЕДАКТИРОВАТЬ: Дэвид Уайт. Итак, учитывая, что в течение одного герца или цикла у нас есть электрическое давление, идущее в одном «направлении» в течение половины этого цикла, а затем давление, идущее в другом направлении в течение второй половины этого цикла, поэтому я Теперь я могу думать об этом как о давлении (которое, как я понимаю, меняется, когда мы движемся от 0 до +120 гребня и обратно к 0), движущемся в одном направлении в течение 1/120 секунды и ПРИБЛИЗИТЕЛЬНО (используя свой калькулятор, чтобы установить 5 ампер на поперечнике). проводник 12 калибра / 2,05 мм) скорость дрейфа 40 см / час или (0,1 мм / с), поэтому тогда она будет 0,1 мм x 1/120 = «электроны» «движутся» около 0,0008 мм вдоль этого данного проводника? Это вообще точно? Я извиняюсь, если я слишком упрощаю это.

• конденсированные вещества
• электрические цепи
• электроны
• электрический ток
• проводники

$\endgroup$

3

$\begingroup$

Электрическое поле распространяется по проводам практически со скоростью света. Однако скорость отдельных электронов, известная как скорость их дрейфа, ОЧЕНЬ мала, порядка 0,04 мм/с. Для получения дополнительной информации об этом и калькулятора скорости дрейфа см. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/miccur.html

$\endgroup$

$\begingroup$

Электроны проводимости движутся с очень высокой скоростью — миллионы метров в секунду. Эти скорости компенсируются при отсутствии поля. При приложении электрического поля дрейф электронов происходит с очень малой скоростью $v=\mu E$. $\mu$ — подвижность. Типичные значения порядка микрометров в секунду. Для расчета расстояния, пройденного переменным полем, необходимо указать $E = V/l$, где $l$ — длина проводника. Обратите внимание, что переменные напряжения указаны в среднеквадратичных значениях, а пиковое значение в $\sqrt{2}$ раз выше. Наконец, максимальное смещение равно $d_{max} = \frac{1}{2\pi f}\sqrt{2}\mu V/l$.

{7}$ Сименс/м.

$\endgroup$

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но никогда не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

.

квантовая механика — Действительно ли электроны движутся по проводнику?

Я думаю, что суть вашего вопроса связана с тем, как распределяется заряд в установившемся режиме и во время переходных процессов. Короткий ответ: да, обе модели полезны, правильны и согласуются друг с другом.

Это не тривиальный вопрос, вокруг него витает много схематичных объяснений. Американский журнал физики — хорошее место, чтобы найти хорошие объяснения.

Статья Джексона «Поверхностные заряды на проводах цепи и резисторах играют три роли», вероятно, наиболее прямо отвечает на ваш вопрос, говоря как о поверхностном заряде, так и о векторе Пойнтинга. У Прейера есть две бумаги Переходное поведение простых RC-цепей и поверхностных зарядов и полей простых цепей, которые имеют хорошее объяснение.

Это сложнее, если ваша цепь излучает как антенна, но многие цепи медленные, и вы можете посмотреть на нее с квазистатической точки зрения, думая о том, как электроны в цепи реагируют на другие заряды, а также учитывая что требуется время, чтобы изменение положения электрона проявилось как потенциал для электрона на некотором расстоянии в цепи.

На этом рисунке Прейера в момент времени t=0 на конденсатор подается заряд, затем для очень малых временных шагов вычисляется потенциал всех электронов, а затем заряд перемещается в соответствии с полем. Это делается путем разделения схемы на очень маленькие кубики и с использованием модели Друде и $J=\sigma E$ для каждого маленького кубика. Это сложный вычислительный способ, поскольку каждый куб действует на любой другой куб. Он также должен учитывать длину цепи и скорость света. Как видите, требуется время, чтобы поля распространились и изменили потенциал. Если вы внимательно посмотрите на рисунок, то увидите, что плотность поверхностного заряда указана в шкале серого, и вы увидите изменение плотности заряда в углах и по длине цепи.

В этом примере заряд на конденсаторе обеспечивает потенциал, но вы также можете представить себе потенциал, приложенный к длинному цилиндру проводника, и для обратного пути в цепи представьте больший коаксиальный цилиндр вдали и найдите вне электрического поля внутри проводника. В установившемся режиме электрическое поле имеет вид V=-Ez. Где z — координата, а E параллельна и однородна в проводнике. Таким образом, в устойчивом состоянии в длинном проводе у вас есть падение потенциала по длине провода, при этом электрическое поле на поверхности провода почти перпендикулярно проводу, а величина поверхностной плотности заряда пропорциональна нормальной составляющей электрического поля. поле в этот момент.

Если вы думаете о токе в проводнике, вы можете использовать $$J=\sigma E$$, где $\sigma$ получено из модели Dude, $$J=env$$, где v — дрейфовая скорость, n — плотность электронов. Таким образом, мы можем иметь связь между $\sigma$ и скоростью дрейфа. Другими словами, для постоянного тока нас интересует только заряд, который проходит через некоторую площадь поперечного сечения в единицу времени. Поскольку поле однородно и электроны не могут покинуть контур, нас интересует скорость дрейфа.

Это не мешает нам также использовать вектор Пойнтинга. У нас есть поле E, у нас есть ток, из которого мы можем вычислить поле B.