Электрический ток в металлах. Полупроводниковые приборы — урок. Физика, 8 класс.

Металлы в твёрдом состоянии имеют кристаллическое строение.
Модель металла — кристаллическая решётка (рис. 1), в узлах которой частицы совершают хаотичное колебательное движение.

Рис. 1. Изображение кристаллической решетки

 

Ионами называют атомы и молекулы, имеющие либо избыток, либо недостаток электронов.

Ионизацией называют процесс присоединения или отрывания электронов от нейтральных атомов и молекул.

Отрицательными ионами называют атомы и молекулы, присоединившие к себе лишние электроны — приобретшие отрицательный заряд.

Положительными ионами называют атомы и молекулы, потерявшие электроны — приобретшие положительный заряд.

Положительные ионы располагаются в узлах кристаллической решётки. Свободные электроны движутся в пространстве между ними (рис. 2).

  

Рис. 2. Изображение свободных электронов

 

В невозбуждённом состоянии атом любого вещества имеет одинаковое количество электронов и протонов, поэтому суммарный их заряд равен нулю. Говорят, что атом электрически нейтрален.

Процесс электризации тела представляет собой приобретение или потерю этим телом электронов и ионов. Подвижными носителями зарядов в твёрдых металлов являются только электроны. При электризации металлических тел с одного на другое переходят только электроны.

В твёрдых телах ионы связаны молекулярными силами и находятся в узлах кристаллической решётки.

Связанным называется электрон, который находится в атоме или молекуле.

Свободным называется электрон, оторвавшийся и не присоединившийся к другим молекулам и атомам, существующий как самостоятельная частица.

Электрический ток в металлах обусловлен наличием свободных подвижных электронов, совокупность которых называют электронным газом.

Электрически нейтральным будет называться вещество, в котором количество положительных зарядов равно количеству отрицательных зарядов.

Электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов.

Какова же скорость движения электронов в проводнике под действием электрического поля?

Оказывается, скорость движения электронов в проводнике чрезвычайно мала, всего лишь несколько миллиметров в секунду. Почему же тогда лампочка загорается сразу после нажатия на выключатель? Все дело в том, при включении света в проводнике возникает электрическое поле (скорость его распространения около 300 000 км/с), которое заставляет

электроны двигаться в одном направлении по всей длине проводника.

Подтверждением того, что ток в металлах обусловлен движением электронов, явились многочисленные опыты, например, опыт Мандельштама и Папалекси (1916 г.). 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 ещё некоторое время будут двигаться в том же направлении по инерции.
Для этой проверки исследователи вращали катушку с проходящим током, а затем резко останавливали её. Возникающий бросок тока регистрировали с помощью телефона.

По щелчку тока в телефонах Мандельштам 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 её выводах.

 

Электрический ток может существовать не только в металлах, но и в других средах: в полупроводниках, газах и растворах электролитов. Носители электрических зарядов в разных средах разные.

 

Обрати внимание!

Так, в растворах электролитов (солей, кислот и щелочей) носителями являются положительные и отрицательные ионы, в газах — положительные и отрицательные ионы, а также электроны. В полупроводниках носителями заряда являются электроны и дырки (дырка — придуманная частица для объяснения механизма проводимости, по сути — свободное место, не занятое электроном).

Из полупроводников изготавливают полупроводниковые приборы (рис. 3). 

 

Рис. 3. Изображение транзистора

 

Полупроводники при низкой температуре не проводят электрический ток — являются диэлектриками. При воздействии на полупроводник светом, добавлением примесей или при нагревании появляются свободные носители зарядов, которые при своём направленном движении создают электрический ток. Полупроводник становится проводником.

 

Свойство полупроводников изменять электропроводность при нагревании используется в термометрах.

Свойство полупроводников изменять электропроводность под воздействием света используется в фотосопротивлениях для создания сигнализации, при сортировке деталей.

 

В экстренных ситуациях они позволяют автоматически останавливать станки и конвейеры, предупреждая несчастные случаи.

Исторически принято следующее: 

Направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов в проводнике.

При этом, если единственными носителями тока являются отрицательно заряженные частицы (например, электроны в металле), то направление тока противоположно направлению движения электронов: движение электронов показано зеленой стрелкой, а направление тока — красной стрелкой (рис. 4).

 

 

Рис. 4. Изображение направлений тока и движения электронов

 

Прохождение тока по проводнику сопровождается следующими его действиями:

  

 • Магнитным (наблюдается во всех проводниках).

Используя это свойство, можно найти место обрыва фазового провода приборами, реагирующими на изменения в электромагнитном поле, к примеру, индикаторной отвёрткой с фазоискателем.

 

Магнитное действие тока используют в устройстве гальванометра. Для этой цели между полюсами магнита помещают легкую рамку с витками провода. При протекании тока она поворачивается, увлекая за собой стрелку (рис. 5).

 

Рис. 5. Изображение гальванометра Д’Арсонваля

 

Чем больше ток, тем больше поворачивается рамка, и тем больше отклонение стрелки гальванометра.

Магнитное действие тока проявляется вне зависимости от агрегатного состояния вещества. При замыкании ключа можно наблюдать, как проволока, намотанная на гвоздь, начинает притягивать небольшие железные предметы. Это свойство широко используется в грузоподъёмных электромагнитах.

 

• Тепловым (наблюдается во всех проводниках, кроме сверхпроводников).

При прохождении электрического тока по проводнику в результате столкновений свободных электронов с его атомами и ионами проводник нагревается. Это явление проявляется в любых устройствах, имеющих нагревательный элемент: фен, плойка, электроплита, калорифер, стиральная машина, тостер, электровафельница и т.д. И даже спираль лампочки накаливания нагревается током до яркого накаливания. Под действием тока нагревается и провисает проволока.

 

• Химическим (наблюдается в электролитах).

Химическое действие тока применяется для покрытия одного металла слоем другого металла, например, при хромировании и никелировании.

 

Условные обозначения, применяемые на схемах (рис. 6, 7):

 

Гальванометр	Нагревательный элемент
Рис. 6. Обозначение гальванометра	Рис. 7. Обозначение нагревательного элемента

Источники:

Рис. 1. By Benjah-bmm27 — Own work, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2071456.

Рис. 2. Изображение свободных электронов. © ЯКласс.

Рис. 3. Указание автора не требуется. Лицензия Pixabay, бесплатное коммерческое использование, 2021-06-19, https://clck.ru/Vbgh5.

Рис. 4. By User:Flekstro — Conventional_Current.png by User:Romtobbi, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=7138943.

Рис. 5. By https://wellcomeimages.org/indexplus/obf_images/30/af/06570418c9a34ae5c68c689cd90a.jpgGallery: https://wellcomeimages.org/indexplus/image/M0016397.htmlWellcome Collection gallery (2018-03-22): https://wellcomecollection.org/works/r5xws5y8 CC-BY-4.0, CC BY 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=36372557.

Рис. 6. Обозначение гальванометра. © ЯКласс.

Рис. 7. Обозначение нагревательного элемента. © ЯКласс.

Электрический ток в металлах

Определение 1

Электрическим током в металлах называют упорядоченное движение электронов под действием электрического поля.

Исходя из опытов, видно, что металлический проводник вещество не переносит, то есть ионы металла не участвуют в передвижении электрического заряда.

Носители тока в металлах

При исследованиях были получены доказательства электронной природы тока в металлах. Еще в 1913 году Л.И. Мандельштам и Н.Д. Папалекси выдали первые качественные результаты. А в 1916 году Р. Толмен и Б. Стюарт модернизировали имеющуюся методику и выполнили количественные измерения, которые доказывали, что движение электронов происходит под действием тока в металлических проводниках.

Рисунок 1.12.1 показывает схему Толмена и Стюарта. Катушка, состоящая из большого количества витков тонкой проволоки, приводилась в действие при помощи вращения вокруг своей оси. Ее концы были прикреплены к баллистическому гальванометру Г. Производилось резкое торможение катушки, что было следствием возникновения кратковременного тока, обусловленного инерцией носителя заряда. Измерение полного заряда производилось при помощи движения стрелок гальванометра.

Рисунок 1.12.1. Схема опыта Толмена и Стюарта.

Во время торможения вращающейся катушки сила F=-mdυdt, называемая тормозящей, действовала на каждый носитель заряда е. F играла роль сторонней силы, иначе говоря, неэлектрического происхождения. Именно эта сила, характеризующаяся единицей заряда, является напряженностью поля сторонних сил Eст  :

Eст=-medυdt.

То есть при торможении катушки происходит возникновение электродвижущей силы δ, равной δ=Eстl=medυdtl, где l – длина проволоки катушки. Определенный промежуток времени процесса торможения катушки обусловлен протеканием по цепи заряда q:

q=∫Idt=1R∫δdt=melυ0R.

Данная формула объясняет, что l – это мгновенное значение силы тока в катушке, R – полное сопротивление цепи, υ0 – начальная линейная скорость проволоки. Видно, что определение удельного заряда em в металлах производится, исходя из формулы:

em=lυ0Rq.

Величины, находящиеся с правой стороны, можно измерить. Основываясь на результатах опытов Толмена и Стюарта, установили, что носители свободного заряда имеют отрицательный знак, а отношение носителя в его массе близко по значению удельного заряда электрона, получаемого в других опытах. Было выявлено, что электроны – это носители свободных зарядов.

Современные данные показывают, что модуль заряда электрона, то есть элементарный заряд, равняется e=1,60218·10-19 Кл, а обозначение его удельного заряда – em=1,75882·1011 Кл/кг.

При наличии отличной концентрации свободных электронов есть смысл говорить о хорошей электропроводимости металлов. Это выявили еще перед опытами Толмена и Стюарта. В 1900 году П. Друде, основываясь на гипотезе о существовании свободных электронов в металлах, создал электронную теорию проводимости металлов. Ее развил и расширил Х. Лоренц, после чего она получила название классическая электронная теория. На ее основании поняли, что электроны ведут себя как электронный газ, похожий на идеальный по своему состоянию. Рисунок 1.12.2 показывает, каким образом он может заполнить пространство между ионами, которые уже образовали кристаллическую решетку металла.

Рисунок 1.12.2. Газ свободных электронов в кристаллической решетке металла. Показана траектория одного из электронов.

Потенциальный барьер. Движение электронов в кристаллической решетке

Определение 2

После взаимодействия электронов с ионами первые покидают металл, преодолевая только потенциальный барьер.

Высота такого барьера получила название работы выхода.

Наличие комнатной температуры не позволяет электронам проходить этот барьер. Потенциальная энергия выхода электрона после взаимодействия с кристаллической решеткой намного меньше, чем при удалении электрона из проводника.

Определение 3

Расположение е в проводнике характеризуется наличием потенциальной ямы, глубина которой получила название потенциального барьера.

Ионы, образующие решетку, и электроны принимают участие в тепловом движении. Благодаря тепловым колебаниям ионов вблизи положений равновесий и хаотичному движению свободных электронов, при столкновении первых со вторыми происходит усиление термодинамического равновесия между электронами и решеткой.

Теорема 1

По теории Друде-Лоренца имеем, что электроны имеют такую же среднюю энергию теплового движения, как и молекулы одноатомного идеального газа. Это делает возможным оценивание средней скорости υт¯ теплового движения электронов, используя молекулярно-кинетическую теорию.

Комнатная температура дает значение, равное 105 м/с.

Если наложить внешнее электрическое поле в металлический проводник, тогда произойдет тепловое упорядоченное движения электронов (электрический ток), то есть дрейф. Определение средней его скорости υд¯ выполняется по интервалу имеющегося времени ∆t через поперечное сечение S проводника электронов, которые находятся в объеме Sυд∆t.

Количество таких е равняется nSυд∆t, где n принимает значение средней концентрации свободных электронов, равняющейся числу атомов в единице объема металлического проводника. За имеющееся количество времени ∆t через сечение проводника проходит заряд ∆q=enSυд∆t.

Тогда I=∆q∆t=enSυд или υд=IenS.

Концентрация n атомов в металлах находится в пределах 1028-1029м-3.

Формула дает возможность оценить среднюю скорость υд¯ упорядоченного движения электронов со значением в промежутке 0,6-6 мм/с для проводника с сечением 1 мм2 и проходящим током в 10 А.

Определение 4

Средняя скорость υд¯ упорядоченного движения электронов в металлических проводниках на много порядков меньше скорости υт их теплового движения υд≪υт.

Нужна помощь преподавателя?

Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!

Описать задание

Рисунок 1.12.3 демонстрирует характер движения свободного е, находящегося в кристаллической решетке.

Рисунок 1.12.3. Движение свободного электрона в кристаллической решетке: а – хаотическое движение электрона в кристаллической решетке металла; b – хаотическое движение с дрейфом, обусловленным электрическим полем. Масштабы дрейфа υд¯∆t сильно преувеличены.

Наличие малой скорости дрейфа не соответствует опыту, когда ток всей цепи постоянного тока устанавливается мгновенно. Замыкание производится при помощи воздействия электрического поля со скоростью c=3·108 м/с. По прошествии времени lc (l — длина цепи) вдоль цепи устанавливается стационарное распределение электрического поля. В ней происходит упорядоченное движение электронов.

Классическая электронная теория металлов предполагает, что их движение подчинено законам механики Ньютона. Данная теория характеризуется тем, что происходит пренебрежение взаимодействием электронов между собой, а взаимодействие с положительными ионами расценивается как соударения, при каждом из которых e сообщает накопленную энергию решетке. Поэтому принято считать, что после соударения движение электрона характеризуется нулевой дрейфовой скоростью.

Абсолютно все выше предложенные допущения приближенные. Это дает возможность объяснения законов электрического тока в металлических проводниках, основываясь на электронной классической теории.

Закон Ома

Определение 5

В промежутке между соударениями на электрон действует сила, равняющаяся по модулю eE, в результате чего получает ускорение emE.

Конец свободного пробега характеризуется дрейфовой скоростью электрона, которую определяют по формуле

υд=υдmax=eEmτ.

Время свободного пробега обозначается τ. Оно способствует упрощению расчетов для нахождения значения всех электронов. Средняя скорость дрейфа υд равняется половине максимального значения:

υд=12υдmax=12eEmτ.

Если имеется проводник с длиной l, сечением S с концентрацией электронов n, тогда запись нахождения тока в проводнике имеет вид:

I=enSυд=12e2τnSmE=e2τnS2mlU.

U=El – это напряжение на концах проводника. Формула выражает закон Ома для металлического проводника. Тогда электрическое сопротивление необходимо находить:

R=2me2nτlS.

Удельное сопротивление ρ и удельная проводимость ν выражаются как:

ρ=2me2nτ; ν=1ρ=e2nτ2m.

Закон Джоуля-Ленца

Конец пробега электронов под действием поля характеризуется кинетической энергией

12m(υд)max2=12e2τ2mE2.

Определение 6

Исходя из предположений, энергия при соударениях передается решетке, а в последствии переходит в тепло.

Время ∆t каждого электрона испытывается ∆tτ соударений. Проводник с сечение S и длиной l имеет nSl электронов. Тогда выделившееся тепло в проводнике за ∆t равняется

∆Q=nSl∆tτe2τ22mE2=ne2τ2mSlU2∆t=U2R∆t.

Данное соотношение выражает закон Джоуля-Ленца.

Благодаря классической теории, имеет место трактовка существования электрического сопротивления металлов, то есть законы Ома и Джоуля-Ленца. Классическая электронная теория не в состоянии ответить на все вопросы.

Она не способна объяснить разницу в значении молярной теплоемкости металлов и диэлектрических кристаллов, равняющейся 3R, где R записывается как универсальная газовая постоянная. Теплоемкость металла не зависит от количества свободных электронов.

Классическая электронная теория не объясняет температурную зависимость удельного сопротивления металлов. По теории ρ~T, а исходя из экспериментов – ρ~T. Примером расхождения теории с практикой служит сверхпроводимость.

Сопротивление металлического проводника

Исходя из классической теории, удельное сопротивление металлов должно постепенно уменьшаться при понижении температуры, причем остается конечным при любой T. Данная зависимость характерна для проведения опытов при высоких температурах. Если T достаточно низкая, тогда удельное сопротивление металлов теряет зависимость от температуры и достигает предельного значения.

Особый интерес представило явление сверхпроводимости. В 1911 году его открыл Х. Каммерлинг-Оннес.

Теорема 2

Если имеется определенная температура Tкр, различная для разных веществ, тогда удельное сопротивление уменьшается до нуля с помощью скачка, как изображено на рисунке 1.12.4.

Пример 1

Критической температурой для ртути считается значение 4,1 К, для алюминия – 1,2 К, для олова – 3,7 К. Наличие сверхпроводимости может быть не только у элементов, но и у химических соединений и сплавов. Ниобий с оловом Ni3Snимеют критическую точку температуры в 18 К. Существуют вещества, которые при низкой температуре переходят в сверхпроводящее состояние, тогда как в обычных условиях ими не являются. Серебро и медь являются проводниками, но при понижении температуры сверхпроводниками не становятся.

Рисунок 1.12.4. Зависимость удельного сопротивления ρ от абсолютной температуры T при низких температурах: a – нормальный металл; b – сверхпроводник.

Сверхпроводящее состояние говорит об исключительных свойствах вещества. Одним из важнейших является способность на протяжении длительного времени поддерживать электрический ток, возбужденный в сверхпроводящей цепи, без затухания.

Классическая электронная теория не может объяснить сверхпроводимость. Это стало возможным спустя 60 лет после его открытия, основываясь на квантово-механических представлениях.

Рост интереса к данному явлению увеличивался по мере появления новых материалов, способных обладать высокими критическими температурами. В 1986 было обнаружено сложное соединение с температурой Tкр=35 К. На следующий год сумели создать керамику с критической Т в 98 К, которая превышала Т жидкого азота (77 К).

Определение 7

Явление перехода веществ в сверхпроводящее состояние при Т, превышающих температуру кипения жидкого азота, называют высокотемпературной сверхпроводимостью.

Позже в 1988 году создали Tl-Ca-Ba-Cu-O соединение с критической Т, достигающей 125 К. На данный момент ученые заинтересованы в поиске новых веществ с наиболее высокими значениями Tкр. Они рассчитывают на получение сверхпроводящего вещества при комнатной температуре. Если это будет сделано, произойдет революция в науке и технике. До настоящего времени все свойства и механизмы состава сверхпроводимых керамических материалов до конца не исследованы.

Электрический ток в металлах — материалы для подготовки к ЕГЭ по Физике

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: носители свободных электрических зарядов в металлах.

В этом листке 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.

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 «гулять» по всему кристаллу (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 «общей собственностью» всего кристалла). В узлах кристаллической решётки металла остаются положительные ионы, пространство между которыми заполнено «газом» свободных электронов (рис. 1).

Рис. 1. Свободные электроны

Свободные электроны и впрямь ведут себя подобно частицам газа (другой адекватный образ — электронное море, которое «омывает» кристаллическую решётку) — 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 «клеем», 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 тоже самое время ионы металла притягиваются к обволакивающему 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 металле (поэтому свободные электроны называются также электронами проводимости). Скорость упорядоченного движения электронов в металлическом проводнике, как нам уже известно, составляет приблизительно 0,1мм/с.

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. 2). По этой цепи пропускался электрический ток в течение года.

Рис. 2. 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 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 2кг 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.

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).

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.

Рис. 3. Опыт Стюарта–Толмена

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 заряда одной частицы к её массе. Оно оказалось равно отношению 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 электромагнетизму (сравните, например, с датой открытия закона Ома — 1826 год. Дело, однако, заключается в том, что сам электрон был открыт лишь в 1897 году).

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 ионами (Представьте себе вращающуюся проходную дверь. В каком случае труднее проскочить через неё: когда она вращается медленно или быстро? :-)). Скорость упорядоченного движения электронов уменьшается, поэтому уменьшается и сила тока (при неизменном напряжении). Это и означает увеличение сопротивления.

Как опять-таки показывает опыт, зависимость сопротивления металлического проводника от температуры с хорошей точностью является линейной:

(1)

Здесь — сопротивление проводника при . График зависимости (1) является прямой линией (рис. 4).

Рис. 4.

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

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

и подставим эти формулы в (1). Получим аналогичную зависимость удельного сопротивления от температуры:

Коэффициент весьма мал (для меди, например, ), 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.

Рис. 5. Вольт-амперная характеристика лампочки

Так, на рис. 5 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 «пунктирной» линейной зависимостью тока от напряжения.

Электрическая ток в металлах представляет собой упорядоченное движение



§ 34. Электрический ток в металлах

Металлы в твёрдом состоянии, как известно, имеют кристаллическое строение. Частицы в кристаллах расположены в определённом порядке, образуя пространственную (кристаллическую) решётку.

В узлах кристаллической решётки металла расположены положительные ионы, а в пространстве между ними движутся свободные электроны. Свободные электроны не связаны с ядрами своих атомов (рис. 53).

Рис. 53. Кристаллическая решётка металла

Отрицательный заряд всех свободных электронов по абсолютному значению равен положительному заряду всех ионов решётки. Поэтому в обычных условиях металл электрически нейтрален. Свободные электроны в нём движутся беспорядочно. Но если в металле создать электрическое поле, то свободные электроны начнут двигаться направленно под действием электрических сил. Возникнет электрический ток. Беспорядочное движение электронов при этом сохраняется, подобно тому как сохраняется беспорядочное движение в стайке мошкары, когда под действием ветра она перемещается в одном направлении.

Итак, электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов.

Мандельштам Леонид Исаакович (1879—1944)
Российский физик, академик. Внёс существенный вклад в развитие радиофизики и радиотехники.

Папалекси Николай Дмитриевич (1880—1947)
Российский физик, академик. Занимался исследованиями в области радиотехники, радиофизики, радиоастрономии.

Доказательством того, что ток в металлах обусловлен электронами, явились опыты физиков нашей страны Леонида Исааковича Мандельштама и Николая Дмитриевича Папалекси, а также американских физиков Бальфура Стюарта и Роберта Толмена.

Скорость движения самих электронов в проводнике под действием электрического поля невелика — несколько миллиметров в секунду, а иногда и еще 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 давление (напор) воды очень быстро распространяется по всей водопроводной системе. Когда мы открываем кран, то вода уже находится под давлением и сразу начинает течь. Но из крана течёт та вода, которая была в нём, а вода из башни дойдёт до крана много позднее, так как 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 ток в металлах

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

Вопросы

1. Как объяснить, что в обычных условиях металл электрически нейтрален?
2. Что происходит с электронами металла при возникновении в нём электрического поля?
3. Что представляет собой электрический ток в металле?
4. Какую скорость имеют в виду, когда говорят о скорости распространения электрического тока в проводнике?

Задание

Используя Интернет, найдите, с какой скоростью движутся электроны в металлах. Сравните её со скоростью света.

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 E_ст 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.

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 T_кр, 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 T_кр = 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 T_кр. 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

РЕШИТЕ ТЕСТ

А1.Электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение …
1. электронов;
2. положительных ионов;
3. отрицательных ионов;
4. положительных и отрицательных ионов.

А2. Какое действие электрического тока используется в электрической лампе?
1. химическое;
2. тепловое;
3. магнитное;
4. все выше указанные действия электрического тока.

А3. Из каких частей состоит электрическая цепь, изображённая на рисунке?

1. батарея элементов, выключатель, звонок, провода;
2. батарея элементов, звонок, провода;
3. батарея элементов, лампа, провода;
4. батарея элементов, звонок, выключатель, амперметр, провода.

А4.В каких единицах измеряется сила тока?
1. вольтах;
2. амперах;
3. джоулях;
4. ваттах.
А5. К источнику тока с проводов присоединили металлический стержень. Какие поля
образуются вокруг стержня, когда в нём возникает ток?
1. только электрическое поле;
2. только магнитное поле;
3. и магнитное и электрическое поле;
4. гравитационное поле.

А6. Что представляют собой магнитные линии магнитного поля прямого тока?
1. замкнутые кривые, охватывающие проводник;
2. кривые, расположенные около проводника;
3. окружности;
4. эллипсы.
А7.Разноимённые магнитные полюсы …, а одноимённые — …
1. притягиваются… отталкиваются;
2. отталкиваются… притягиваются;
3. притягиваются… притягиваются;
4. отталкиваются …отталкиваются.
А8. Если ток в проводнике увеличить, то.
1. магнитное поле уменьшится;
2. появится магнитное поле;
3. магнитное поле изменит направление;
4. магнитное поле увеличится.

А9. Магнитное поле электромагнита можно усилить, если…
1. увеличить силу тока;
2. увеличить число витков катушки;
3. вставить железный сердечник;
4. использовать все выше указанные действия.
2 из 2

А10. Какими полюсами повёрнуты магниты?

1. одноимёнными;
2. разноимёнными;
3. положительными;
4. отрицательными.
А11.Определите полюс магнита.
1. А – северный, Б – южный;
2. А – южный, Б – северный;
3. А – северный, Б – северный;
4. А – южный, Б – южный.

А12. Изменение угла отклонения магнитной стрелки вблизи проводника …
1. говорит о существовании вокруг проводника электрического поля;
2. говорит о существовании вокруг проводника магнитного поля;
3. говорит об изменении в проводнике силы тока;
4. говорит об изменении в проводнике направления тока.
А13.Место на магните, где его поле является наиболее сильным,
1. является северным магнитным полюсом;
2. называется силовой линией магнитного поля;
3. называется полюсом магнита;
4.является южным магнитным полюсом.

А14.Магнитный полюс Земли, расположенный вблизи Северного полюса,
1. является северным магнитным полюсом;
2. называется силовой линией магнитного поля;
3. называется полюсом магнита;
4. является южным магнитным полюсом.

В заданиях В1–В2 требуется указать последовательность букв, соответствующих правильному ответу. Эту последовательность следует записать в бланк ответов без пробелов и других символов. (Буквы в ответе могут повторяться.) При выполнении задания В3 ответ (число) надо записатьсправа от номера соответствующего задания, начиная с первой клеточки, выразив его в указанных единицах. Единицы физических величин писать не нужно.

В1. На рисунке изображены условные обозначения, применяемые на схемах. Какой буквой обозначены…

1. лампа;2. резистор;
3 .амперметр; 4. ключ;
5. батарея элементов;
6. пересечение проводов.

В2. Установите соответствие между величинами и приборами, используемыми для их измерения..
1. Для измерения силы тока необходимо взять … а. амперметр и вольтметр
2.Для измерения электрического напряжения необходимо взять… б. вольтметр
3.Для измерения мощности тока необходимо использовать в. амперметр
4.Для измерения работы тока необходимо использовать г. вольтметр, амперметр . часы
д. спидометр

В3. Определите мощность в электрической цепи при силе тока 0,2 А и напряжении 220В.

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 не происходит переноса вещества, 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 принадлежат русским физикам Л. И. Мандельштаму и Н. Д. Папалекси (1913 г.). В 1916 году американский физик Р. Толмен и шотландский физик Б. Стюарт усовершенствовали методику и выполнили количественные измерения, доказав, что ток в металлических проводниках обусловлен движением электронов.

Хорошая электропроводность металлов объясняется высокой концентрацией свободных электронов.

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. Электронный газ заполняет пространство между ионами, образующими кристаллическую решетку металла.

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.

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.

Средняя скорость дрейфа:

Концентрация свободных электронов в металлах примерно равна концентрации атомов n

10 28 –10 29 м –3 , модуль заряда электрона e = 1,6 * 10 19 Кл. Для проводника с площадью поперечного сечения S = 1 мм 2 = 10 -6 м 2 при силе тока I = 1 A скорость упорядоченного движения электронов равна

За 1 с электроны в проводнике перемещаются за счет упорядоченного движения меньше чем на 0,1 мм.

Таким образом, средняя скорость

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

Малая скорость дрейфа 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 / с (l – длина цепи) вдоль цепи устанавливается стационарное распределение электрического поля и в ней начинается упорядоченное движение электронов.

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.

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.

Например, эта теория не может объяснить, почему молярная теплоемкость металлов, также как и молярная теплоемкость диэлектрических кристаллов, равна 3R, где R – универсальная газовая постоянная (закон Дюлонга и Пти). Наличие свободных электронов не сказывается на величине теплоемкости металлов.

Классическая электронная теория не может также объяснить температурную зависимость удельного сопротивления металлов. Теория дает

в то время как из эксперимента получается зависимость ρ

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. Наибольший интерес представляет явление сверхпроводимости, открытое датским физиком Х. Каммерлинг-Оннесом в 1911 году. При некоторой определенной температуре T_кр, различной для разных веществ, удельное сопротивление скачком уменьшается до нуля.

Критическая температура у ртути равна 4,1 К, у алюминия 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.

He -268.94°C, N(азот) -195,82°C, Н(водород) -252,77°C

Источник

Электрический ток в жидкостях, металлах, газах, вакууме. Электролиз, законы Фарадея, ионизация, термоэлектронная эмиссия. Курсы по физике

Тестирование онлайн

• Электрический ток в различных средах. Основные понятия

Электрический ток в жидкостях

Как известно, химически чистая (дистиллированная) вода является плохим проводником. Однако при растворении в воде различных веществ (кислот, щелочей, солей и др.) раствор становится проводником, из-за распада молекул вещества на ионы. Это явление называется электролитической диссоциацией, а сам раствор электролитом, способным проводить ток.

В отличие от металлов и газов прохождение тока через электролит сопровождается химическими реакциями на электродах, что приводит к выделению на них химических элементов, входящих в состав электролита.

Первый закон Фарадея: масса вещества, выделяющегося на каком-либо из электродов, прямо пропорциональна заряду, прошедшему через электролит

Электрохимический эквивалент вещества — табличная величина.

Второй закон Фарадея:

Протекание тока в жидкостях сопровождается выделением теплоты. При этом выполняется закон Джоуля-Ленца.

Электрический ток в металлах

При прохождении тока металлы нагреваются. В результате чего ионы кристаллической решетки начинают колебаться с большей амплитудой вблизи положений равновесия. В результате этого поток электронов чаще соударяется с кристаллической решеткой, а следовательно возрастает сопротивление их движению. При увеличении температуры растет сопротивление проводника.

Каждое вещество характеризуется собственным температурным коэффициентом сопротивления — табличная величина. Существуют специальные сплавы, сопротивление которых практически не изменяется при нагревании, например манганин и константан.

Явление сверхпроводимости. При температурах близких к абсолютному нулю (-273⁰C) удельное сопротивление проводника скачком падает до нуля. Сверхпроводимость — микроскопический квантовый эффект.

Применение электрического тока в металлах

Лампа накаливания производит свет за счет электрического тока, протекающего по нити накала. Материал нити накала имеет высокую температуру плавления (например, вольфрам), так как она разогревается до температуры 2500 – 3250К. Нить помещена в стеклянную колбу с инертным газом.

Электрический ток в газах

Газы в естественном состоянии не проводят электричества (являются диэлектриками), так как состоят из электрически нейтральных атомов и молекул. Проводником может стать ионизированный газ, содержащий электроны, положительные и отрицательные ионы.

Ионизация может возникать под действием высоких температур, различных излучений (ультрафиолетового, рентгеновского, радиоактивного), космических лучей, столкновения частиц между собой.

Ионизированное состояние газа получило название плазмы. В масштабах Вселенной плазма — наиболее распространенное агрегатное состояние вещества. Из нее состоят Солнце, звезды, верхние слои атмосферы.

Прохождение электрического тока через газ называется газовым разрядом.

В «рекламной» неоновой трубке протекает тлеющий разряд. Светящийся газ представляет собой «живую плазму».

Между электродами сварочного аппарата возникает дуговой разряд.

Дуговой разряд горит в ртутных лампах — очень ярких источниках света.

Искровой разряд наблюдаем в молниях. Здесь напряженность электрического поля достигает пробивного значения. Сила тока около 10 МА!

Для коронного разряда характерно свечение газа, образуя «корону», окружающую электрод. Коронный разряд — основной источник потерь энергии высоковольтных линий электропередачи.

Электрический ток в вакууме

А возможно ли распространение электрического тока в вакууме (от лат. vacuum — пустота)? Поскольку в вакууме нет свободных носителей зарядов, то он является идеальным диэлектриком. Появление ионов привело бы к исчезновению вакуума и получению ионизированного газа. Но вот появление свободных электронов обеспечит протекание тока через вакуум. Как получить в вакууме свободные электроны? С помощью явления термоэлектронной эмиссии — испускания веществом электронов при нагревании.

Вакуумный диод, триод, электронно-лучевая трубка (в старых телевизорах) — приборы, работа которых основана на явлении термоэлектронной эмиссии. Основной принцип действия: наличие тугоплавкого материала, через который протекает ток — катод, холодный электрод, собирающий термоэлектроны — анод.

Что представляет собой электрический ток в металле физика 8 класс кратко



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 E_ст 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.

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 T_кр, 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 T_кр = 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 T_кр. 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

Электрический ток в металлах — причины возникновения и примеры применения

Откуда берётся ток

Следует отметить, что электрический ток может образоваться не только в металлическом проводнике, но и в других веществах. Например, атмосферная энергия появляется в дождевых облаках, но использовать её не представляется возможным. Для получения электричества, применяемого в хозяйственных нуждах, катушки медных генераторных установок, подходят идеально.

Электрический ток в металлах создаётся упорядоченным движением электронов. Термин «Электричество» впервые был введён Уильямом Гилбертом в XVI веке, но естествоиспытатель ограничился только получением электрических разрядов статического электричества. Два столетия спустя, Майкл Фарадей уже создал действующую модель динамо-машины, появление на свет которой обязано именно эффекту образования электричества в металлах.

Учёный усовершенствовал ранее известный физический опыт, при котором ток в металлах создавался движением магнитного поля вокруг статичного металлического объекта. Первый генератор представлял собой конструкцию, состоящую из вращающего постоянного магнита и медной катушки. Такая машина позволяла получить относительно небольшое напряжение в проводнике. В то время доподлинно ещё не было известно какими частицами создаётся ток в металлах. Только в 1913 году учёным удалось доказать электронную природу этого явления.

Проведение опытов по определению причин возникновения напряжения в металлах были начаты русскими учёными Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси. Спустя 3 года физики Р. Толмен и Б. Стюарт значительно усовершенствовали методику, что позволило провести количественные измерения.

Для получения точных результатов учёным пришлось создавать специальные машины, благодаря применению которых и удалось определить причину возникновения тока. Если кратко изложить суть экспериментов, проведённых с целью доказать электронную природу появления тока, то получится конспект следующего содержания:

• Необходимо подготовить катушку, которая может вращаться вокруг своей оси.
• Поставить изделие на твёрдую поверхность, например, на пол.
• Выход проводников этой электрической машины подключить к гальванометру.
• Раскрутить катушку (скорость вращения должна быть значительной).
• Резко затормозить устройство.

В результате эксперимента возникает электрический импульс, который можно зарегистрировать измерительным прибором. Обусловить появление напряжения в цепи могло только наличие заряженных частиц, которые называются электронами. На эти элементы оказывает воздействие, как и на любое твёрдое тело, сила инерции, которая и заставляет их «выходить» из проводника после резкой остановки катушки.

Формула расчета

Точный расчёт удельного заряда (em) в металлах можно определить по следующей формуле:

Где:

• l — сила тока, мгновенно возникающая в проводнике при остановке катушки;
• u 0 — начальная линейная скорость витков проволоки;
• R — сопротивление цепи;
• q — заряд.

Проведение опытов Р. Толменом и Б. Стюартом позволили упорядочить ранее полученные сведения от других учёных. Несмотря на это, электрические проводники активно использовались в электрических изделиях с начала XIX века, доказательство электронной природы тока в металлах, позволило ускорить появление сложных устройств.

Применение этого явления

Сообщение о проведённых опытах быстро получило широкое распространение не только в научных кругах. Называть такое явление открытием века, конечно, было нельзя, но при расчёте схем приборов высокого класса точности, без учёта поведения электронов уже невозможно было обойтись.

Благодаря движению электронов в металлах удаётся зарядить аккумуляторы. Строительство линий электропередач также осуществляется с учётом движения электронов в металлах. В общем, практически любые электрические приборы работают на проводниках, в которых наличие этого явления обязательно.

Источник

Электрический ток в различных средах

Конспект по физике для 8 класса «Электрический ток в различных средах». Что представляет собой электрический ток в металлах, электролитах и газах.

Электрический ток в различных средах

Электрический ток может проходить через различные вещества: металлы, растворы и расплавы некоторых веществ и при определённых условиях через газы. Для возникновения электрического тока в какой-либо среде необходимо, чтобы в ней имелись заряженные частицы, которые будут перемещаться под действием электрического поля. Этими частицами могут быть как электроны, так и ионы.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В МЕТАЛЛАХ

Металлы в твёрдом состоянии имеют кристаллическое строение. Частицы в металлах располагаются в определённом порядке, образуя кристаллическую решётку. В узлах кристаллической решётки металла расположены положительные ионы, а в пространстве между ними хаотично движутся свободные электроны.

Если в металле создать электрическое поле, то свободные электроны начнут двигаться упорядоченно в направлении действия электрических сил. Возникнет электрический ток. Итак, электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов.

Доказательство того, что ток в металлах создают именно свободные электроны, было получено в опытах, поставленных в 1913 г. российскими физиками Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси и в 1916 г. английскими физиками Р. Толменом и Т. Стюартом.

В основе этих опытов лежит предположение о том, что если металлический проводник привести в движение и резко затормозить, то свободные электроны должны по инерции продолжать движение относительно ионной решётки, подобно тому как отклоняются вперёд пассажиры при резком торможении автобуса. Следовательно, в проводнике должен возникнуть кратковременный электрический ток.

Для проведения подобного опыта на катушку наматывают проволоку, концы которой припаивают к двум металлическим дискам. Диски соединяют с чувствительным прибором, называемым гальванометром, который позволяет судить о наличии тока. Катушку приводят в быстрое вращение, а затем резко останавливают. Стрелка гальванометра при торможении катушки отклоняется, что говорит о возникновении кратковременного тока. По направлению отклонения стрелки и устанавливается, что ток создаётся движением именно отрицательно заряженных частиц.

В медной проволоке на каждый атом меди приходится в среднем один свободный электрон. В куске проволоки массой m = 64 г находится примерно 6 • 10 23 свободных электронов.

Неправильно думать, что электроны в электрическом поле движутся прямолинейно. Траектория их движения является сложной из-за взаимодействия с другими частицами. Движение электронов в этом случае напоминает дрейф льдин во время ледохода, когда они, двигаясь беспорядочно и сталкиваясь друг с другом, дрейфуют по течению реки.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ЭЛЕКТРОЛИТАХ

Растворы солей, кислот и щелочей также могут проводить электрический ток. Такие растворы называют растворами электролитов.

В сосуд с дистиллированной водой опустим два угольных электрода (стержня) и соединим их с источником тока, лампочкой и ключом. Между электродами возникает электрическое поле, но лампочка не горит. Это означает, что дистиллированная вода не проводит электрический ток. Но если растворить в воде какую-либо соль, например поваренную, то лампочка загорится. Это означает, что в растворе поваренной соли присутствуют свободные заряды, которые создают электрический ток. Что это за частицы?

При растворении в воде солей, кислот и щелочей нейтральные молекулы этих веществ распадаются на положительные и отрицательные ионы. Это явление называется электролитической диссоциацией.

Например, молекулы поваренной соли распадаются на положительный ион натрия и отрицательный ион хлора. Пока электрическое поле отсутствует, ионы совершают беспорядочное тепловое движение. Но в электрическом поле ионы, подобно электронам в металлах, начинают двигаться. Положительные ионы натрия в электрическом поле будут двигаться к электроду, соединённому с отрицательным полюсом источника тока. Такой электрод называют катодом. А отрицательные ионы хлора будут двигаться к электроду, соединённому с положительным полюсом источника тока. Такой электрод называют анодом.

Электрический ток в растворах (или расплавах) электролитов представляет собой перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях.

При протекании электрического тока через растворы или расплавы электролитов на электродах выделяется чистое вещество. Этот процесс называют электролизом. Электролиз широко используется в современной электрометаллургии — получении металлов путём электролиза. Например, весь алюминий в настоящее время получают электролитически. Хорошим примером также является электролитическое очищение (рафинирование) меди.

Посредством электролиза можно покрыть металлические предметы слоем другого металла. Этот процесс называется гальваностегией.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ГАЗАХ

Укрепим две металлические пластины параллельно друг другу. Соединим одну со стержнем, а другую с корпусом электроскопа. Сообщим им разноимённые заряды.

Опыт показывает, что электроскоп не разряжается. Это означает, что воздух между пластинами не проводит электрический ток.

В обычных условиях газы являются хорошими изоляторами, так как они состоят из нейтральных атомов или молекул. В них нет свободных электрических зарядов, которые могут создавать электрический ток.

Если внести в пространство между пластинами пламя спички или спиртовки, то электроскоп быстро разрядится.

Этот опыт показывает, что под действием пламени газ может стать проводником электрического тока, потому что часть нейтральных атомов и молекул газа превращается в ионы. Электроны могут отрываться от атомов также под действием света.

Вы смотрели Конспект по физике для 8 класса «Электрический ток в различных средах».

Источник

Электрический ток в металлах

Электрическим током в металлах называют упорядоченное движение электронов под действием электрического поля.

Исходя из опытов, видно, что металлический проводник вещество не переносит, то есть ионы металла не участвуют в передвижении электрического заряда.

Носители тока в металлах

При исследованиях были получены доказательства электронной природы тока в металлах. Еще в 1913 году Л.И. Мандельштам и Н.Д. Папалекси выдали первые качественные результаты. А в 1916 году Р. Толмен и Б. Стюарт модернизировали имеющуюся методику и выполнили количественные измерения, которые доказывали, что движение электронов происходит под действием тока в металлических проводниках.

Рисунок 1 . 12 . 1 показывает схему Толмена и Стюарта. Катушка, состоящая из большого количества витков тонкой проволоки, приводилась в действие при помощи вращения вокруг своей оси. Ее концы были прикреплены к баллистическому гальванометру Г. Производилось резкое торможение катушки, что было следствием возникновения кратковременного тока, обусловленного инерцией носителя заряда. Измерение полного заряда производилось при помощи движения стрелок гальванометра.

Рисунок 1 . 12 . 1 . Схема опыта Толмена и Стюарта.

Во время торможения вращающейся катушки сила F = — m d υ d t , называемая тормозящей, действовала на каждый носитель заряда е . F играла роль сторонней силы, иначе говоря, неэлектрического происхождения. Именно эта сила, характеризующаяся единицей заряда, является напряженностью поля сторонних сил E с т :

E с т = — m e d υ d t .

То есть при торможении катушки происходит возникновение электродвижущей силы δ , равной δ = E с т l = m e d υ d t l , где l – длина проволоки катушки. Определенный промежуток времени процесса торможения катушки обусловлен протеканием по цепи заряда q :

q = ∫ I d t = 1 R ∫ δ d t = m e l υ 0 R .

Данная формула объясняет, что l – это мгновенное значение силы тока в катушке, R – полное сопротивление цепи, υ 0 – начальная линейная скорость проволоки. Видно, что определение удельного заряда e m в металлах производится, исходя из формулы:

Величины, находящиеся с правой стороны, можно измерить. Основываясь на результатах опытов Толмена и Стюарта, установили, что носители свободного заряда имеют отрицательный знак, а отношение носителя в его массе близко по значению удельного заряда электрона, получаемого в других опытах. Было выявлено, что электроны – это носители свободных зарядов.

Современные данные показывают, что модуль заряда электрона, то есть элементарный заряд, равняется e = 1 , 60218 · 10 — 19 К л , а обозначение его удельного заряда – e m = 1 , 75882 · 10 11 К л / к г .

При наличии отличной концентрации свободных электронов есть смысл говорить о хорошей электропроводимости металлов. Это выявили еще перед опытами Толмена и Стюарта. В 1900 году П. Друде, основываясь на гипотезе о существовании свободных электронов в металлах, создал электронную теорию проводимости металлов. Ее развил и расширил Х. Лоренц, после чего она получила название классическая электронная теория. На ее основании поняли, что электроны ведут себя как электронный газ, похожий на идеальный по своему состоянию. Рисунок 1 . 12 . 2 показывает, каким образом он может заполнить пространство между ионами, которые уже образовали кристаллическую решетку металла.

Рисунок 1 . 12 . 2 . Газ свободных электронов в кристаллической решетке металла. Показана траектория одного из электронов.

Потенциальный барьер. Движение электронов в кристаллической решетке

После взаимодействия электронов с ионами первые покидают металл, преодолевая только потенциальный барьер.

Высота такого барьера получила название работы выхода.

Наличие комнатной температуры не позволяет электронам проходить этот барьер. Потенциальная энергия выхода электрона после взаимодействия с кристаллической решеткой намного меньше, чем при удалении электрона из проводника.

Расположение е в проводнике характеризуется наличием потенциальной ямы, глубина которой получила название потенциального барьера.

Ионы, образующие решетку, и электроны принимают участие в тепловом движении. Благодаря тепловым колебаниям ионов вблизи положений равновесий и хаотичному движению свободных электронов, при столкновении первых со вторыми происходит усиление термодинамического равновесия между электронами и решеткой.

По теории Друде-Лоренца имеем, что электроны имеют такую же среднюю энергию теплового движения, как и молекулы одноатомного идеального газа. Это делает возможным оценивание средней скорости υ т ¯ теплового движения электронов, используя молекулярно-кинетическую теорию.

Комнатная температура дает значение, равное 10 5 м / с .

Если наложить внешнее электрическое поле в металлический проводник, тогда произойдет тепловое упорядоченное движения электронов (электрический ток), то есть дрейф. Определение средней его скорости υ д ¯ выполняется по интервалу имеющегося времени ∆ t через поперечное сечение S проводника электронов, которые находятся в объеме S υ д ∆ t .

Количество таких е равняется n S υ д ∆ t , где n принимает значение средней концентрации свободных электронов, равняющейся числу атомов в единице объема металлического проводника. За имеющееся количество времени ∆ t через сечение проводника проходит заряд ∆ q = e n S υ д ∆ t .

Тогда I = ∆ q ∆ t = e n S υ д или υ д = I e n S .

Концентрация n атомов в металлах находится в пределах 10 28 — 10 29 м — 3 .

Формула дает возможность оценить среднюю скорость υ д ¯ упорядоченного движения электронов со значением в промежутке 0 , 6 — 6 м м / с для проводника с сечением 1 м м 2 и проходящим током в 10 А .

Средняя скорость υ д ¯ упорядоченного движения электронов в металлических проводниках на много порядков меньше скорости υ т их теплового движения υ д ≪ υ т .

Рисунок 1 . 12 . 3 демонстрирует характер движения свободного е , находящегося в кристаллической решетке.

Рисунок 1 . 12 . 3 . Движение свободного электрона в кристаллической решетке: а – хаотическое движение электрона в кристаллической решетке металла; b – хаотическое движение с дрейфом, обусловленным электрическим полем. Масштабы дрейфа υ д ¯ ∆ t сильно преувеличены.

Наличие малой скорости дрейфа не соответствует опыту, когда ток всей цепи постоянного тока устанавливается мгновенно. Замыкание производится при помощи воздействия электрического поля со скоростью c = 3 · 10 8 м / с . По прошествии времени l c ( l — длина цепи) вдоль цепи устанавливается стационарное распределение электрического поля. В ней происходит упорядоченное движение электронов.

Классическая электронная теория металлов предполагает, что их движение подчинено законам механики Ньютона. Данная теория характеризуется тем, что происходит пренебрежение взаимодействием электронов между собой, а взаимодействие с положительными ионами расценивается как соударения, при каждом из которых e сообщает накопленную энергию решетке. Поэтому принято считать, что после соударения движение электрона характеризуется нулевой дрейфовой скоростью.

Абсолютно все выше предложенные допущения приближенные. Это дает возможность объяснения законов электрического тока в металлических проводниках, основываясь на электронной классической теории.

Закон Ома

В промежутке между соударениями на электрон действует сила, равняющаяся по модулю e E , в результате чего получает ускорение e m E .

Конец свободного пробега характеризуется дрейфовой скоростью электрона, которую определяют по формуле

υ д = υ д m a x = e E m τ .

Время свободного пробега обозначается τ . Оно способствует упрощению расчетов для нахождения значения всех электронов. Средняя скорость дрейфа υ д равняется половине максимального значения:

υ д = 1 2 υ д m a x = 1 2 e E m τ .

Если имеется проводник с длиной l , сечением S с концентрацией электронов n , тогда запись нахождения тока в проводнике имеет вид:

I = e n S υ д = 1 2 e 2 τ n S m E = e 2 τ n S 2 m l U .

U = E l – это напряжение на концах проводника. Формула выражает закон Ома для металлического проводника. Тогда электрическое сопротивление необходимо находить:

R = 2 m e 2 n τ l S .

Удельное сопротивление ρ и удельная проводимость ν выражаются как:

ρ = 2 m e 2 n τ ; ν = 1 ρ = e 2 n τ 2 m .

Закон Джоуля-Ленца

Конец пробега электронов под действием поля характеризуется кинетической энергией

1 2 m ( υ д ) m a x 2 = 1 2 e 2 τ 2 m E 2 .

Исходя из предположений, энергия при соударениях передается решетке, а в последствии переходит в тепло.

Время ∆ t каждого электрона испытывается ∆ t τ соударений. Проводник с сечение S и длиной l имеет n S l электронов. Тогда выделившееся тепло в проводнике за ∆ t равняется

∆ Q = n S l ∆ t τ e 2 τ 2 2 m E 2 = n e 2 τ 2 m S l U 2 ∆ t = U 2 R ∆ t .

Данное соотношение выражает закон Джоуля-Ленца.

Благодаря классической теории, имеет место трактовка существования электрического сопротивления металлов, то есть законы Ома и Джоуля-Ленца. Классическая электронная теория не в состоянии ответить на все вопросы.

Она не способна объяснить разницу в значении молярной теплоемкости металлов и диэлектрических кристаллов, равняющейся 3 R , где R записывается как универсальная газовая постоянная. Теплоемкость металла не зависит от количества свободных электронов.

Классическая электронная теория не объясняет температурную зависимость удельного сопротивления металлов. По теории ρ

T , а исходя из экспериментов – ρ

T . Примером расхождения теории с практикой служит сверхпроводимость.

Сопротивление металлического проводника

Исходя из классической теории, удельное сопротивление металлов должно постепенно уменьшаться при понижении температуры, причем остается конечным при любой T . Данная зависимость характерна для проведения опытов при высоких температурах. Если T достаточно низкая, тогда удельное сопротивление металлов теряет зависимость от температуры и достигает предельного значения.

Особый интерес представило явление сверхпроводимости. В 1911 году его открыл Х. Каммерлинг-Оннес.

Если имеется определенная температура T к р , различная для разных веществ, тогда удельное сопротивление уменьшается до нуля с помощью скачка, как изображено на рисунке 1 . 12 . 4 .

Критической температурой для ртути считается значение 4 , 1 К , для алюминия – 1 , 2 К , для олова – 3 , 7 К . Наличие сверхпроводимости может быть не только у элементов, но и у химических соединений и сплавов. Ниобий с оловом Ni 3 Sn имеют критическую точку температуры в 18 К . Существуют вещества, которые при низкой температуре переходят в сверхпроводящее состояние, тогда как в обычных условиях ими не являются. Серебро и медь являются проводниками, но при понижении температуры сверхпроводниками не становятся.

Рисунок 1 . 12 . 4 . Зависимость удельного сопротивления ρ от абсолютной температуры T при низких температурах: a – нормальный металл; b – сверхпроводник.

Сверхпроводящее состояние говорит об исключительных свойствах вещества. Одним из важнейших является способность на протяжении длительного времени поддерживать электрический ток, возбужденный в сверхпроводящей цепи, без затухания.

Классическая электронная теория не может объяснить сверхпроводимость. Это стало возможным спустя 60 лет после его открытия, основываясь на квантово-механических представлениях.

Рост интереса к данному явлению увеличивался по мере появления новых материалов, способных обладать высокими критическими температурами. В 1986 было обнаружено сложное соединение с температурой T к р = 35 К . На следующий год сумели создать керамику с критической Т в 98 К , которая превышала Т жидкого азота ( 77 К ) .

Явление перехода веществ в сверхпроводящее состояние при Т , превышающих температуру кипения жидкого азота, называют высокотемпературной сверхпроводимостью.

Позже в 1988 году создали Tl — Ca — Ba — Cu — O соединение с критической Т , достигающей 125 К . На данный момент ученые заинтересованы в поиске новых веществ с наиболее высокими значениями T к р . Они рассчитывают на получение сверхпроводящего вещества при комнатной температуре. Если это будет сделано, произойдет революция в науке и технике. До настоящего времени все свойства и механизмы состава сверхпроводимых керамических материалов до конца не исследованы.

Источник

8 класс. Урок Электрический ток в металлах. Направление электрического тока. | План-конспект урока по физике (8 класс):

8 класс

Электрический ток в металлах. Направление электрического тока.

Цель урока: Продолжить изучение природы электрического тока в металлах.

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, прививать любовь к художественной литературе, формирование умения концентрировать внимание, вести диалог, аргументировано отстаивать свое мнение.

Оборудование и материалы: Источник тока, эл. лампа, звонок, провода, ключ

ТСО: компьютерная презентация, мультимедийный проектор.

 

План урока.

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

Ход урока.

1. Актуализация опорных знаний.

Здравствуйте ребята наш урок, я хочу начать с  такого четверостишья:

Как наша прожила б планета,

Как люди жили бы на ней

Без теплоты, магнита, света

И электрических  лучей.

Ребята, знания науки всегда, помогает человеку в жизни, а незнания приводит подчас к трагическим последствиям. Сделайте из этих слов для себя правильные выводы.

В моем четверостишье упоминается о электрических лучах. Как вы думаете, что это такое? (электрический ток)

Слайд 2

Вопросы:

1. Что называется электрическим током?

Эталон ответа. Упорядоченное направленное движение частиц.

2. Что необходимо, чтобы в цепи существовал электрический ток?

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

Слайд 3

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)

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?

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)

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.

Слайд 4

3. Где надо расположить источник тока, чтобы при замыкании ключа К1 зазвенел звонок, а при замыкании ключа К2 загорелась лампа? (Рис. 3)

Эталон ответа. Источник тока необходимо располагать параллельно ветвям, содержащим звонок и лампу.

Приглашается ученик, который дал правильный ответ и, изобразив подсоединение источника тока на схеме, подключает его в цепь. Затем, замыкая поочередно ключ К1 и К2, демонстрирует правильный ответ. Учитель дает задание ученикам вовремя подготовки ответа зарисовать полную схему подключения приборов в тетрадях. (Рис. 4)

Учитель. Хочу вам напомнить, что при работе с электрическими цепями необходимо соблюдать правила по технике безопасности. Недопустимо касаться оголенных проводников, неисправных участков цепи и полюсов источника.

Слайд 5

Задача: С какой целью на стыках рельсов электрифицированных железных дорог делают толстые медные перемычки или сваривают рельсы?

Ответ. Рельсы проводят электрический ток и, следовательно, чтобы цепь не была разомкнута, делают медные перемычки или сваривают рельсы.

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

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

Учитель. 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?

Эталон ответа. Заземление выполняют из металла.

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

Слайд 6

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.

Металлическими называют решётки, в узлах которых находятся атомы и ионы металла. Для металлов характерны физические свойства: пластичность, ковкость, металлический блеск, высокая электро- и теплопроводность.

Слайд 7

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. Мы знаем, что в металле есть свободные электроны, но есть и заряженные ионы кристаллической решетки. А если и они переносят ток?

Слайд 8

Для проверки этого предположения В 1899 г. К. Рикке, создатель теории проводимости металлов, поставил такой опыт: на трамвайной подстанции в Штутгарте  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. Итак, электрический ток в металлических проводниках создается упорядоченным движением  свободных электронов. 

Слайд 9

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.

 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.

Слайд 10, 11

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.

Говоря об упорядоченном движении электронов, нельзя не сказать о скорости их движения. Опыт: Обратимся к цепи, собранной по предложенной схеме (открывается часть доски с нарисованной схемой на рис.5):

Рис. 5

Замыкаем ключ и лампочка загорается практически сразу. Вот это скорость!

Предполагаете ли вы, что свободный электрон “добежал” от отрицательного полюса источника до лампочки за столь короткий отрезок времени?

Эталон ответа. Необходимо различать понятия: скорость распространения электрического поля и скорость движения конкретных электронов. Скорость распространения электрического поля такая же, как и света в вакууме 300 000 км/с. При создании электрического поля в электрической цепи, одновременно с ним все электроны начинают двигаться в одном направлении по всей длине проводника. И такая скорость упорядоченного движения электронов в металлах примерно равна 1 – 3 мм /с.

            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  0,03с.

Слайд 12 (один щелчок мыши)

3. 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 заглянем « в себя». Как мы воспринимаем окружающий мир? Как художники или как мыслители?

1. Встаньте, поднимите руки вверх, 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.

4. Изучение нового материала.

А теперь можно переходить к познанию внешнего мира.  Закончили этап — электрический ток в металлах. Переходим к следующему блоку «Направление электрического тока»

Но как быть с выбором направления электрического тока? Наиболее распространенные проводники, которые используются в электрических цепях, это металлы. Электрический ток в металлах, а это упорядоченное движение свободных электронов, следовательно, за направление электрического тока целесообразно принять движение отрицательно заряженных частицы. Однако… Продолжение начатой фразы вы найдете в § 36 учебника. Прочитайте 4 и 5 абзацы. (После прочтения текста учениками). Обратимся к рис. 8 и сделаем вывод: за направление электрического тока принято упорядоченное движение положительно заряженных частиц, т. е. направление движения от положительного полюса источника тока к отрицательному.

 Слайд 12

Итак, существуют два направления электрического тока

1. Истинное направление. Это направление от минуса источника до его плюса. В этом направлении идут электроны, поэтому направление называется истинным.

 2.Техническое направление

Техническое направление противоположно истинному. Это направление от плюса источника до его минуса.

Техническое направление возникло исторически. Когда люди не знали природы тока, то установили, чтобы все показывали одинаково от плюса к минусу. Когда узнали что ток это поток электронов, движущийся от минуса к плюсу, то решили это направление оставить и назвать его техническим и пользоваться им в технике.

Возникает вопрос, когда и каким направлением пользоваться.

Когда речь идет о природе тока, то нужно пользоваться истинным направлением. В остальных случаях пользуются техническим направлением.

Не будет ли недоразумений.

Не будет, так как в технике имеет значение электрическая цепь, а не направление тока в ней.

5. Закрепление изученного материала. Слайд 13

Китайский  философ Конфуций как – то сказал, словно для нас с вами

«Хорошо обладать природным дарованием, но упражнения, друзья, дают нам больше, чем природное дарование».

Русская пословица гласит: « Учиться всегда пригодится».

? 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.)

Слайды 14 – 16

6. Задание на дом.

Слайд 17

 §§ 34, 36

7. Итоги урока.

Протекание тока в металле

Протекание тока в металле

Протекание электрического тока
Для протекания электрического тока требуются три основных условия.
Устройство, используемое для выработки электрического тока, например элемент, батарея или вилка, действующее как источник.
Провод из металла, такого как медь, серебро или алюминий, который позволяет электрическому току легко проходить через него.
Непрерывная петля (провода), идущая от одной клеммы источника через различные устройства обратно к другой клемме источника.

Меры предосторожности: Никогда не соединяйте две клеммы ячейки проводом без подключенного в цепь прибора. Это вызовет перегрев провода, а также разрушит ячейку.

Создание простой электрической цепи
Когда мы соединяем клеммы карандашного элемента (название, данное ячейке из-за его формы) с лампочкой с помощью двух проводов, лампочка загорается. Это происходит потому, что мы обеспечиваем путь для прохождения тока. Путь, по которому протекает электрический ток, называется электрической цепью.
На рисунке (а) один провод от ячейки карандаша подключен к лампе резака, а другой провод — нет. Электрическая схема здесь не завершена. На рисунке (b) оба провода от ячейки подключены к лампе горелки. Электрическая цепь на этом замкнута. Электрический ток протекает только в том случае, если существует непрерывный путь или замкнутая цепь, начинающаяся от одной клеммы источника через лампу горелки к другой клемме источника. Таким образом, лампочка светится на рисунке (b), но не светится на рисунке (a).Схема на рисунке (а) неполная. Следовательно, ток не может течь по цепи, и лампочка не светится. Такая цепь называется разомкнутой. Схема на рисунке (b) завершена. В цепи протекает электрический ток, в результате чего лампочка загорается. Такой контур называется замкнутым контуром.

Электрический ток течет в определенном направлении. В электрической цепи электрический ток течет от положительного вывода к отрицательному выводу электрического элемента.На рисунке 14.7 показано направление протекания электрического тока в цепи.

Направление электрического тока в цепи

Мероприятие
Цель: Сделать простую цепь (требуется наблюдение взрослых)
Необходимые материалы: Электрический провод длиной около 1 м (из местного магазина электротехники), карандашная ячейка, малая лампочка для фонарика (из местного магазина электротоваров), лезвие, ножницы и липкая лента / изоляционная лента (из местного магазина электротехники)
Метод:
1.Отрежьте ножницами два куска проволоки примерно по 8 дюймов каждый.
2. Зачистите концы проволоки лезвием так, чтобы обнажился металл.
3. Вы увидите знаки ’+’ и на двух концах карандашной ячейки. Это положительный и отрицательный полюсы ячейки. Используйте липкую ленту и прикрепите один конец провода к отрицательному выводу ячейки карандаша.
4. Присоедините другой конец того же провода к боковой стороне лампы. Используйте небольшой кусок липкой ленты, чтобы хорошо его приклеить. Убедитесь, что нижняя часть лампы оставлена ​​открытой, а провод не касается ее.(Вы также можете взять патрон и подсоединить провод к двум винтам, как показано на рисунке.)

5. Возьмите второй провод и прикрепите один конец его к положительной клемме ячейки.
6. Коснитесь другим концом этого провода нижнего конца лампочки и посмотрите, что произойдет.
Наблюдение: Если коснуться нижнего конца лампочки проводом, она загорится.
Примечание. Не используйте какой-либо другой источник, кроме карандашной ячейки, для каких-либо занятий, описанных в этой книге.Использование электрического выхода в розетках дома или в школе может быть чрезвычайно опасным.

Протекание электрического тока в металле
Металлы демонстрируют совершенно другой вид связи, называемый металлической связью. В соответствии с этой связью внешние электроны не связаны с каким-либо конкретным атомом и свободно перемещаются внутри металла случайным образом, как показано на рис. Итак, эти электроны — свободные электроны. Эти свободные электроны свободно перемещаются во всех направлениях. Разные электроны движутся в разных направлениях и с разной скоростью.Таким образом, нет чистого движения электронов в каком-либо конкретном направлении. В результате отсутствует чистый ток в каком-либо конкретном направлении.
Рис. Поток электронов внутри металлического провода, когда к его концам не приложен потенциал
Рис. Поток электронов внутри металлического провода, когда два конца провода подключены к двум клеммам батареи

Электропроводка
Мы получаем электричество в наших домах через кабели и провода.Электрический кабель состоит из нескольких металлических проводов с пластиковым покрытием или без него. Металлические провода проводят или передают электричество, а пластиковое покрытие — нет. Материалы, проводящие электричество, называются проводниками. Материалы, не проводящие электричество, называются изоляторами. Например, металлы — проводники электричества; дерево, воздух и пластик — изоляторы.

Электрический кабель

Какая скорость электричества?

Категория: Физика Опубликовано: 19 февраля 2014 г.

Электромагнитная энергия и информация перемещаются по проводу со скоростью, близкой к скорости света.Настоящие электроны движутся намного медленнее. Public Domain Image, источник: Кристофер С. Бэрд.

Скорость электричества действительно зависит от того, что вы подразумеваете под словом «электричество». Это слово очень общее и в основном означает «все, что связано с электрическим зарядом». Я предполагаю, что мы имеем в виду ток электрического заряда, проходящий через металлический провод, например, через шнур питания лампы. В случае электрических токов, проходящих по металлическим проводам, присутствуют три различных скорости, каждая из которых имеет физическое значение:

1. Скорость отдельного электрона
2. Скорость дрейфа электронов
3. Скорость сигнала

Чтобы понять каждую из этих скоростей и почему все они разные, но при этом имеют физический смысл, нам необходимо понять основы электрических токов.Электрические токи в металлических проводах образуются движущимися свободными электронами. В контексте типичных электрических токов в металлических проводах свободные электроны можно представить себе как маленькие шарики, подпрыгивающие в сетке неподвижных тяжелых атомов, составляющих металлический провод. Электроны на самом деле являются квантовыми объектами, но для этого объяснения нет необходимости в более точной квантовой картине. (Когда вы добавляете квантовые эффекты, скорость отдельного электрона становится «скоростью Ферми».) Несвободные электроны или валентные электроны слишком тесно связаны с атомами, чтобы вносить вклад в электрический ток, и поэтому на этом рисунке их можно не учитывать. .Каждый свободный электрон в металлической проволоке постоянно летит по прямой линии под собственным импульсом, сталкивается с атомом, меняет направление из-за столкновения и продолжает движение по прямой линии до следующего столкновения. Если оставить металлическую проволоку самой себе, свободные электроны внутри постоянно летают и случайным образом сталкиваются с атомами. Макроскопически мы называем случайное движение мелких частиц «теплом». Фактическая скорость отдельного электрона — это количество нанометров в секунду, которое электрон перемещает по прямой между столкновениями.Проволока, предоставленная сама себе, не несет электрического сигнала, поэтому скорость отдельных электронов для беспорядочно движущихся электронов — это просто описание тепла в проводе, а не электрического тока.

Теперь, если вы подключите провод к батарее, вы приложите к проводу внешнее электрическое поле. Электрическое поле направлено в одном направлении по длине провода. Свободные электроны в проводе ощущают силу этого электрического поля и ускоряются в направлении поля (фактически, в противоположном направлении, потому что электроны заряжены отрицательно).Электроны продолжают сталкиваться с атомами, что по-прежнему заставляет их отскакивать в разные стороны. Но помимо этого случайного теплового движения у них теперь есть чистое упорядоченное движение в направлении, противоположном электрическому полю. Электрический ток в проводе состоит из упорядоченной части движения электронов, в то время как случайная часть движения по-прежнему составляет тепло в проводе. Таким образом, приложенное электрическое поле (например, при подключении батареи) заставляет электрический ток течь по проводу.Средняя скорость, с которой электроны движутся по проводу, — это то, что мы называем «дрейфовой скоростью».

Даже при том, что электроны в среднем дрейфуют по проводу со скоростью дрейфа, это не означает, что эффект движения электронов движется с этой скоростью. Электроны на самом деле не являются твердыми шарами. Они не взаимодействуют друг с другом, буквально ударяясь друг о друга по поверхности. Скорее электроны взаимодействуют через электромагнитное поле. Чем ближе два электрона подходят друг к другу, тем сильнее они отталкиваются друг от друга своими электромагнитными полями.Интересно то, что когда электрон движется, его поле движется вместе с ним, так что электрон может подтолкнуть другой электрон дальше по проводу через свое поле задолго до того, как физически достигнет того же места в пространстве, что и этот электрон. В результате электромагнитные эффекты могут распространяться по металлическому проводу намного быстрее, чем любой отдельный электрон. Эти «эффекты» представляют собой колебания электромагнитного поля, когда оно соединяется с электронами и распространяется по проводу. Поскольку энергия и информация переносятся колебаниями электромагнитного поля, энергия и информация также перемещаются по электрическому проводу намного быстрее, чем любой отдельный электрон.

Скорость, с которой электромагнитные эффекты распространяются по проводу, называется «скоростью сигнала», «скоростью волны» или «групповой скоростью». Обратите внимание, что в некоторых книгах говорится, что скорость сигнала описывает чисто электромагнитный волновой эффект. Эта инсинуация может ввести в заблуждение. Если бы сигнал, распространяющийся по электрическому кабелю, был изолированной электромагнитной волной, тогда сигнал распространялся бы со скоростью света в вакууме c. Но это не так. Скорее, сигнал, проходящий по электрическому кабелю, включает взаимодействие как флуктуаций электромагнитного поля (волны), так и электронов.По этой причине скорость сигнала намного выше скорости дрейфа электронов, но меньше скорости света в вакууме. Как правило, скорость сигнала несколько близка к скорости света в вакууме. Обратите внимание, что обсуждаемая здесь «скорость сигнала» описывает физическую скорость распространения электромагнитных эффектов по проводу. Напротив, инженеры часто используют фразу «скорость сигнала» ненаучно, когда на самом деле имеют в виду «скорость передачи в битах». Хотя скорость цифрового сигнала, проходящего через сеть, действительно зависит от физической скорости сигнала в проводах, она также зависит от того, насколько хорошо компьютеры в сети могут маршрутизировать сигналы через сеть.

Рассмотрим эту аналогию. Длинная очередь людей ждет входа в ресторан. Каждый нервно ерзает на своем месте в очереди. Человек в конце очереди теряет терпение и толкает человека перед собой. В свою очередь, когда каждый человек в очереди получает толчок от человека позади него, он толкает человека перед собой. Таким образом, толчок будет передаваться от человека к человеку вперед по линии. Толкание достигнет дверей ресторана задолго до того, как последний человек в очереди лично доберется до дверей.В этой аналогии люди представляют электроны, их руки представляют электромагнитное поле, а толчок представляет собой колебание или волну в электромагнитном поле. Скорость, с которой каждый человек ерзает, представляет собой скорость отдельного электрона , скорость, с которой каждый человек индивидуально движется по линии, представляет скорость дрейфа электрона , а скорость, с которой толчок проходит через линию, представляет скорость сигнала .Основываясь на этой простой аналогии, мы можем ожидать, что скорость сигнала будет очень высокой, индивидуальная скорость будет несколько высокой, а скорость дрейфа будет низкой. (Обратите внимание, что в физике есть еще одна важная скорость в этом контексте, называемая «фазовой скоростью». Фазовая скорость — это больше математический инструмент, чем физическая реальность, поэтому я не думаю, что здесь стоит обсуждать).

Скорость отдельного электрона в металлической проволоке обычно составляет миллионы километров в час.Напротив, скорость дрейфа обычно составляет всего несколько метров в час, в то время как скорость сигнала составляет от ста миллионов до триллиона километров в час. В общем, скорость сигнала в некоторой степени близка к скорости света в вакууме, скорость отдельного электрона примерно в 100 раз меньше скорости сигнала, а скорость дрейфа электронов медленная, как улитка.

Темы: скорость дрейфа, электричество, электромагнетизм, электрон, групповая скорость, скорость, волна, волны

Проводников и изоляторов

Проводников и изоляторов

Проводники и изоляторы

Холли Хан

16 ноября 2000 г.

Краткое описание урока: это будет практический эксперимент, в котором учащиеся узнают о проводниках и изоляторах путем тестирования различных материалов, чтобы определить, проводят ли они электричество.

Уровень оценки и стандарт содержания обучения: 4 класс

· Учащиеся исследуют силы, перемещающие объекты (например, электричество) (стр. 30, № 19).

· Студенты объяснят разницу между проводниками и непроводниками (стр. 50, № 31).

Дополнительная информация для учителя:

В 1752 году знаменитый эксперимент Бенджамина Франклина с воздушным змеем позволил ему обнаружить, что молния — это электричество.В начале 1800-х годов Майкл Фарадей дополнил эти знания, обнаружив взаимосвязь между электричеством и магнетизмом. Джозеф Генри вскоре раскрыл природу электромагнитной индукции, которая положила начало множеству изобретений, таких как электрическая лампочка Томаса Эдисона. Сегодня мы продолжаем пополнять список изобретений, зависящих от электричества.

Электричество течет по пути, который называется цепью. Для создания схемы вам понадобится аккумулятор, провод и лампочка. Электричество должно проходить от одного конца батареи по проводам (включая провода в лампочке) и обратно к другому концу батареи, чтобы создать полную цепь.Как и многие другие явления в природе, электричество невидимо, но мы можем видеть и измерять результаты течения. Фактический поток электричества через цепь называется электрическим током и измеряется в амперах. По соглашению ученые говорят об электрическом токе в цепи, как если бы он течет от положительного конца батареи по проводам и обратно к отрицательному концу батареи. Это соглашение возникло из-за теории Бенджамина Франклина, согласно которой электрический ток переносится положительными зарядами.Теория Франклина с тех пор была опровергнута, и теперь мы знаем, что положительные или отрицательные заряды могут перемещаться через электрический ток. Однако в металлах движутся отрицательно заряженные электроны.

Батарея или источник энергии дает электричеству «проталкивание» через цепь. Этот «толчок» или напряжение можно рассматривать как электрическое давление, которое измеряется в вольтах. Обычные одноклеточные батареи (AAA-, AA-, C- и D-элементы), с которыми будут работать ученики, различаются по размеру и величине тока, которую они вырабатывают.Однако все они вырабатывают примерно 1,5 вольта.

Все лампочки по сути одинаковые. Единственное существенное отличие бытовой лампочки от миниатюрной — это длина нити накала (та часть, которая загорается). Нить накаливания бытовой лампочки длиннее и, следовательно, способна давать более яркий свет. (Большая лампочка также требует большего напряжения для зажигания.) Независимо от размера нити, провод с одной стороны нити проходит через стекло и соединяется с металлическим основанием лампы с резьбой.Проволока с другой стороны нити накала проходит через стекло и соединяется с металлическим наконечником в нижней части основания. Металлический наконечник отделен от металлического основания с резьбой керамическим изолятором.

Проводники и изоляторы также являются важными компонентами электрических цепей. Проводники (обычно металлы) — это материалы, которые позволяют электричеству проходить через них. Если добавить в цепь, электричество будет продолжать течь, и лампочка будет гореть. С другой стороны, изоляторы — это материалы, через которые электричество не проходит.Если добавить в цепь, изоляторы остановят ток электричества, в результате чего лампочка не загорится. Классификация материалов как проводников и изоляторов может стать более сложной. Например, есть материалы, называемые полупроводниками, которые иногда действуют как проводники, а иногда как изоляторы.

Существует два типа цепей: последовательные и параллельные. В последовательной цепи у электричества есть только один путь, чтобы пройти от одной точки цепи через провода, батареи и лампочки и обратно к исходной точке.Когда батареи расположены последовательно, напряжение на лампочке увеличивается, в результате чего лампочка светится ярче, чем когда использовалась только одна батарея. К сожалению, при таком расположении батареи разрядятся быстрее. В параллельной цепи электричество проходит более чем по одному пути по цепи. При параллельном расположении батарей яркость лампочки будет такой же, как и у одной батареи, но в этой цепи лампочка будет гореть дольше.

Лампочки также можно подключать последовательно или параллельно.Когда две одинаковые лампочки соединены последовательно с одной батареей, они горят с одинаковой яркостью, но не так ярко, как одна лампочка. С другой стороны, когда две лампочки соединены параллельно с одной батареей, каждая лампочка горит так же ярко, как и одна лампочка — одна батарея. Одним из атрибутов параллельной схемы является то, что при отвинчивании одной лампочки другая лампочка не гаснет, потому что электричество проходит через каждую лампочку независимыми путями.

Концепций, рассматриваемых на уроке:

· «Скрепка позволяет лампочке загореться.»(стр. 50, № 30)

· «Если вы вставите пластик в цепь, лампочка не загорится». (стр.50, # 30)

· «Материал из металла завершит цепь». (стр.50, # 30)

Материалы и оборудование:

На каждого студента

· диаграмма данных, на которой студенты могут записывать как прогнозы, так и результаты

На каждых двух студентов

· тестер цепей

· 1 упаковка, в которую входят следующие предметы:

-1 футболка для гольфа

-1 деревянный карандаш (без ластика)

-1 скрепка

-1 кусок алюминиевого экрана

-1 кусок пластикового экрана

-1 мел

-1 латунная застежка для бумаги

-1 штука очиститель труб

-1 кусок соломки

-1 мрамор

-1 кусок медной проволоки

-1 латунный винт

-1 гвоздь

-1 кусок алюминиевой проволоки

Процедура:

1. В дополнение к таблице данных (которая выдается каждому учащемуся), коробка, содержащая тестер цепей и материалы для тестирования, будет роздана каждым двум учащимся до начала урока.
2. Студентам будет предложено снять и проверить ранее сконструированные ими тестеры цепей. Затем я скажу студентам, что они будут тестировать различные элементы, чтобы увидеть, могут ли они быть частью полной схемы. (Если лампочка горит, это означает, что электричество могло пройти через скрепку и, следовательно, может быть частью полной цепи.)
3. Затем учащихся попросят сделать прогнозы относительно того, загорится ли лампочка при проверке различных объектов.Их попросят показать мне свои записанные прогнозы, прежде чем им будет разрешено начать эксперимент.
4. Как только все ученики закончат тестирование заданий, их попросят собраться в передней части комнаты, чтобы обсудить свои наблюдения. Я буду записывать результаты учеников на доске. Затем мы поговорим о проводниках и изоляторах .
5. Я буду оценивать понимание учащимися, задавая вопросы по мере необходимости и предлагая детям использовать творческую драму для объяснения эксперимента.

Оценка:

1. Во время коллоквиума я попрошу нескольких студентов продемонстрировать эксперимент

с помощью творческой драмы. (Один ученик будет действовать как батарея, один будет действовать как электрическая лампочка, третий будет действовать как проводник или изолятор, а последний будет действовать как поток электричества. Вместе они создадут цепь, в которой поток электричество может продолжаться, если присутствует проводник, но должно останавливаться при наличии изолятора.)

2. Завершение проекта: учащиеся напишут небольшой рассказ, который описывает / объясняет события эксперимента. [Рассказ будет написан с точки зрения электронов (потока электричества), поскольку он объясняет, что происходит, когда он сталкивается с изолятором.]

Полезные ресурсы в Интернете:

http://ericir.syr.edu/Virtual/Lessons/Science/Physical/

Создание электрической цепи

· Этот урок представляет собой углубленное изучение электрических цепей посредством различных экспериментов.

Навыки научного процесса:

· Студенты будут использовать методы, необходимые для научных исследований (стр. 46, № 1).

-Демонстрация критического мышления

— Запись наблюдений

-Прогнозирование возможных результатов

· Студенты проявят навыки, необходимые для ответственного научного исследования (стр. 46, № 2).

-Любопытство

-Творчество

-Терпение

-Внимание к деталям

· Студенты будут эффективно передавать научное содержание (стр.46, № 3).

· Учащиеся будут создавать мысленные, вербальные или физические представления идей, объектов и событий (стр. 46, № 4).

· Учащиеся узнают влияние факторов, которыми управляют и которыми управляют, на исход событий (стр. 46, № 5).

· Студенты продемонстрируют правильное использование инструментов и процедур при изучении новой информации (стр. 46, № 6).

Критика проводников и изоляторов

Я искренне верю, что Conductors and Insulators был одним из самых успешных уроков, которые я преподал во время стажировки.Это был практический урок, на котором студенты узнали о проводниках и изоляторах, протестировав различные материалы, чтобы определить, проводят ли они электричество. Запланированный в соответствии с методом исследования-коллоквиума, я начал урок с того, что сказал студентам, что они будут тестировать предметы в своей упаковке, чтобы увидеть, может ли каждый предмет быть частью полной схемы. Я быстро напомнил детям, что лампочка загорится, если цепь замкнута. На этом я позволил студентам начать.

Сделав свои прогнозы, каждая пара учеников начала проверять четырнадцать заданий. Расхаживая по комнате, я наблюдал за встревоженными студентами, которые либо подтверждали, либо опровергали свои прогнозы. Их энтузиазм был очевиден в их широко раскрытых глазах и улыбающихся лицах. Я был явно взволнован их энтузиазмом, но также был впечатлен их наблюдениями. Я над головой нескольких студентов, рассказывающих о том, как они выяснили, что предметы из металла всегда заставляют свет загораться, а другие — нет.Когда ученики закончили тестирование упакованных предметов, они начали проверять материалы на своем столе. Я был взволнован, наблюдая, как дети исследуют свои волосы, кожу, мелки, маркеры, ластики, папки, спиральные блокноты, книги и планшеты. Они были очарованы своими исследованиями, и было очевидно, что они гордятся своими открытиями и готовы делиться ими. Перед тем, как позвать студентов в зал для участия в коллоквиуме, я наблюдал, как один ребенок открывает свою папку. Понимая, что только металлы могут замкнуть цепь, он прикоснулся двумя свободными проводами к металлическому кольцу, восклицая: «Я знал это!»

Во время коллоквиума, который длился дольше, чем я ожидал, некоторые студенты потеряли интерес к занятию и начали разговаривать друг с другом.Это вызвало небольшой сбой, и я был вынужден прекратить обсуждение, чтобы я мог поговорить с разговорчивыми студентами сзади. Теперь я понимаю, что такого срыва можно было бы избежать, если бы я не позвал студентов в переднюю часть комнаты на коллоквиум. Скорее, я должен был позволить им оставаться за своими столами. Если бы дети остались за своими партами, мне было бы легче смотреть в глаза каждому ребенку, тем самым делая их более осторожными в своих действиях. Кроме того, расположение сидений не позволило бы хорошим друзьям и / или нарушителям спокойствия сидеть рядом друг с другом.К счастью, мне удалось разделить трех мальчиков, и обсуждение продолжилось без перебоев.

В конце коллоквиума я выбрала трех добровольцев для участия в творческой драме. Используя пряжу для обозначения проволоки и два куска плотной бумаги, чтобы сделать большую батарею и лампочку, я нанесла на пол перед уроком тестер цепей. Я назначил каждому ребенку роль, убедился, что каждая из них находится в нужном месте, а затем сказал актерам начать.К сожалению, все они просто стояли. Мне пришлось побудить Кейси, которая представляла поток электронов, начать свой путь по цепи. Когда она добралась до Тревора, дирижера, она остановилась, хотя должна была продолжить. Спросив ее, могут ли электроны проходить через проводники, она начала ходить по цепи. Она продолжала путешествовать по цепи, но Рианнон, лампочка, забыла «загореться». Я остановил драму и сказал Рианнон, что лампочка должна загореться, когда до нее дойдут электроны.Не задумываясь, я быстро вскинул руки вверх, показывая, что светится. Рианнон сделала то же самое, и драма продолжилась.

Если честно, драма пошла не так хорошо, как я надеялся, но это определенно не было катастрофой. Однако, оглядываясь назад на эту часть урока, я могу придумать несколько способов улучшить творческую драму. Вместо того, чтобы просто давать каждому ребенку роль, чтобы он играл, рассказывая каждому, где ему встать, а затем ожидать, что они знают, что делать, я должен был дать учащимся больше информации.Для начала я должен был спросить класс, что нам понадобится, если мы построим полную схему. Когда упоминалась каждая часть, я затем выбирал актера, с которым кратко обсуждал его или ее работу в рамках полного цикла. Я чувствую, что это лучше подготовило бы студентов, что привело бы к более точной драме.

В заключение, я считаю, что это был очень успешный урок. Хотя каждая часть разворачивалась не так, как я планировал, я все же считаю, что это был успех.В конце концов, ученики узнали об изоляторах и проводниках, и они при этом развлекались. Однако наиболее важным является тот факт, что дети смогли построить свое собственных понимания проводников и изоляторов, исследуя и делая свои собственные открытия .

Почему металлы проводят электричество? — Материаловедение и инженерия

Вы когда-нибудь задумывались, почему металлы проводят электричество? Возможно, вы задавались вопросом, почему металлы (и вода) являются одними из единственных проводников электричества, с которыми вы сталкиваетесь в повседневной жизни?

В этом посте я объясню, почему металлы являются такими хорошими электрическими проводниками, а также объясню, как неметаллы, такие как вода и стекло, также могут стать проводниками.

Металлы проводят электричество, потому что у них есть «свободные электроны». В отличие от большинства других форм материи, металлическая связь уникальна, потому что электроны не связаны с конкретным атомом. Это позволяет делокализованным электронам течь в ответ на разность потенциалов.

Металлическое соединение

Честно говоря, я никогда полностью не понимал металлическое соединение до аспирантуры (я вообще понимаю это сейчас ??)

В старших классах и в старших классах каждый раз, когда я видел вопрос о металлических связях, всегда отвечал «потому что в металлических связях есть море электронов.Итак, краткий ответ — «металлы проводят электричество, потому что у них есть море делокализованных электронов, которые могут свободно уйти, как только почувствуют напряжение».

Что это значит? И почему у металлов есть это «море электронов», а у других материалов нет?

Из-за квантовых взаимодействий все атомы металлов имеют общий внешний электрон. Вместо электронов, вращающихся вокруг определенного атома, электроны перемещаются по всей группе атомов металла. Это похоже на суперковалентную связь — вместо того, чтобы разделять электроны между двумя атомами, они распределяются между всеми атомами.

«Модель электронного моря» — лучший способ описать это явление. Как вы, наверное, уже узнали, атомы металла выровнены по повторяющейся схеме (кристаллическая структура), а пространство между этими атомами и вокруг них заполнено электронами, которые могут свободно перемещаться.

Подобно тому, как ионы металлов отдают электроны другому атому при ионной связи, ионы металла отдают те же самые электроны электронному морю при металлической связи. Na ⁺ означает, что кусок натрия будет иметь 1 электрон в электронном море на один атом Na.Al ³⁺ означает, что металлический алюминий будет иметь 3 свободных электрона на атом алюминия. Если вам интересно, это видео иллюстрирует модель электронного моря и многое другое.

Металлические связи держатся вместе благодаря электростатическим силам: каждый атом заряжен положительно, а отрицательно заряженное «море» действует как клей, который связывает атомы вместе.

Это соединение является причиной того, что у металлов так много общих свойств, например,

• ковкость
• пластичность
• высокая температура плавления (особенно для переходных металлов)
• прочность
• блеск
• теплопроводность
• и электрическая проводимость

По сути, металлическое соединение — это уникальный тип соединения, возникающий благодаря квантовой механике. -механические эффекты, заставляющие металлы действовать как металлы.

Существует много сложной математики, которую вы можете использовать, чтобы доказать, почему металлы делокализовали электроны, но в определенный момент я просто должен сказать:

Возможно, более интуитивный способ понять металлическое соединение — это взглянуть на диаграммы полос .

Ширина полосы

Диаграммы

могут помочь нам понять проводники, полупроводники и изоляторы. Есть много особенностей зонной диаграммы, которые важны для полупроводников, но для этой статьи вам нужно знать только ширину запрещенной зоны .

Зонная диаграмма показывает возможные энергетические состояния электрона. Для отдельного элемента и электрона существуют некоторые очень определенные уровни энергии, на которых может существовать электрон. Если энергия активирована, он может прыгать между этими состояниями, а если энергии достаточно, электрон может даже полностью покинуть атом. .

Поскольку у вас есть кусок металла с ужасающе большим количеством атомов и электронов, эти разрешенные энергетические состояния для каждого атома в основном сливаются в «полосу» постоянно разрешенных состояний.Это называется валентной полосой .

За валентной зоной находится зона проводимости . Зона проводимости — это совокупность энергетических состояний, в которых электроны имеют достаточно энергии, чтобы покинуть атом, с которым они связаны.

Ширина запрещенной зоны — это расстояние между этими валентными зонами и зонами проводимости. Разница между металлами, изоляторами и полупроводниками заключается в размере запрещенной зоны.

Металлы не имеют запрещенной зоны .Другими словами, зона проводимости и валентная зона перекрываются, поэтому атом не связан с каким-либо конкретным атомом. Если у него достаточно энергии, чтобы уйти, он просто уходит.

Полупроводники имеют малую ширину запрещенной зоны .
Это означает, что если у электронов недостаточно энергии для полного перехода через запрещенную зону, полупроводник вообще не проводит. Если энергии достаточно для прохождения этого барьера, материал проводит. Полупроводники очень полезны, потому что они могут действовать как переключатели, пропускающие 0% или 100% тока.

Изоляторы имеют большую ширину запрещенной зоны .
Различие между диэлектриком и полупроводником немного расплывчато — это не похоже на то, что ученые имеют простое значение, и если ширина запрещенной зоны больше этого значения, это изолятор. Эти термины практичны — все, что считается изолятором, имеет запрещенную зону, которая слишком велика, чтобы ее можно было пересечь в реалистичном сценарии. Попытка пропустить слишком большой ток через многие изоляторы приведет к разрушению материала до того, как электроны наберут достаточно энергии, чтобы перепрыгнуть через запрещенную зону.

Тип материала	Материал	Зазор (эВ)
Полупроводник	Si Ge GaN 3,4 Ge GaN 3,4 1,43
Изолятор	алмаз PE (полиэтилен) SiO 2	5,47 8,8 8,9

Электрические свойства металлов

Основное электрическое свойство — электропроводность .

Проводимость — это показатель силы электрического тока, который может переносить материал. Его также можно назвать «удельной проводимостью», и он является обратной величиной удельного сопротивления.

Электропроводность определяется следующим уравнением.

n — это плотность носителей, другими словами, сколько электронов существует на площадь поперечного сечения.

q — электрический заряд каждого носителя — для электронов это -1.

— это подвижность, то есть скорость, с которой электрон может перемещаться через материал.

Это уравнение было обобщено для любой ситуации, связанной с электропроводностью (включая ионную), но в большинстве случаев носителями заряда являются просто электроны.

Таким образом, проводимость — это в основном то, сколько электронов может протиснуться через провод за заданный промежуток времени.

Обычно, если инженеры могут изменить проводимость чего-либо, они меняют подвижность электронов. Например, границы зерен могут рассеивать электроны, уменьшая скорость их прохождения по проволоке.Осадки и легирующие элементы снижают проводимость по той же причине.

Некоторые примеры металлов с высокой и низкой проводимостью приведены в таблице ниже.

Лучшие 5 металлов с наивысшим значением Электропроводность	Электропроводность σ x 10 6 при 20 ° C (См / м)
Ag )	63,0
Медь (Co)	59.6
Золото (Au)	41,1
Алюминий (Al)	37,7
Кальций (Ca)	29,8

9458

Электропроводность Электропроводность σ x 10 6 при 20 ° C (См / м) Марганец (Mn) 0.69 Ртуть (Hg) 1,02 Титан (Ti) 2,38 Свинец (Pb) 4,55 Niob50 Электропроводность металлов в зависимости от температуры Противоположностью проводимости является удельное сопротивление (или сопротивление). Удельное сопротивление — это внутренняя версия сопротивления. С повышением температуры у металлов увеличивается удельное сопротивление (или уменьшается проводимость). Повышение температуры вызывает линейное уменьшение проводимости металлов из-за фононно-электронных взаимодействий. Поскольку температура является мерой того, насколько быстро атомы вибрируют (мы можем назвать эту вибрацию «фононной»), повышенная вибрация может взаимодействовать с проходящими через нее электронами. Это препятствует движению электронов и снижает подвижность электронов. К полупроводникам применима совсем другая логика! Как и в металлах, при повышении температуры снижается.Но в полупроводниках более высокая тепловая энергия означает, что больше электронов может перейти из валентной зоны в зону проводимости. Таким образом, в то время как mu немного уменьшается, n сильно увеличивается! Фактически, подвижность настолько важна для сопротивления, что при абсолютном нуле, когда колебания решетки прекращаются и электроны могут беспрепятственно проходить через металл, металлы могут стать сверхпроводниками. Способы изменения электропроводности металла Есть много способов, которыми инженеры могут изменить электропроводность металлов, от изменения окружающей среды металла до модификации границ зерен. Форма Форма — это, вероятно, то, чему вы научились в средней школе в отношении проводимости. На самом деле это не меняет собственное сопротивление материалов, но влияет на внешнее сопротивление. Поскольку сопротивление — это количество электронов, которые проходят через площадь поперечного сечения, вы можете рассчитать сопротивление, умножив удельное сопротивление на длину провода и разделив на площадь поперечного сечения провода. Специалисты по материалам имеют дело не столько с сопротивлением, сколько с удельным сопротивлением, но это важная взаимосвязь, которую необходимо знать.Тем более, что повышенное сопротивление может изменять температуру, которая может влиять на удельное сопротивление Температура Мы говорили о температуре немного раньше, но вот еще один график, показывающий, как температура влияет на удельное сопротивление металлов. В таблице ниже приведены значения коэффициентов удельного сопротивления для различных металлов. 9 » 9050 вибрация заставляет электроны больше взаимодействовать с атомами, проводимость уменьшается с понижением температуры.А в идеальном кристалле при абсолютном нуле колебания атомов прекращаются, и металлы становятся сверхпроводящими. Примесные атомы По той же причине, что и температура, увеличение примесных атомов снижает проводимость, поскольку снижает подвижность электронов. При легировании элементов в твердом растворе элемент основного металла образует решетчатую структуру. Большинство атомов в решетке однотипны, но в сплавах есть дополнительные элементы, которые могут заменить основной элемент (это называется твердым раствором замещения). Поскольку размеры этих других элементов отличаются от размера основного элемента, они деформируют решетку, уменьшая проводимость. Даже небольшие легирующие добавки могут иметь большое влияние на проводимость. Например, добавление 0,2 мас.% Алюминия к меди может снизить проводимость меди на 20%. Вот быстрый график, показывающий, как изменяется удельное сопротивление при добавлении примесных элементов к меди. Даже если дополнительные элементы не образуют твердый раствор, альтернатива (выпадение в осадок) также снизит проводимость, хотя соотношение зависит от точного осадка.Во многих случаях осадки уменьшают проводимость на меньше , чем атомы твердого раствора, поэтому один из быстрых методов определения осаждения в металлах — это проверка их проводимости. Границы зерна Четвертый способ, которым инженеры могут контролировать проводимость, — это изменение границ зерен. Границы зерен — это участки металла, в которых встречаются две кристаллические структуры с разной ориентацией. Как и следовало ожидать от других точек, границы зерен имеют деформацию решетки, которая взаимодействует с электронами, уменьшая их подвижность.Меньшее количество границ зерен означает увеличение сопротивления. Почему вода проводит электричество? (Ионная проводимость) В отличие от металлов, которые проводят электричество посредством «свободных электронов», вода проводит электричество, перемещая заряженные ионы. Ион — это атом с чистым положительным или отрицательным зарядом. Например, если вы взяли поваренную соль (NaCl) и растворили ее в воде, соль распалась бы на Na + и Cl — . Na в основном крадет электрон у Cl. В обычном состоянии эти ионы беспорядочно разбросаны по воде. Однако, когда вода испытывает изменение потенциала, свободно плавающие ионы могут двигаться. Поскольку положительные ионы притягиваются к отрицательному заряду, а отрицательные ионы отталкиваются отрицательным зарядом, если вы погрузите один конец провода под напряжением в ванну с солью, электроны в проводе оттолкнут ионы Cl — и притянут Na + ионов. Чистый поток заряженных атомов — это то, что заставляет электричество проходить через атомы.Сами электроны на самом деле не движутся. (Технически на самом деле происходят половинные реакции: 2e — + H 2 O -> 2OH — + H 2 и 2Cl — -> Cl 2 + 2e — , что означает, что в конечном итоге вода израсходует все ионы и перестанет проводить). И да, это значит, что чистая вода — плохой проводник. Морская вода примерно в миллион раз более проводящая, чем чистая вода, и в сто раз более проводящая, чем питьевая вода. Однако, поскольку обычная питьевая вода обычно содержит ионы, растворенные в ней (из металлов или минералов), питьевая вода по-прежнему примерно в 10 000 раз более проводящая, чем чистая вода. Последние мысли Вы узнали о том, что металлы представляют собой массив положительно заряженных атомов, скрепленных «электронным клеем», общим для всех атомов. Это море электронов возникает из-за квантово-механических эффектов, которые не дают металлам запрещенной зоны. Фактически, «отсутствие запрещенной зоны», вероятно, лучший способ определения металлов. Использование уравнения проводимости вы видели, что это море электронов придает металлам очень большое значение n, потому что там много свободных электронов. Вы также узнали, как инженеры могут влиять на проводимость металла, изменяя подвижность электронов. Наконец, вы узнали, почему вода «проводит» электричество, даже если это не металл! Надеюсь, этот пост ответил на все ваши вопросы об электропроводности металлов! Ссылки и дополнительная литература Если вас интересуют металлы, вам также может понравиться мой полный пост, в котором объясняются сплавы. Эта страница была нашим источником графика зависимости удельного сопротивления от температуры. Если вас интересуют материалы с высокой проводимостью, бескислородная медь очень чистая и хорошо проводит. Вы можете прочитать о некоторых применениях меди OFE здесь. Эта страница была нашим источником для зависимости удельного сопротивления от среднего размера зерна. 9.2 Модель проводимости в металлах — University Physics Volume 2 Учебные цели К концу этого раздела вы сможете: Определите скорость дрейфа зарядов, движущихся через металл Определите вектор плотности тока Опишите работу лампы накаливания Когда электроны движутся по проводящему проводу, они не движутся с постоянной скоростью, то есть электроны не движутся по прямой с постоянной скоростью.Скорее они взаимодействуют и сталкиваются с атомами и другими свободными электронами в проводнике. Таким образом, электроны движутся зигзагообразно и дрейфуют по проволоке. Следует также отметить, что, хотя направление тока удобно обсуждать, ток является скалярной величиной. Обсуждая скорость зарядов в токе, более уместно обсудить плотность тока. Мы вернемся к этой идее в конце этого раздела. Скорость дрейфа Электрические сигналы передаются очень быстро.Телефонные разговоры по проводам проходят на большие расстояния без заметных задержек. Свет включается, как только переключатель света переводится в положение «включено». Большинство электрических сигналов, переносимых токами, передаются со скоростью порядка 108 м / с · 108 м / с, что составляет значительную часть скорости света. Интересно, что отдельные заряды, составляющие ток, в среднем движутся намного медленнее, обычно дрейфуя со скоростью порядка 10-4 м / с · 10-4 м / с. Как согласовать эти две скорости и что это говорит нам о стандартных проводниках? Высокая скорость электрических сигналов является результатом того факта, что сила между зарядами быстро действует на расстоянии.Таким образом, когда свободный заряд вдавливается в провод, как на рисунке 9.7, входящий заряд толкает другие заряды впереди себя из-за силы отталкивания между одинаковыми зарядами. Эти движущиеся заряды толкают заряды дальше по линии. Плотность заряда в системе не может быть легко увеличена, поэтому сигнал передается быстро. Возникающая в результате электрическая ударная волна движется по системе почти со скоростью света. Если быть точным, этот быстро движущийся сигнал или ударная волна представляет собой быстро распространяющееся изменение электрического поля. Фигура 9,7 Когда заряженные частицы вдавливаются в этот объем проводника, такое же количество быстро вынуждено покинуть его. Отталкивание между одноименными зарядами затрудняет увеличение количества зарядов в объеме. Таким образом, как только один заряд входит, другой почти сразу уходит, быстро передавая сигнал вперед. Хорошие проводники имеют большое количество бесплатных зарядов. В металлах свободными зарядами являются свободные электроны. (Фактически, хорошие электрические проводники также часто являются хорошими проводниками тепла, потому что большое количество свободных электронов может переносить тепловую энергию, а также электрический ток.На рисунке 9.8 показано, как свободные электроны движутся по обычному проводнику. Расстояние, на которое может перемещаться отдельный электрон между столкновениями с атомами или другими электронами, довольно мало. Таким образом, пути электронов кажутся почти случайными, как движение атомов в газе. Но в проводнике есть электрическое поле, которое заставляет электроны дрейфовать в указанном направлении (противоположном полю, поскольку они отрицательны). Скорость дрейфа v → dv → d — это средняя скорость свободных зарядов. Скорость дрейфа довольно мала, так как свободных зарядов очень много.Если у нас есть оценка плотности свободных электронов в проводнике, мы можем вычислить скорость дрейфа для данного тока. Чем больше плотность, тем ниже скорость, необходимая для данного тока. Фигура 9,8 Свободные электроны, движущиеся в проводнике, совершают множество столкновений с другими электронами и другими частицами. Показан типичный путь одного электрона. Средняя скорость свободных зарядов называется дрейфовой скоростью v → dv → d, а для электронов она направлена ​​в направлении, противоположном электрическому полю.Столкновения обычно передают энергию проводнику, требуя постоянного подвода энергии для поддержания постоянного тока. Столкновения свободных электронов передают энергию атомам проводника. Электрическое поле действительно перемещает электроны на расстояние, но эта работа не увеличивает кинетическую энергию (или скорость) электронов. Работа передается атомам проводника, часто повышая температуру. Таким образом, для поддержания протекания тока требуется постоянная подача энергии.(Исключением являются сверхпроводники по причинам, которые мы рассмотрим в более поздней главе. Сверхпроводники могут иметь постоянный ток без постоянной подачи энергии — большая экономия энергии.) Для проводника, который не является сверхпроводником, подача энергии может быть полезен, как в нити накаливания лампы накаливания (рис. 9.9). Подача энергии необходима для повышения температуры вольфрамовой нити, чтобы нить светилась. Фигура 9.9 Лампа накаливания отличается простой конструкцией.Вольфрамовая нить накала помещена в частично вакуумированную стеклянную колбу. Один конец нити накала прикреплен к основанию винта, которое выполнено из проводящего материала. Второй конец нити накала прикреплен ко второму контакту в основании лампы. Два контакта разделены изоляционным материалом. Ток течет через нить накала, и температура нити становится достаточно большой, чтобы нить накала светилась и излучала свет. Однако эти лампы не очень энергоэффективны, что видно по теплу, исходящему от лампы.В 2012 году Соединенные Штаты, наряду со многими другими странами, начали постепенно отказываться от ламп накаливания в пользу более энергоэффективных ламп, таких как светодиодные (LED) лампы и компактные люминесцентные лампы (CFL) (кредитное право : модификация работы Сержа Сен). Мы можем получить выражение для связи между током и скоростью дрейфа, рассмотрев количество свободных зарядов в отрезке провода, как показано на рисунке 9.10. Количество бесплатных зарядов на единицу объема или плотность свободных зарядов обозначается символом n , где n = количество зарядов, объем = количество зарядов, объем.Значение n зависит от материала. Заштрихованный сегмент имеет том AvddtAvddt, поэтому количество бесплатных зарядов в томе равно nAvddtnAvddt. Таким образом, заряд dQ в этом сегменте равен qnAvddtqnAvddt, где q — это количество заряда на каждом носителе. (Величина заряда электронов q = 1,60 · 10−19Cq = 1,60 · 10−19C.) Ток перемещается за единицу времени; таким образом, если все первоначальные заряды уходят из этого сегмента за время dt , ток равен Я = dQdt = qnAvd.Я = dQdt = qnAvd. Перестановка условий дает , где vdvd — скорость дрейфа, n — плотность свободного заряда, A — площадь поперечного сечения провода, а I — ток через провод. Каждый носитель тока имеет заряд q и движется со скоростью дрейфа величиной vdvd. Фигура 9.10 Все заряды в заштрихованном объеме этой проволоки перемещаются за время dt , имея скорость дрейфа величиной vdvd. Обратите внимание, что простая скорость дрейфа — это еще не все. Скорость электрона иногда намного превышает скорость его дрейфа. Кроме того, не все электроны в проводнике могут двигаться свободно, а те, которые действительно движутся, могут двигаться несколько быстрее или медленнее, чем скорость дрейфа. Итак, что мы подразумеваем под свободными электронами? Атомы в металлическом проводнике упакованы в виде решетчатой ​​структуры. Некоторые электроны находятся достаточно далеко от ядер атомов, поэтому они не испытывают такого сильного притяжения ядер, как внутренние электроны.Это свободные электроны. Они не связаны с одним атомом, а вместо этого могут свободно перемещаться между атомами в «море» электронов. При приложении электрического поля эти свободные электроны ускоряются. При движении они сталкиваются с атомами в решетке и с другими электронами, генерируя тепловую энергию, и проводник нагревается. В изоляторе организация атомов и структура не допускают наличие таких свободных электронов. Как вы знаете, электроэнергия обычно подается к оборудованию и приборам через круглые провода, сделанные из проводящего материала (медь, алюминий, серебро или золото), многожильные или сплошные.Диаметр провода определяет допустимую нагрузку по току — чем больше диаметр, тем больше допустимая нагрузка по току. Несмотря на то, что допустимая нагрузка по току определяется диаметром, проволока обычно не характеризуется диаметром напрямую. Вместо этого проволока обычно продается в единицах, известных как «калибр». Проволока изготавливается путем пропускания материала через круглые формы, называемые «фильеры для волочения». Чтобы изготавливать более тонкие проволоки, производители протягивают проволоку через несколько матриц последовательно уменьшающегося диаметра.Исторически калибр проволоки был связан с количеством процессов волочения, необходимых для производства проволоки. По этой причине, чем больше калибр, тем меньше диаметр. В Соединенных Штатах Америки для стандартизации системы был разработан американский калибр проводов (AWG). Бытовая электропроводка обычно состоит из проводов калибра от 10 (диаметром 2,588 мм) до 14 (диаметром 1,628 мм). Устройство, используемое для измерения толщины проволоки, показано на рисунке 9.11. Фигура 9,11 Устройство для измерения толщины электрического провода.Как видите, более высокие номера калибра указывают на более тонкие провода. (Источник: Джозеф Дж. Траут) Пример 9,3 Расчет скорости дрейфа в общем проводе Рассчитайте скорость дрейфа электронов в медной проволоке диаметром 2,053 мм (калибр 12), по которой проходит ток 20,0 А, учитывая, что на один атом меди приходится один свободный электрон. (Бытовая электропроводка часто содержит медный провод 12-го калибра, и максимальный допустимый ток в таком проводе обычно составляет 20,0 А.) Плотность меди составляет 8.80 × 103 кг / м 38,80 × 103 кг / м3, а атомная масса меди составляет 63,54 г / моль. Стратегия Мы можем рассчитать скорость дрейфа, используя уравнение I = nqAvdI = nqAvd. Ток I = 20.00AI = 20.00A, а q = 1.60 · 10−19Cq = 1.60 · 10−19C — заряд электрона. Мы можем рассчитать площадь поперечного сечения провода по формуле A = πr2A = πr2, где r — половина диаметра. Заданный диаметр составляет 2,053 мм, поэтому r составляет 1,0265 мм. Нам дана плотность меди 8,80 × 103 кг / м38.80 × 103 кг / м3, а атомная масса меди 63,54 г / моль 63,54 г / моль. Мы можем использовать эти две величины вместе с числом Авогадро, 6,02 × 1023 атома / моль, 6,02 × 1023 атома / моль, чтобы определить n , количество свободных электронов на кубический метр. Решение Сначала рассчитаем плотность свободных электронов в меди. На один атом меди приходится один свободный электрон. Следовательно, количество свободных электронов такое же, как количество атомов меди в м3 м3. Теперь мы можем найти n следующим образом: п = 1e − атом × 6.02 × 1023 атомсмоль × 1 моль 63,54 г × 1000 г кг × 8,80 × 103 кг1м3 = 8,34 × 1028e- / м3.n = 1e − атом × 6,02 × 1023атомсмоль × 1 моль 63,54 г × 1000 г кг × 8,80 × 103 кг1м3 = 8,34 × 1028e- / м3. Сечение провода A = πr2 = π (2,05 · 10−3м2) 2 = 3,30 · 10−6м2. A = πr2 = π (2,05 · 10−3м2) 2 = 3,30 · 10−6м2. Перестановка I = nqAvdI = nqAvd для изоляции скорости дрейфа дает vd = InqA = 20,00A (8,34 × 1028 / м3) (- 1,60 × 10−19C) (3,30 × 10−6м2) = — 4,54 × 10−4 м / с. vd = InqA = 20,00A (8,34 × 1028 / м3 ) (- 1,60 × 10−19C) (3,30 × 10−6м2) = — 4,54 × 10−4 м / с. Значение Знак минус указывает на то, что отрицательные заряды движутся в направлении, противоположном обычному току.Небольшое значение скорости дрейфа (порядка 10-4 м / с) 10-4 м / с) подтверждает, что сигнал движется примерно в 10121012 раз быстрее (около 108 м / с) 108 м / с), чем заряды, несущие Это. Проверьте свое понимание 9,3 Проверьте свое понимание В примере 9.4 скорость дрейфа была рассчитана для медного провода диаметром 2,053 мм (калибра 12), по которому течет ток 20 А. Изменится ли скорость дрейфа для провода диаметром 1,628 мм (калибр 14), по которому течет тот же ток 20 ампер? Плотность тока Хотя часто бывает удобно поставить отрицательный или положительный знак, чтобы указать общее направление движения зарядов, ток является скалярной величиной, I = dQdtI = dQdt.Часто необходимо обсудить детали движения заряда вместо обсуждения общего движения зарядов. В таких случаях необходимо обсудить плотность тока, J → J →, векторную величину. Плотность тока — это поток заряда через бесконечно малую площадь, деленную на площадь. Плотность тока должна учитывать локальную величину и направление потока заряда, которые варьируются от точки к точке. Единицей измерения плотности тока является ампер на квадратный метр, а направление определяется как направление чистого потока положительных зарядов через площадь. Связь между током и плотностью тока можно увидеть на рисунке 9.12. Дифференциальный ток, протекающий через область dA → dA →, находится как dI = J → · dA → = JdAcosθ, dI = J → · dA → = JdAcosθ, где θθ — угол между площадью и плотностью тока. Полный ток, проходящий через область dA → dA →, можно найти путем интегрирования по площади I = areaJ → · dA → .I = ∬areaJ → · dA →. 9,5 Рассмотрим величину плотности тока, которая равна силе тока, разделенной на площадь: J = IA = n | q | AvdA = n | q | vd.J = IA = n | q | AvdA = n | q | vd. Таким образом, плотность тока J → = nqv → dJ → = nqv → d. Если q положительно, v → dv → d находится в том же направлении, что и электрическое поле E → E →. Если q отрицательно, v → dv → d находится в направлении, противоположном E → E →. В любом случае направление плотности тока J → J → находится в направлении электрического поля E → E →. Фигура 9,12 Плотность тока J → J → определяется как ток, проходящий через бесконечно малую площадь поперечного сечения, деленную на площадь.Направление плотности тока — это направление чистого потока положительных зарядов, а величина равна току, деленному на бесконечно малую площадь. Пример 9,4 Расчет плотности тока в проводе Сила тока, подаваемого на лампу с лампочкой мощностью 100 Вт, составляет 0,87 ампер. Лампа подключается медным проводом диаметром 2,588 мм (калибр 10). Найдите величину плотности тока. Стратегия Плотность тока — это ток, проходящий через бесконечно малую площадь поперечного сечения, деленную на площадь.Мы можем рассчитать величину плотности тока, используя J = IAJ = IA. Сила тока составляет 0,87 А. Площадь поперечного сечения может быть рассчитана как A = 5,26 мм2A = 5,26 мм2. Решение Рассчитайте плотность тока, используя заданный ток I = 0,87AI = 0,87A и площадь, которая составляет A = 5,26 мм2A = 5,26 мм2. J = IA = 0.87A5.26 × 10−6m2 = 1.65 × 105Am2. J = IA = 0.87A5.26 × 10−6m2 = 1.65 × 105Am2. Значение Плотность тока в проводящем проводе зависит от тока через проводящий провод и площади поперечного сечения провода.При заданном токе по мере увеличения диаметра проволоки плотность заряда уменьшается. Проверьте свое понимание 9,4 Проверьте свое понимание Плотность тока пропорциональна току и обратно пропорциональна площади. Если плотность тока в проводящем проводе увеличится, что произойдет со скоростью дрейфа зарядов в проводе? Какое значение имеет плотность тока? Плотность тока пропорциональна току, а ток — это количество зарядов, которые проходят через площадь поперечного сечения в секунду.Заряды движутся по проводнику, ускоряемые электрической силой, создаваемой электрическим полем. Электрическое поле создается при приложении напряжения к проводнику. В соответствии с законом Ома мы будем использовать эту взаимосвязь между плотностью тока и электрическим полем, чтобы исследовать взаимосвязь между током через проводник и приложенным напряжением. Исследователи производят электричество, протекая водой по очень тонким слоям металла Ученые из Северо-Западного университета и Калифорнийского технологического института произвели электричество, просто пропустив воду по очень тонким слоям недорогих металлов, включая железо, которые окислились.Эти фильмы представляют собой совершенно новый способ производства электроэнергии и могут быть использованы для разработки новых форм устойчивого производства энергии. Пленки имеют нанослой проводящего металла (толщиной от 10 до 20 нанометров), который изолирован оксидным слоем (толщиной 2 нанометра). Ток генерируется, когда импульсы дождевой воды и воды океана чередуются и перемещаются через нанослои. Разница в солености увлекает электроны в металл ниже. «Это оксидный слой над нанометаллом, который действительно заставляет это устройство работать», — сказал Франц М.Гейгера, профессора химии Доу в Северо-Западном колледже искусств и наук Вайнберга. «Вместо коррозии присутствие оксидов на нужных металлах приводит к механизму перемещения электронов». Пленки прозрачные, что можно использовать в солнечных элементах. Исследователи намерены изучить метод с использованием других ионных жидкостей, в том числе крови. Разработки в этой области могут привести к использованию в стентах и ​​других имплантируемых устройствах. «Простота масштабирования металлического нанослоя до больших площадей и легкость, с которой можно покрывать пластик, позволяют нам создавать трехмерные структуры, в которых можно использовать большие объемы жидкостей», — сказал Гейгер.«Также возможны складные конструкции, которые помещаются, например, в рюкзак. Учитывая, насколько прозрачны пленки, интересно подумать о том, как соединить металлические нанослои с солнечным элементом или покрыть наружные окна зданий металлическими нанослоями для получения энергии во время дождя ». Исследование под названием «Преобразование энергии с помощью металлических нанослоев» было опубликовано на этой неделе в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Гейгер — автор исследования; его северо-западная команда провела эксперименты.Соавтор Томас Миллер, профессор химии в Калифорнийском технологическом институте, возглавил команду, которая провела атомистическое моделирование для изучения поведения устройства на атомном уровне. Новый метод производит напряжения и токи, сравнимые с устройствами на основе графена, эффективность которых, как сообщается, составляет около 30% — аналогично другим исследуемым подходам (углеродные нанотрубки и графен), но вместо этого с одностадийным изготовлением из элементов, изобилующих землей. многоступенчатого изготовления. Эта простота обеспечивает масштабируемость, быстрое внедрение и низкую стоимость.Northwestern подала заявку на предварительный патент. Из изученных металлов исследователи обнаружили, что лучше всего работают железо, никель и ванадий. Они проверили образец чистой ржавчины в качестве контрольного эксперимента; он не производил тока. Механизм, лежащий в основе выработки электричества, сложен, включая адсорбцию и десорбцию ионов, но по существу он работает следующим образом: ионы, присутствующие в дождевой / соленой воде, притягивают электроны в металле под слоем оксида; по мере того, как вода течет, эти ионы тоже, и благодаря этой силе притяжения они увлекают за собой электроны в металле, генерируя электрический ток. «Есть интересные перспективы для множества приложений в области энергетики и устойчивого развития, но реальная ценность — это новый механизм переноса электронов между оксидом и металлом», — сказал Гейгер. «Основной механизм, по-видимому, включает различные степени окисления». Команда использовала процесс, называемый физическим осаждением из паровой фазы (PVD), который превращает обычно твердые материалы в пар, который конденсируется на желаемой поверхности. PVD позволял наносить их на стеклянные металлические слои толщиной всего от 10 до 20 нанометров.Затем на воздухе самопроизвольно образуется оксидный слой. Он вырастает до толщины 2 нанометров, а затем перестает расти. «Более толстые пленки металла не приносят успеха — это эффект наноограничения», — сказал Гейгер. «Мы обнаружили золотую середину». При тестировании устройства генерировали несколько десятков милливольт и несколько микроампер на квадратный сантиметр. «Для сравнения: пластины площадью 10 квадратных метров каждая будут генерировать несколько киловатт в час — этого достаточно для стандартного U.С. домой, — сказал Миллер. «Конечно, менее требовательные приложения, в том числе маломощные устройства в удаленных местах, в ближайшем будущем станут более перспективными». Другими соавторами исследования являются Мавис Д. Боама, Эмили Х. Лозье, Пол Э. Оно и Кэтрин Э. Уокер из Северо-Западного региона и Чонмин Ким из Калифорнийского технологического института. Эта работа была поддержана Национальным научным фондом (номер награды CHE-1464916), Управлением военно-морских исследований (номер награды N00014-10-1-0884) и Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) через Агентство армейских исследовательских химикатов. Отделение наук (номер награды W911NF1 1). Как электричество заставляет вещи работать ›Основы Берни (ABC Science) Основы Берни Без электричества наши приборы представляют собой куски пластика и металла. Но что на самом деле делает электричество? Как это работает? Берни Хоббс Что происходит в тех проводах, от которых наши обогреватели нагреваются, а вентиляторы работают? (Источник: iStockphoto) Мы используем его каждый день, но большинство из нас не понимают, как электричество заставляет вещи работать.Что происходит в проводах, которые заставляют двигатели двигаться, а нагреватели нагреваются? Будь то тостер или электромобиль, все, что делает электричество, сводится к одному: что происходит, когда вы учите электронов танцевать на линии. Когда электроны вынуждены двигаться синхронно, они могут выделять тепло и — что еще более впечатляет — превращать провод, в котором они движутся, в магнит. Тепло может вскипятить воду и заставить светиться лампочки, а магниты могут заставить вещи двигаться. И эти две уловки лежат в основе «магии» каждого электрического прибора.наверх Организация электронов Электроны, от которых звенят наши приборы, находятся в проводах, составляющих электрические цепи. Провода сделаны из металла, и в металлах всегда есть свободные электроны, которые бегают по ним. Но если вы можете заставить эти электроны двигаться организованным образом, у вас будет течь электрический ток. Вот и все, что есть электрический ток — электроны, движущиеся организованно. Энергия для организованного движения электронов поступает либо от батареи, либо от генератора. Когда батарея упорядочивает электроны, все они движутся в одном направлении одновременно — батарея прокачивает электроны по проводам цепи от отрицательного вывода к положительному. Поскольку все они идут в одном направлении, это называется постоянного тока (DC) . Электрогенераторы на электростанциях организуют электроны несколько иначе. Они накачивают электроны, но меняют направление, которое они накачивают 100 раз в секунду.Таким образом, вместо того, чтобы двигаться в одном направлении, как в цепи постоянного тока, электроны остаются в значительной степени там, где они есть, и постоянно покачиваются вперед и назад. Если бы вы могли видеть внутри шнура питания, когда прибор включен, можно было бы подумать, что электроны только что научились танцевать на линии — все они постоянно синхронно делают один шаг вперед и один шаг назад. Постоянно меняющееся направление — вот что стоит за его названием, переменного тока (AC) . Итак, ток — это просто электроны, которые организованно движутся по цепи.наверх Горячие вещи Все провода немного нагреваются, когда через них проходит ток, потому что, двигаясь в проводе, электроны сталкиваются с атомами металла. И всякий раз, когда они проникают в атом, энергия движущихся электронов выделяется в виде тепла. Мы используем медь для электропроводки, потому что по ней легко перемещаться электроны, поэтому не слишком много энергии тратится впустую в виде тепла. Но если вы хотите тепла, скажем, для вашего фена / тостера / электрического кувшина, его очень легко достать.Вам просто нужно использовать немного металла, через который электронам действительно трудно проходить, например, никель. Нагревательные элементы, подобные тем, что используются в тостерах или фенах, представляют собой кусочки проволоки, изготовленные из сплава никель / хром, называемого нихромом. Пропустите ток через нихром, и вы получите серьезный нагрев. В то время как электроны в медных проводах могут легко перемещаться, электроны в нихромовом элементе постоянно сталкиваются с атомами никеля и хрома и выделяют тепло повсюду.наверх Запуск двигателей Каждый прибор с движущимися частями более сложным, чем выдвижной тостер, имеет в себе электродвигатель. И хотя на них работают тысячи различных устройств, электродвигатели на самом деле делают одно — они вращаются, когда вы включаете питание. И все, что к ним прикреплено — например, лопасти вентилятора, колеса или бак для стирки — тоже вращается. Вращение происходит только при протекании тока — когда электроны в проводе объединяются в ток.наверх Электричество и магнетизм… говорят о взаимозависимости Каждый электрон похож на крошечный слабый магнит. Большинство электронов существуют парами и нейтрализуют магнитные свойства друг друга. Но у некоторых материалов, таких как железо, вокруг атомов есть неспаренные электроны. И если вы можете заставить эти неспаренные электроны выровняться так, чтобы все их магнитные поля были направлены в одном направлении, ваш кусок железа внезапно стал магнитом. Это именно то, что происходит, когда вы поглаживаете иглу или скрепку магнитом — магнитное поле вокруг вашего магнита вытягивает некоторые из неспаренных электронов в игле в линии, поэтому весь их мини-магнетизм складывается в полномасштабный магнит. Но вы также можете превратить любой металл во временный магнит — электромагнит — просто пропустив через него электрический ток. Электромагниты работают, потому что заряд электрона тоже может создавать магнитное поле, но только когда он движется. Таким образом, каждый раз, когда электроны в проводе движутся синхронно (т. Е. Всякий раз, когда течет ток), провод становится магнитом. Он слишком слаб, чтобы быть полезным магнитом. Но если вы намотаете проволоку на кусок железа, слабое магнитное поле вокруг проволоки заставит неспаренные электроны в утюге выровняться, и весь их мини-магнетизм складывается, как в стержневом магните.наверх Как работают двигатели, короче 25 слов… Если вы когда-либо использовали один магнит для отражения другого, вы уже знаете основы работы электродвигателей. Фактически, если вы использовали северный конец одного магнита, чтобы толкать северный конец другого магнита по кругу, вы бы сделали то же самое, что и электродвигатель. За исключением того, что у двигателя нет гигантской руки, толкающей один магнит, чтобы оттолкнуть другой — он полагается на набор магнитов в кольце, окружающем проволочную петлю. Когда ток течет, проволочная петля становится электромагнитом. А магниты вокруг электромагнита расположены так, что их силы притяжения и отталкивания заставляют электромагнит постоянно вращаться, пока не будет отключено питание. Когда нажимают выключатель, игра окончена. Без батареи или генератора, которые толкают их, электроны больше не организованы, провод больше не намагничен, и вращение двигателя останавливается. Насосы / лопасти вентилятора / ремни, прикрепленные к двигателю, перестают всасывать, выдувать и приводить в движение.наверх Опубликовано 7 июля 2010 г. Электронная почта ABC Science Используйте эти ссылки в социальных сетях, чтобы поделиться Как электричество заставляет вещи работать . Используйте эту форму, чтобы отправить электронное письмо «Как электричество заставляет вещи работать» кому-нибудь из ваших знакомых: https://www. alexxlab Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт Рубрики Прост Радио Разное Своими руками Советы Схем Схемы Транзист Транзисторы Электрон Электроника Элемент α x 10 -3 (1/ o C) Алюминий8 Медь (Co) 4,29 Железо (Fe) 6,41 Ртуть (Hg) 8,9 Никель 6,49 9045 9045 (Pt) 3,93 Серебро (Ag) 1,59 Олово (Sn) 4,2 Вольфрам (W) 4,5