Электрический ток в металлах
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.
https://www.youtube.com/watch?v=Dnq454iKYbk
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.
Источник: https://ege-study.ru/ru/ege/materialy/fizika/elektricheskij-tok-v-metallax/
Что такое проводимость
Основой любого твердого химического элемента является кристаллическая решетка, состоящая из атомов вещества, вокруг которых вращаются связанные электроны.
И, если решетка стабильна, то возникает вопрос: какие частицы создают электрический ток в металлах, а точнее – участвуют в его переносе? Помимо атомов вещества со связанными заряженными частичками, межатомное пространство заполнено и свободными электронами.
Именно эти заряженные частицы, при воздействии на них электрического поля, начинают двигаться определенным образом, и обеспечивают тем самым, протекание тока.
Важно, что суммарный заряд всех свободных электронов равен суммарному заряду ионов, которые находятся в узлах решетки, но отличен по знаку (ионы – положительно заряжены, а электроны – отрицательно) – именно поэтому структура и стабильна. Если бы не было этих самых свободных заряженных частиц, то кулоновские силы разорвали бы кристаллическую решетку. Однако электроны уравновешивают действие этих сил, и вся «конструкция» остается в покое.
Чем больше таких свободных частиц присутствуют между атомами, тем сильнее проводимость материала. К примеру, медь проводит ток лучше железа именно из-за того, что в межатомном пространстве меди находится очень много свободных зарядов, способных проводить ток.
Электрический ток движется по проводам со скоростью, приближенной к скорости света, хотя сами свободные заряженные частицы двигаются значительно медленнее, и не покидают пределы проводника.
Это означает, что ток в металлических проводниках создается электронами, которые принимают участие в переносе заряда, но не «расходуются» при этом процессе.
Таким образом, получается, что электрический ток в металлах представляет собой лишь упорядоченное движение заряженных частиц под действием поля, и не может накапливаться в проводнике.
Сопротивление проводника
Абсолютно любой элемент, каким бы проводимым он ни был, обладает сопротивлением. При воздействии электрического поля на свободные заряженные частицы, они начинают двигаться, условно говоря, от плюса к минусу. В процессе движения, электроны рассеиваются на так называемых неоднородностях решетки: дефектах, примесях и нарушениях строения. Это вызывает нагрев проводника, и характеризуется таким понятием, как сопротивление металлов.
Чем больше электронов теряется по пути от начала проводника до его конца, тем выше сопротивление данного участка проводимости. Помимо физических характеристик самого материала (удельного сопротивления, являющегося справочной величиной), из которого изготовлен проводник, на сопротивление имеют влияние форма, а также площадь сечения проводника.
Если участок проводимости однороден по составу, то его сопротивление можно узнать, применив формулу: R = p*l/S, где p — удельное сопротивление материала, l – длинна проводника, а S – площадь сечения.
Удельное сопротивление основных материалов, используемых в электротехнике, представлено ниже, в сводной таблице электрического сопротивления металлов:
Интересная особенность металлических проводников: при уменьшении температуры, сопротивление материала падает, а при достижении температур порядка нескольких Кельвинов – снижается практически до нуля. На этом эффекте основано явление сверхпроводимости.
Электрохимический ряд напряжений металлов
Помимо сопротивления, металлические проводники имеют такую характеристику как электрохимический потенциал. Если говорить просто, то это значение характеризует сравнительную активность вещества при протекании реакций окисления и восстановления в условиях водного раствора.
Электрический ряд напряжений металлов был известен еще средневековым ученым-алхимикам, однако к современному виду его привел Алессандро Вольта в 1793 году. При конструировании своего гальванического столба, он установил соотношение активности известных ему металлов Zn, Pb, Sn, Fe, Cu, Ag, Au, которое зависит от положения элемента в этом ряду.
Чем дальше находятся элементы друг от друга по списку, тем выше будет степень их взаимодействия.
Уже в 1798 году Иоганн Риттер указал на схожесть ряда Вольта с рядом окисления металлов (уменьшение их активности взаимодействия с кислородом). По его гипотезе, в результате протекания химической реакции возникает электричество. А вот его качественные показатели как раз и зависят от того, какие металлы взаимодействуют. Таким образом, был сформирован ряд напряжений, который дополнялся вновь открываемыми химическими элементами:
На практике электрохимический ряд напряжений металлов используется при подборе катода и анода для наиболее эффективного восстановления металла из раствора, или же наоборот – наиболее активного взаимодействия для получения электроэнергии.
Для более подробного изучения вопроса, а также понимания того, как движется электрический ток в металлах, советуем вам посмотреть это видео:
Источник: https://electroadvice.ru/eto-interesno/elektricheskij-tok-v-metallax/
Электрический ток в вакууме
Вообще говоря, в вакууме не может проходить электрический ток, если в нем нет носителей заряда. Если в вакууме присутствуют электроны, то их движение обусловит появление тока, который называют током в вакууме. Следовательно, необходимо, чтобы в вакууме появились электроны.
В металле имеется так называемый «электронный газ». При термодинамическом равновесии распределение электронов на энергоуровнях определено статистикой Ферми — Дирака и задано выражением:
где $\beta =\frac{1}{kT}$, $n_i$ — количество электронов, которые имеют энергию $E_i$, $g_i$ — число квантовых состояний, которые соответствуют энергии $E_i$, $\mu $ — энергия Ферми при температуре T (при $T\to 0K\ \mu \to {\mu }_{0\ }при\ T=0K$). Так как выражение для энергии Ферми записывают как:
В большинстве случаев $\mu \gg kT$, следовательно, для выражения (1) можно полагать $\mu ={\mu }_{0\ }.$
Допустим, что $E_0-\ $энергия электрона около поверхности вне металла. Используя формулу (1) можно вычислить вероятность того, что электрон имеет энергию $E_0$, если ее подставить в (1) вместо $E_i$. Найденная вероятность будет отлична от нуля, причем она увеличивается с ростом температуры. Значит, вблизи поверхности металла присутствует электронное облако, находящееся в динамическом равновесии с электронным газом внутри металла.
Электроны из электронного облака внутри металла имеют кинетическую энергию, которой достаточно для того, чтобы преодолеть силы, которые удерживали их внутри и выйти за пределы вещества. Электроны, находящиеся вне металла над его поверхностью при соответствующих условиях могут быть захвачены силами, которые удерживают электроны внутри.
Получается, что в условиях динамического равновесия через поверхность металла протекают противоположно направленные токи, их силы равны по модулю. Сумма сил этих токов равна нулю.
Ничего непонятно?
Попробуй обратиться за помощью к преподавателям
Термоэлектронная эмиссия
Явление образования электронного облака около поверхности металла вследствие теплового движения свободных электронов называют термоэлектронной эмиссией. При абсолютном нуле температур явления термоэлектронной эмиссии нет. Это значит, что при $T=0K$ электронного облака над поверхностью металла не существует.
Электроны, имеющие кинетическую энергию $E_k\ $около поверхности металла имеют полную энергию ($E_i$) равную:
Тогда формула (1) имеет вид:
где $A_v=E_0-\mu $ — работа выхода электронов из металла. Из выражения (4) видно, что плотность электронного облака около поверхности металла зависит от работы выхода $A_v$ и уменьшается с ее увеличением.
Термоэлектронный ток
Определение 1
Если около поверхности металла есть электрическое поле, то электроны из электронного облака образуют электрический ток. Этот ток называют термоэлектронным.
И так, если в вакууме находятся две металлические пластинки, между ними существует разность потенциалов, то между этими пластинками появится термоэлектронный ток.
Сила тока должна расти при увеличении разности потенциалов. Для термоэлектронного тока существует сила тока насыщения. Это максимальная сила тока, при которой все электроны, которые попадают с поверхности катода в электронное облако, достигают анода. При этом ни какого обратного тока электронов через поверхность внутрь катода нет. Сила тока насыщения при увеличении разности потенциалов между анодом и катодом не изменяется.
Для металлов работа выхода составляет несколько электрон-вольт. При этом энергия $kT$ даже при больших температурах в тысячи кельвинов всего лишь доли электрон — вольта. Значит, $\frac{A_v}{kT}=A_v\beta \gg 1,\ \to exp\left[\beta \left(E_k+A_v\right)\right]\gg 1,$ следовательно, в знаменателе формулы (4) единицей можно пренебречь и записать эту формулу в виде:
Сила тока насыщения зависит от работы выхода и температуры. Для чистых металлов существенный ток можно получить при температурах порядка $2000 К$, что означает, что в качестве катодов следует использовать металлы с высокой температурой плавления. При этом надо, чтобы работа выхода у них была минимальна. Так, вольфрам, имеющий работу выхода $4,5 эВ$, должен быть нагрет до температуры $2500 К$x.
Для того чтобы уменьшить рабочую температуру и снизить работу выхода применяют оксидные катоды.
Характеристика электронного облака
Облако электронов около поверхности металла описывается формулой (5). В выражении (5) число квантовых состояний в элементе фазового объема $dxdydzdp_xdp_ydp_z$ запишется как:
Тогда количество электронов в элементе фазового объема будет равно:
где $E_k=\frac{p2}{2m_e}$. $p2={p_x}2+{p_y}2+{p_z}2$. Концентрацию электронного облака ($n_0$) около поверхности металла можно найти последовательным интегрированием выражения (7) по $dxdydz$ а за тем по $dp_xdp_ydp_z$, в результате получим:
Средняя кинетическая энергия электронов равна:
Плотность тока насыщения
Плотность тока насыщения ($j_n$) определяется формулой Ричардсона — Дешмана:
где $A=\frac{q_em_ek2}{2{\pi }2{\hbar }3}=1,2\cdot 106А\cdot м{-2}\cdot К{-2}.$ Часто формулу (10) представляют в виде:
Пример 1
Задание: Изобразите график зависимости $ln\left(\frac{j_n}{T2}\right)$ от $\frac{1}{T}$. Как используя данный график можно определить работу выхода электрона?
Решение:
Для того чтобы построить график зависимости $ln\left(\frac{j_n}{T2}\right)(\frac{1}{T})$ используем формулу Ричардсона — Дешмана в виде:
\[ln\left(\frac{j_n}{T2}\right)=lnA-\frac{A_v}{kT}\left(1.1\right).\]
Исходя из формулы (1.1) искомый график — прямая линия (рис.1). Пересекая ось ординат, данная прямая отсекает на этой вертикальной оси отрезок равный $lnA$. Величина A должна быть универсальной постоянной для всех металлов, однако этот результат экспериментом не подтверждается. Так как на величину A оказывают влияния поверхностные эффекты, помимо этого, у кристалла плотность тока насыщения может отличаться для разных граней.
Рисунок 1.
Ответ: По углу наклона прямой, которая изображена на рис.1, можно определить работу выхода электрона из металла.
Пример 2
Задание: Объясните, как с помощью вакуумного диода показать, что носителями тока через вакуум являются электроны.
Решение:
Вакуумный диод — вакуумная лампа, которая имеет два электрода. Катодом является проволока (нить) из тугоплавкого металла, которую накаляют с помощью электрического тока. Металлический анод обычно, имеет форму цилиндра, окружает катод. Диод включают в электрическую цепь, которая включает последовательно соединенные источник тока, диод и миллиамперметр.
Если цепь замкнуть, то ток через амперметр не идет. Если катод нагреть до определённой температуры, то миллиамперметр покажет наличие тока в цепи. Если полярность батареи источника тока заменить, ток прекратится.
Этот опыт показывает, что носителями тока через вакуум являются частицы с отрицательным зарядом, а именно электроны, так как никаких химических реакций около электродов не наблюдается при прохождении тока.
Источник: https://spravochnick.ru/fizika/elektricheskiy_tok_v_vakuume/
III. Основы электродинамики
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.
Источник: http://fizmat.by/kursy/jelektricheskij_tok/sreda_toka
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.
Конспекты по физике Учебник физики Тесты по физике
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 • 1023 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».
Вернуться к Списку конспектов по физике (Оглавление).
Источник: http://xn--8-8sb3ae5aa.xn--p1ai/jelektricheskij-tok-v-razlichnyh-sredah/
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.
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.
Источник: https://zaochnik.com/spravochnik/fizika/postojannyj-elektricheskij-tok/elektricheskij-tok-v-metallah/
Конспект урока по Физике
Наша кнопка
Скачать материал
Урок по физике в 8 классе.
Тема «Электрический ток в металлах»
Цель урока: Продолжить изучение природы электрического тока в металлах, экспериментальным путем изучить действие электрического тока.
Задачи урока:
Образовательная – формирование единых взглядов на природу электрического тока, формирование умения работать с электрическими схемами, собирать электрические цепи.
Развивающая – формирование умения находить ошибки и не допускать их при применении знаний на практике, а также логично объяснять новые явления, применять свои знания в нестандартных ситуациях.
Воспитательная –формирование умения концентрировать внимание, вести диалог, аргументировано отстаивать свое мнение.
Оборудование и материалы: источники тока, электрическая лампочка для карманного фонаря, электрический звонок, выключатели, подводящие провода, раствор медного купороса, электромагнит, медная и цинковая пластинки, модель кристаллической решетки, гальванометр.
ТСО: компьютерная презентация, мультимедийный проектор.
Демонстрации:
1) Сборка простейших электрических цепей.
2) Выделение меди при электролизе медного купороса
3)Действие катушки с током, как электромагнита.
План урока.
-
Актуализация знаний(10 мин).
-
Изучение нового материала «Электрический ток в металлах» (10 мин)
«Действия электрического тока» (12 мин)
-
Закрепление (9 мин)
-
Домашнее задание (2мин)
-
Подведение итогов (2 мин)
Ход урока.
Объявление темы, целей урока.
1) Актуализация знаний -10 мин.
Здравствуйте ребята!
Как наша прожила б планета,
Как люди жили бы на ней
Без теплоты, магнита, света
И электрических лучей.
В этом четверостишье упоминается о электрических лучах. Как вы думаете, что это такое? (электрический ток)
Вопросы:
-
Что называется электрическим током?
-
Что необходимо, чтобы в цепи существовал электрический ток?
3) Работа со схемами: назвать предложенные основные части электрической цепи
Предложены обозначения: электрическая лампа, ключ, амперметр, вольтметр, источник тока, звонки др.
4) А теперь проверим, как вы видите нарушения в составлении электрических цепей.
Перед вами две электрические цепи, схемы которых представлены на экране.
1. Какие нарушения вы заметили? Почему не горит исправная лампа в первой цепи при замыкании ключа? Ответ. Электрическая цепь имеет разрыв. Чтобы лампа загорелась, в цепи должен существовать электрический ток, а это возможно при замкнутой цепи, состоящей только из проводников электричества.
2) Чем проводники отличаются от непроводников или изоляторов? Ответ. Ученики устраняют разрыв. Лампа загорается.
2. Почему не звенит звонок во второй цепи при замыкании цепи? Ответ. 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.
Для существования электрического тока необходимы следующие условия: ———наличие свободных электрических зарядов в проводнике; -наличие внешнего электрического поля для проводника. Ученик, подсоединив к цепи источник тока, демонстрирует правильный ответ.
2.Изучение нового материала «Электрический ток в металлах» — 10 мин. Слайд №1 Тема нашего урока: «Электрический ток в металлах. Действия электрического тока» Ребята кто знает, как можно избежать действия электрического тока при случайном прикосновении к электроприбору, которое оказалось под напряжением? Ответ.
Для этого необходимо заземление, так как земля является проводником и, благодаря своим огромным размерам, может удерживать большой заряд. Учитель. Из каких материалов выполняется заземление? Ответ. Заземление выполняют из металла. Учитель.
Почему предпочитают именно металлы? На этот вопрос мы ответим после изучения новой темы “Электрический ток в металлах”. Запишите тему урока в тетрадь.
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.
Сегодня мы познакомимся с важным свойством металлов – электропроводностью. Вспомним строение металлов. Демонстрация модели кристаллической решетки, на экране проецируется изображение модели строения металлов.
Модель металла — кристаллическая решетка, в узлах которой частицы совершают хаотичное колебательное движение.
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? Под действием электрического поля движутся свободные электроны. Заключительным подтверждением этому факту явился опыт, проведенный в 1913 году физиками нашей страны Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси, а также американскими физиками Б. Стюартом и Р. Толменом. Посмотрите рисунок на экране
Ученые приводили в очень быстрое вращение многовитковую катушку вокруг ее оси. Затем, при резком торможении катушки концы ее замыкались на гальванометр, и прибор регистрировал кратковременный электрический ток. Причина возникновения, которого вызвана движением по инерции свободных заряженных частиц между узлов кристаллической решетки металла.
Так как из опыта известно направление начальной скорости и направление получаемого тока, то можно найти знак заряда носителей: он оказывается отрицательным. Следовательно, свободные носители зарядов в металле — свободные электроны. По отклонению стрелки гальванометра можно судить о величине протекающего в цепи электрического заряда. Опыт подтвердил теорию. Триумф классической теории электричества состоялся.
Электрический ток в металлических проводниках представляет собой упорядоченное движение свободных электронов, под действием электрического поля Если в проводнике нет электрического поля, то электроны движутся хаотично, аналогично тому, как движутся молекулы газов или жидкостей. В каждый момент времени скорости различных электронов отличаются по модулям и по направлениям.
Если же в проводнике создано электрическое поле, то электроны, сохраняя свое хаотичное движение, начинают смещаться в сторону положительного полюса источника. Вместе с беспорядочным движением электронов возникает и упорядоченный их перенос — дрейф. Скорость упорядоченного движения электронов в проводнике под действием электрического поля — несколько миллиметров в секунду, а иногда и ещё меньше.
Но как только в проводнике возникает электрическое поле, оно с огромной скоростью, близкой к скорости света в вакууме (300 000 км /с ), распространяется по всей длине проводника. Одновременно с распространением электрического поля все электроны начинают двигаться в одном направлении по всей длине проводника. Так, например, при замыкании цепи электрической лампы в упорядоченное движение приходят и электроны, имеющиеся в спирали лампы.
Понять это поможет сравнение электрического тока с течением воды в водопроводе, а распространения электрического поля — с распространением давления воды. При подъёме воды в водонапорную башню очень быстро по всей водопроводной системе распространяется давление (напор) воды. Когда мы открываем кран, то вода уже находится под давлением и начинает течь.
Но из крана течёт та вода, которая была в нём, а вода из башни дойдёт до крана много позднее, т.к. движение воды происходит с меньшей скоростью, чем распространение давления. Когда говорят о скорости распространения электрического тока в проводнике, то имеют в виду скорость распространения по проводнику электрического поля.
Электрический сигнал, посланный, например, по проводам из Москвы во Владивосток (s=8000 км), приходит туда примерно через 0,03с. А теперь можно переходить к познанию внешнего мира. Закончили электрический ток в металлах. Переходим к следующему блоку «Действия электрического тока»
Изучение нового материала «Действия электрического тока» Мы не можем видеть движущиеся в металлическом проводнике электроны. О наличии тока в цепи мы можем судить по различным явлениям, которые вызывает электрический ток. Такие явления называют действиями тока.. Некоторые из этих действий легко наблюдать на опыте.
Тепловое действие тока. Программный диск Уроки физики 8 класс. Виртуальная школа Кирилла и Мефодия
Химическое действие тока. Химическое действие электрического тока впервые было открыто в 1800 г Опыт. Проведем опыт с раствором медного купороса. Два угольных электрода, опускаем в дисцилированную воду замыкаем цепь. Наблюдаем , что лампочка не загорается. Берем раствор медного купороса и подсоединяем к источнику тока. Эл лампочка загорается. Вывод.
Химическое действие тока состоит в том, что в некоторых растворах кислот (солей, щелочей) при прохождении через них электрического тока наблюдается выделение веществ. Вещества, содержащиеся в растворе, откладываются на электродах, опущенных в этот раствор. При пропускании тока через раствор медного купороса (CuSО4) на отрицательно заряженном электроде выделится чистая медь (Сu).
Это используют для получения чистых металлов. Путем электролиза получают алюминий ,химические чистые металлы, производят никелирование, хромирование, золочение. Для защиты металлов от коррозии их поверхность часто покрывают трудно окисляемыми металлами, т. е. производят никелирование или хромирование. Этот процесс называется гальваностегией.
Ребята ,какие способы защиты металлов от коррозии вы знаете?
Магнитное действие тока. Опыт. Катушку с железным сердечником включаем в цепь и наблюдает притяжение металлических предметов. Использование магнитного действия тока в гальванометрах. Гальванометр. Схематическое обозначение Закрепление изученного материала. Вопросы по новой теме.
Китайский философ Конфуций как -то сказал «Хорошо обладать природным дарованием, но упражнения, друзья, дают нам больше, чем природное дарование». Русская пословица гласит: « Учиться всегда пригодится » .
1) 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.)
Домашнее задание. П. 34,35Л. №1260, 1261. Подготовить сообщение о металлах «Алюминий», «Золото», «Железо»
Листать вверх Листать вниз Скачивание материала начнется через 51 сек.
Ещё документы из категории физика:
Источник: https://doc4web.ru/fizika/konspekt-uroka-po-fizike-elektricheskiy-tok-v-metallah-klass.html
Презентация на тему: Электрический ток в металлах. Действия электрического тока. Сила тока
Модель металла — кристаллическая решетка, в узлах которой частицы совершают хаотичное колебательное движение.3
3
Слайд 3
В узлах кристаллической решетки расположены положительные ионыВ пространстве между ними движутся свободные электроныОтрицательный заряд всех свободных электронов по абсолютному значению равен положительному заряду всех ионов решетки4
4
Слайд 4
Электроны взаимодействуют не друг с другом, а с ионами кристаллической решётки. При каждом соударении электрон передаёт свою кинетическую энергию.5
5
Слайд 5
Запишем:Электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов6
6
Слайд 6
Вывод :В обычных условиях металл электрическинейтрален2. Свободные электроны движутся в нёмбеспорядочно3. Если создать в металле электрическое поле,то свободные электроны начнут двигатьсянаправленно (упорядоченно), т. е. возникнетэлектрический ток4. Беспорядочное движение электроновсохраняется
7
Слайд 7
Какова же скорость движения самих электроновв проводнике под действием электрического поля?Невелика, всего несколькомиллиметров в секунду, аиногда и ещё меньшеЕсли в проводнике возникает электрическое поле,оно с огромной скоростью распространяется по всейдлине проводника(близкой к скорости света 300 000 км/с),одновременно начинают двигаться электроны в одномнаправлении по всей длине проводника
8
Слайд 8
Как можно избежать действия электрического тока при случайном прикосновении к электроприбору, которое оказалось под напряжением?Для этого необходимо заземление,так как земля является проводником и, благодаря своим огромным размерам, может удерживать большой заряд.Из каких материалов выполняется заземление?
9
Слайд 10
ДЕЙСТВИЯ ТОКАТЕПЛОВОЕДЕЙСТВИЕ ТОКАзаключается в том, что проводник, по которому протекает электрический ток нагревается.Объясняется это тем, что движущиеся под действием сил электрического поля заряженный частицы взаимодействуют с ионами или атомами вещества и передают им часть своей энергии.калорифер!
11
Слайд 11
В домашних условияхТепловое действие тока используютдля выплавки специальных сортовстали, для электросварки.С помощью электрического токаобогревают теплицы, инкубаторы,сушат зерно.широко применяют электрические плитки, утюги, чайники, кипятильники, калориферы, фены и другие приборы.ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
12
Слайд 12
ДЕЙСТВИЯ ТОКАМАГНИТНОЕ ДЕЙСТВИЕТОКАЗаключается вовзаимодействии проводника,по которому протекаетэлектрический токс магнитом или другимтаким же проводником.Магнитное действие токапроявляется всегда, какой быпроводник ни был:жидкий, твердыйили газообразный.Поворот рамки с токомв магнитном поле!SNFF
13
Слайд 13
ИСПОЛЬЗОВАНИЕэлектромагнитЭлектромагниты находят широкое применение в технике благодаря их замечательным свойствам:во время работы электромагнита легко можно регулировать его магнитное действиепри выключении тока они быстро размагничиваются.Магнитное действие токанаходит применение не только в промышленности — в современной науке без него никак не обойтись.
14
Слайд 14
ДЕЙСТВИЯ ТОКАХИМИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ТОКАсостоит в том, что при пропускании электрического тока через некоторыерастворы кислот, солей, щелочей происходитвыделение веществ на электродах( это могут быть кактвердые вещества,так и газообразные ).Медицинская гальваническаяванна
15
Слайд 15
ИСПОЛЬЗОВАНИЕХромированный кранПозолоченные ложкиГальваническая ваннаХимическое действие тока используют длявыделения чистых металлов из растворовсолей.В судостроении специальными составами покрывают корпус корабля для защиты от коррозии /
16
Слайд 16
Электрический ток в металлах создается свободными электронами- электронами проводимости. Под действием сторонних сил электроны приобретают направленное движение- возникает электрический ток.За направление эл.тока условно приняли направление, по которому движутся (могли двигаться) в проводнике + заряды, т.е. направление от + истояника тока к -.ЭЛЕКТРОНЫ ПРОВОДИМОСТИНАПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
17
Слайд 18: Единица измерения силы тока
Сила тока показывает, какой заряд проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени.Единица измерения силы тока в системе СИ: [I] = 1 A (ампер)
19
Слайд 19: Другие единицы силы тока:
миллиампер (мА);микроампер (мкА);килоампер (кА);1мА = 0,001А;1мкА = 0,000001А;1кА = 1000А.30мкА = А280мА= А0.35кА = А1000А = мкА6А= мА0.66А = кА
20
Слайд 20
Как объяснить, что в обычных условиях металл электрически нейтрален?Что происходит с электронами металла при возникновении в нем электрического поля?Что представляет собой электрический ток в металлах?Какую скорость имеют ввиду, когда говорят о скорости распространения электрического тока в проводнике?ЗАКРЕПИМ
21
Слайд 21
1.НАЗОВИТЕ СОСТАВНЫЕ ЧАСТИ ЦЕПИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВАВариант 1 Вариант 2Рис. 1Рис. 2
22
Слайд 22
Каким номером обозначеныА пересечение проводов? Б ключ? В электрический звонок? Г плавкий предохранитель? Д соединение проводов?2. На рисунке изображены условные обозначения, применяемые на схемах
23
Слайд 23
Вариант 1.3.Почему не горит исправная лампа в первой цепи при замыкании ключа? (Рис. 1)Вариант 2.3. Почему не звенит звонок во второй цепи при замыкании цепи? (Рис. 2)Рис. 2Рис. 1
24
Последний слайд презентации: Электрический ток в металлах. Действия электрического тока. Сила тока
4.НАЧЕРТИТЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СХЕМЫ УСТАНОВОКВариант 1 Вариант 2
Источник: https://slide-share.ru/ehlektricheskij-tok-v-metallakh-dejstviya-ehlektricheskogo-toka-sila-toka-101396
§ 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
- Как объяснить, что в обычных условиях металл электрически нейтрален?
- Что происходит с электронами металла при возникновении в нём электрического поля?
- Что представляет собой электрический ток в металле?
- 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: http://www.tepka.ru/fizika_8/34.html
8 класс. Электрическая цепь. Электрический ток в металлах — Класс!ная физика
Назад в «Оглавление» — смотреть
Электрическая цепь
1. Каково назначение источника тока в электрической цепи?
Назначение источников электрического тока — это поставлять электрическую энергию потребителям (приемникам) электрической энергии.
2. Какие приёмники, или потребители, электрической энергии вы знаете?
К потребителям электрической энергии относятся всевозможные электроприборы, электродвигатели, лампы, плитки, зарядные устройства, электрические звоноки, электрические кухонные плиты, электросварочные аппараты и т. д.
3. Из каких частей состоит электрическая цепь?
Основные элементы электрической цепи: — источник тока, — приемники тока, — замыкающие устройства,
— соединительные провода.
4. Какую электрическую цепь называют замкнутой; разомкнутой?
Замкнутая электрическая цепь содержит только проводники электрического тока, по ней может протекать электрический ток. Разомкнутая электрическая цепь не может проводить электрический ток. Причиной этого может быть разомкнутый выключатель, оборванные провода, неисправные, перегоревшие подключенные электроприборы.
