Меню

Класс электрический ток в металлах полупроводниковые приборы



Электрический ток в металлах

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

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

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

Схема опыта Толмена и Стюарта

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

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

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

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

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

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

По современным данным модуль заряда электрона (элементарный заряд) равен

а его удельный заряд есть

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

Предположение о том, что за электрический ток в металлах ответственны электроны, возникло значительно раньше опытов Толмена и Стюарта. Еще в 1900 году немецкий ученый П. Друде на основании гипотезы о существовании свободных электронов в металлах создал электронную теорию проводимости металлов. Эта теория получила развитие в работах голландского физика Х. Лоренца и носит название классической электронной теории. Согласно этой теории, электроны в металлах ведут себя как электронный газ, во многом похожий на идеальный газ. Электронный газ заполняет пространство между ионами, образующими кристаллическую решетку металла (рис. 1.12.2).

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

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

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

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

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

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

или

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

а удельное сопротивление ρ и удельная проводимость ν выражаются соотношениями:

Закон Джоуля-Ленца.

К концу свободного пробега электроны под действием поля приобретают кинетическую энергию

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

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

Это соотношение выражает закон Джоуля-Ленца.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Читайте также:  Особенности источников переменного тока

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

Источник

Физика. 10 класс

Конспект урока

Физика, 10 класс

Урок 32. Электрический ток в металлах

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) прохождение тока в металлах;

2) зависимость сопротивления металлов от температуры;

3) явление сверхпроводимости.

Глоссарий по теме

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

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

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

Основная и дополнительная литература по теме урока:

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

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

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

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

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

Основное содержание урока

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

Какие заряженные частицы движутся в металлах при наличии тока?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

зависимость сопротивления металлов от температуры выражается формулой:

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

Формула зависимости удельного сопротивления металлического проводника от температуры имеет вид:

где ρ0 — удельное сопротивление при 0 градусов,

α — температурный коэффициент сопротивления.

Графиком зависимости ⍴(t) является прямая.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Разбор типовых тренировочных заданий

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

Зависимость сопротивления металлов от температуры определяется формулой

Из этой формулы выразим температурный коэффициент железа – α

После подстановки числовых данных получаем

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

Сила тока в проводнике равна:

Выразим скорость из этой формулы:

Концентрацию электронов найдем по формуле:

Число электронов найдём по формуле:

Площадь сечения равна:

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

Источник

Презентация по физике на тему «Электрический ток в металлах»

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В МЕТАЛЛАХ Презентация разработана преподавателем КС и ПТ К.

Описание презентации по отдельным слайдам:

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В МЕТАЛЛАХ Презентация разработана преподавателем КС и ПТ Каракашевой И.В. Санкт – Петербург 2016

Цели урока: Образовательные: познакомить учащихся с проводимостью металлов и ее техническим использованием; раскрыть понятие физической природы электрического тока в металлах; продолжить формирование естественно-научных представлений по изучаемой теме; создать условия для формирования познавательного интереса; расширить научно-технический кругозор учащихся Развивающие: создать условия для развития коммуникативных навыков; создать условия для развития аналитических способностей учащихся, умения анализировать, сопоставлять, сравнивать , обобщать, делать выводы; создать условия для развития памяти, внимания, воображения Воспитательные: способствовать развитию умения отстаивать свою точку зрения; способствовать развитию культуры взаимоотношений при работе в коллективе

Что называется металлом? Самое известное из ранних определений металла было дано в середине XVIII века М.В. Ломоносовым: “Металлом называется светлое тело, которое ковать можно. Таких тел только шесть: золото, серебро, медь, олово, железо и свинец”. Спустя два с половиной века многое стало известно о металлах. К числу металлов относится более 75% всех элементов таблицы Д. И. Менделеева, и подобрать абсолютно точное определение для металлов – почти безнадежная задача.

В1900 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 (1904 г.) и носит название классической электронной теории. Она дала простое и наглядное объяснение большинства электрических и тепловых свойств металлов. Пауль Друде Карл Людвиг — немецкий физик Хендрик Антон Лоренц- голландский физик Классическая электронная теория

Движение электронов подчиняется законам классической механики. Электроны друг с другом не взаимодействуют. Электроны взаимодействуют только с ионами кристаллической решётки, взаимодействие это сводится к соударению. В промежутках между соударениями электроны движутся свободно. Электроны проводимости образуют «электронный газ», подобно идеальному газу. «Электронный газ» подчиняется законам идеального газа. При любом соударении электрон передаёт всю накопленную энергию. Основные положения теории

Металл обладает кристаллической решеткой, в узлах которой находятся положительные ионы, колеблющихся около положения равновесия, и свободных электронов, способных перемещаться по всему объему проводника (электронный газ, подчиняющийся законам идеального газа ) Строение металла

Средняя скорость теплового движения электронов при комнатной температуре составляет примерно 105 м/с. Строение металла В металле в отсутствие электрического поля электроны хаотически движутся и сталкиваются, чаще всего с ионами кристаллической решетки.

Читайте также:  Что называют силой тока какова ее единица

Электрический ток в металлах Под действием электрического поля свободные электроны начинают упорядоченно перемещаться между ионами кристаллической решетки. Электрический ток протекает по проводнику благодаря наличию в нем свободных электронов, сорвавшихся с атомных орбит

Электрический ток в металлах Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение электронов под действием электрического поля. При протекании тока по металлическому проводнику переноса вещества не происходит, следовательно, ионы металла не принимают участия в переносе электрического заряда. Это было подтверждено в опытах немецкого физика Э.Рикке в 1901 году.

Опыты Э.Рикке В этих опытах электрический ток 0,1 А пропускали в течении года через три прижатых друг к другу, хорошо отшлифованных цилиндра. Общий заряд, прошедший за это время через цилиндры, превысил 3,5 МК. После окончания было установлено, что имеются лишь незначительные следы взаимного проникновения металлов, не превышающие результатов обычной диффузии атомов в твёрдых телах. Измерения показали, что масса каждого из цилиндров осталась неизменной. Поскольку массы атомов меди и алюминия существенно отличаются друг от друга, то масса цилиндров должна была бы заметно измениться, если бы носителями заряда были ионы. Следовательно, свободными носителями заряда в металлах являются не ионы. Огромный заряд, который прошёл через цилиндры, был перенесён, очевидно, такими частицами, которые одинаковы и в меди, и в алюминии.

Экспериментальное доказательство существования свободных электронов в металлах Экспериментальное доказательство того, что ток в металлах создается свободными электронами, было дано в опытах Л.И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси (1913 г., результаты не были опубликованы), а также опытах Т. Стюарта и Р. Толмена (1916 г.). Л.И. Мандельштам 1879—1949 Н. Д. Папалекси 1880—1947 Т. Стюарт

Катушка, соединенная с телефоном, раскручивалась вокруг своей оси в разные стороны и резко тормозилась. Если электроны и вправду обладают массой, то, когда катушка внезапно останавливается, электроны еще некоторое время должны двигаться по инерции. Движение электронов по проводу — электрический ток, и телефон должен издавать звук. Раз в телефоне слышен звук, следовательно, через него ток протекает. Но никакие измерения и количественные расчеты в этих опытах не были произведены. Опыт Л.И.Мандельштама и Н.Д.Папалекси (1912 г.)

Опыт Т.Стюарта и Р.Толмена 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. Раскрученная катушка резко тормозилась, и в цепи возникал кратковременных ток, обусловленный инерцией носителей заряда. Полный заряд, протекающий по цепи, измерялся по отбросу стрелки гальванометра.

Опыт Т.Стюарта и Р.Толмена Направление тока свидетельствовало о том, что он обусловлен движением отрицательно заряженных частиц. Измеряя заряд, проходящий через гальванометр за все время существования тока в цепи, Т.Стюарт и Р.Толмен определили экспериментально удельный заряд частиц. Он оказался равным

Вольт – амперная характеристика металлов Электрический ток в металлах Носители заряда – электроны Проводимость – электронная Проводник, по которому течет ток, нагревается. Проводник, по которому течет ток, оказывает магнитное действие на окружающие тела.

Зависимость сопротивления проводника от температуры Сопротивление — это физическая величина, характеризующая способность проводника противодействовать установлению электрического тока в нем. Удельное сопротивление – это сопротивление цилиндрического проводника единичной длины и единичной площадью поперечного сечения. При нагревании размеры проводника меняются мало, а в основном меняется удельное сопротивление.

Зависимость сопротивления проводника от температуры Удельное сопротивление проводника зависит от температуры: где ро — удельное сопротивление при 0 градусов, t — температура, α — температурный коэффициент сопротивления

Зависимость сопротивления проводника от температуры Для металлических проводников с ростом температуры увеличивается удельное сопротивление, увеличивается сопротивление проводника и уменьшается электрический ток в цепи. Сопротивление проводника при изменении температуры можно рассчитать по формуле: R = Ro ( 1 + α t ), где Ro — сопротивление проводника при 0 градусов Цельсия t — температура проводника α — температурный коэффициент сопротивления

Применение тока в металлах Передача электроэнергии от источника к потребителям В электродвигателях и генераторах В нагревательных приборах

Противоречия классической электронной теории 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 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 соотношение в то время как из эксперимента получается зависимость ρ

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

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 температурах порядка нескольких кельвинов удельное сопротивление многих металлов перестает зависеть от температуры и достигает некоторого предельного значения. В 1911 г. нидерландский ученый Гейке Камерлинг-0ннес обнаружил, что при понижении температуры ртути до 4,1 К ее удельное сопротивление скачком уменьшается до нуля. (1853— 1926) Гейке Камерлинг -0ннес, нидерландский ученый

Сверхпроводимость При некоторой определенной температуре Tкр, различной для разных веществ, удельное сопротивление скачком уменьшается до нуля. Это явление называется сверхпроводимостью. Материалы, обнаруживающие способность переходить при некоторых температурах, отличных от абсолютного нуля, в сверхпроводящее состояние, называются сверхпроводниками. Зависимость удельного сопротивления ρ от абсолютной температуры T при низких температурах: a – нормальный металл; b – сверхпроводник

Сверхпроводимость Г. Камерлинг-Оннес был удостоен Нобелевской премии по физике 1913 г. «за исследования свойств вещества при низких температурах». В дальнейшем было выяснено, что более 25 химических элементов — металлов при очень низких температурах становятся сверхпроводниками. Самая низкая температура у вольфрама — 0,012 К, самая высокая у ниобия — 9 К. Сверхпроводимость наблюдается не только у чистых металлов, но и у многих химических соединений и сплавов и некоторых полупроводников. При этом сами элементы, входящие в состав сверхпроводящего соединения, могут и не являться сверхпроводниками. Например, NiBi, Au2Bi, PdTe, PtS и другие. В то же время такие «хорошие» проводники, как медь и серебро, не становятся сверхпроводниками при низких температурах.

Сверхпроводимость Первое теоретическое объяснение сверхпроводимости было дано в 1935 году братьями Фрицем и Хайнцем Лондоном. Более общая теория была построена в 1950 году Л. Д. Ландау и В. Л. Гинзбургом. Однако эти теории не раскрывали детальные механизмы сверхпроводимости. Впервые сверхпроводимость получила объяснение на микроскопическом уровне в 1957 году в работе американских физиков Джона Бардина, Леона Купера и Джона Шриффера. Центральным элементом их теории, получившей название теории БКШ, являются так называемые куперовские пары электронов. Позднее было установлено, что сверхпроводники делятся на два больших семейства: сверхпроводников I типа (к ним, в частности, относится ртуть) и II типа(которыми обычно являются сплавы разных металлов). В открытии сверхпроводимости II типа значительную роль сыграли работы А. А. Абрикосова в 1950-е.

Сверхпроводимость В 1962 году английским физиком Брайаном Джозефсоном был открыт эффект, получивший его имя. В 1986 году Карл Мюллер и Георг Беднорц открыли новый тип сверхпроводников, получивших название высокотемпературных. В начале 1987 года было показано, что соединения лантана, стронция, меди и кислорода (La—Sr—Cu—O) испытывают скачок сопротивления практически до нуля при температуре 36 К. В начале марта 1987 года был впервые получен сверхпроводник при температуре, превышающей температуру кипения жидкого азота (77,4 К): было обнаружено, что таким свойством обладает соединение иттрия, бария, меди и кислорода (Y—Ba—Cu—O).

Сверхпроводимость В 1988 году было создано керамическое соединение (смесь оксидов таллия, кальция, бария и меди ) с критической температурой 125 К. В 2003 году было открыто керамическое соединениюеHg—Ba—Ca—Cu—O(F), критическая температура для которого равна 138 К. Более того, при давлении 400 кбар то же соединение является сверхпроводником при температурах до 166 К. В 2015 году был установлен новый рекорд температуры, при которой достигается сверхпроводимость. Для H2S (сероводород) при давлении 100 ГПа был зафиксирован сверхпроводящий переход при температуре 203 К (-70°C).

Свойства сверхпроводников Так как сопротивление в сверхпроводимости отсутствует, то не происходит выделения тепла при прохождении через проводник электрического тока. Это свойство сверхпроводников широко используется. Для каждого сверхпроводника существует критическое значение силы тока, которое можно достигнуть в проводнике, не нарушая его сверхпроводимости. Это происходит потому, что при прохождении силы тока, вокруг проводника создается магнитное поле. А магнитное поле разрушает сверхпроводящее состояние. Поэтому сверхпроводники невозможно использовать для получения сколь угодно сильного магнитного поля. При прохождении энергии через сверхпроводник не происходит её потерь. Одним из направлений исследований современных физиков, является создание сверхпроводящих материалов при комнатных температурах.

Сверхпроводимость В настоящее время известно свыше 500 чистых элементов и сплавов, обнаруживающих свойство сверхпроводимости. По своему поведению в достаточно сильных магнитных полях они подразделяются на сверхпроводники 1-го и 2-го рода. Сверхпроводники I рода полностью вытесняют магнитное поле. К сверхпроводникам 1 рода относятся все элементы-сверхпроводники, кроме Nb и V, и некоторые сплавы.

Одним из главных отличий сверхпроводников от идеальных проводников является эффект Мейснера, открытый в 1933 году, т.е. полное вытеснение не слишком сильного магнитного поля из материала при переходе в сверхпроводящее состояние. В толще сверхпроводника магнитное поле ослабляется до нуля, сверхпроводимость и магнетизм можно назвать как бы противоположными свойствами. Эффект Мейснера

Гроб Мухаммеда — опыт, демонстрирующий этот эффект в сверхпроводниках. По преданию, гроб с телом пророка Магомета висел в пространстве без всякой поддержки, поэтому этот опыт называют экспериментом с «магометовым гробом». Отталкиваясь от неподвижного сверхпроводника, магнит всплывает сам и продолжает парить до тех пор, пока внешние условия не выведут сверхпроводник из сверхпроводящей фазы. В результате этого эффекта магнит, приближающийся к сверхпроводнику, «увидит» магнит обратной полярности точно такого же размера, что и вызывает левитацию. Эффект Мейснера

Сверхпроводимость Сверхпроводники II рода допускают наличие сверхпроводимости и сильного магнитного поля одновременно. К сверхпроводникам 2 рода относятся, в основном, сплавы и композитные материалы (NbTi, Nb3Ge и др.), а также Nb и V. В таких сверхпроводниках магнитное поле вызывает появление тонких нитей нормального металла, пронизывающих образец, каждая из которых несёт квант магнитного потока (вихри Абрикосова). Вещество же между нитями остаётся сверхпроводящим. Поскольку в сверхпроводнике II рода нет полного эффекта Мейснера, сверхпроводимость существует до гораздо больших значений магнитного поля Hc2.

Читайте также:  Ксенон переменного или постоянного тока

Реакция на примеси Введение примеси в сверхпроводник уменьшает резкость перехода в сверхпроводящее состояние. В нормальных металлах ток исчезает примерно через 10-12 с. В сверхпроводнике ток, может циркулировать годами (теоретически 105 лет!).

Применение сверхпроводимости Создание мощных электромагнитов со сверхпроводящей обмоткой (создают магнитное поле без затрат электроэнергии). Сверхпроводящие магниты используются в ускорителях элементарных частиц, магнито- и гидродинамических генераторах, преобразующих энергию струи раскаленного ионизированного газа, движущегося в магнитном поле, в электрическую энергию.

Применение сверхпроводимости Применение сверхпроводящих кабелей для доставки электричества ( один тонкий подземный кабель способен передавать мощность, которая требует создания цепи линии электропередач с несколькими более толстыми кабелями). Проблемы, возникающие при этом,- стоимость кабелей и их обслуживания (через сверхпроводящие линии необходимо постоянно прокачивать жидкий азот). Первая коммерческая сверхпроводящая линия электропередачи была запущена в эксплуатацию фирмой American Superconductor на Лонг-Айленде в Нью-Йорке в конце июня 2008 года.

Применение сверхпроводимости Использование для сверхскоростных железных дорог принципа магнитной подвески и сверхпроводящих магнитов. Железнодорожный путь представляет собой полосу из уложенных перпендикулярно движению металлических стержней, в которых наводится управляемая с помощью компьютера волна тока, бегущая под вагоном и перед ним. Взаимодействие тока с магнитным полем одновременно тянет вагон вперед и поддерживает просвет между дном вагона и дорогой. Первое испытание опытного поезда, использующего ВТСП-магниты, состоялось в Японии 7 декабря 2005 года. Поезд развил скорость более 500 км/ч

Применение сверхпроводимости Вихри в сверхпроводниках второго рода можно использовать в качестве ячеек памяти ЭВМ и элементов квантового компьютера. Важное применение находят миниатюрные сверхпроводящие приборы-кольца — сквиды, действие которых основано на связи изменения магнитного потока и напряжения ( входят в состав сверхчувствительных магнитометров, измеряющих магнитное поле Земли и используемых в медицине). Сверхпроводники применяются для формирования изображения в приборах медицинской диагностики ( магнитные сканеры и магнитные резонаторы). Явление зависимости температуры перехода в сверхпроводящее состояние от величины магнитного поля используется в криотронах — управляемых сопротивлениях.

Домашняя работа Ф.10 §§ 108,109 Выполнить задания на стр.361

Источник

Урок физики по теме «Электрический ток в металлах». 11-й класс

Класс: 11

Презентация к уроку

Назад Вперёд

Загрузить презентацию (341,5 кБ)

— раскрыть понятие физической природы электрического тока в металлах, опытное подтверждение электронной теории;

— продолжить формирование естественно-научных представлений по изучаемой теме

— создать условия для формирования познавательного интереса, активности учащихся

— формированию коммуникативного общения.

Оборудование: интерактивный комплекс SMART Board Notebook, локальная сеть компьютеров, интернет.

Метод ведения урока: комбинированный.

Науку все глубже постигнуть стремись,
Познанием вечного жаждой томись.
Лишь первых познаний блеснет тебе свет,
Узнаешь: предела для знания нет.

Фирдоуси
(Персидский и таджикский поэт, 940-1030 гг.)

II. Работа в группах

III. Обсуждение итогов, монтаж презентации

V. Домашнее задание

— Здравствуйте, ребята! Садитесь. Сегодня наша работа будет проходить по группам.

I. Физическая природа зарядов в металлах.

III. Опыт Стюарта, Толмена. Опыт Мандельштама, Папалекси.

IV. Теория Друде.

V. Вольт-амперная характеристика металлов. Закон Ома.

VI. Зависимость сопротивления проводников от температуры.

Содержание заданий, выполненных в группах.

1. Электрическая проводимость представляет собой способность веществ проводить электрический ток под действием внешнего электрического поля.

По физической природе зарядов – носителей электрического тока, электропроводность подразделяют на:

2. Для каждого вещества при заданных условиях характерна определенная зависимость силы тока от разности потенциалов.

По удельному сопротивлению вещества принято делить на:

А) проводники (p -2 Ом*м)

Б) диэлектрики (p > 10 -8 Ом*м)

В) полупроводники (10 -2 Ом*м> p>10 -8 Ом*м)

Однако такое деление условно, т. к. под воздействием ряда факторов (нагревания, облучения, примеси) удельное сопротивление веществ и их вольт — амперная характеристика изменяются, и иногда очень существенно.

3. Носителями свободных зарядов в металлах являются электроны. Доказано классическими опытами К. Рикке (1901 г.) – немецкий физик; Л.И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси (1913 г.) – наши соотечественники; Т. Стюартом и Р. Толменом (1916 г.) – американские физики.

Три предварительно взвешенных цилиндра (два медных и один алюминиевый) Рикке сложил отшлифованными торцами так, что алюминиевый оказался между медными. Затем цилиндры были включены в цепь постоянного тока: через них в течение года проходил большой ток. За то время через электрические цилиндры прошел электрический заряд, равный приблизительно 3.5 млн Кл. Вторичное взаимодействие цилиндров, проводившееся с до 0.03 мг, показало, что масса цилиндров в результате опыта не изменилась. При исследовании соприкасавшихся торцов под микроскопом было установлено, что имеются лишь незначительные следы проникновения металлов, которые не превышают результатов обычной диффузии атомов в твердых телах. Результаты опыта свидетельствовали о том, что в переносе заряда в металлах ионы не участвуют.

Опыт Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси

Русские ученые Л. И. Мандельштам (1879—1949; основатель школы радиофизиков) и Н. Д. Папалекси (1880—1947; крупнейший советский физик, академик, председатель Всесоюзного научного совета по радиофизике и радиотехнике при АН СССР) в 1913 году поставили оригинальный опыт. Взяли катушку с проводом и стали крутить ее в разные стороны.

Раскрутят, к примеру, по часовой стрелке, потом резко остановят и — назад.

Рассуждали они примерно так: если электроны и вправду обладают массой, то, когда катушка внезапно останавливается, электроны еще некоторое время должны двигаться по инерции. Движение электронов по проводу — электрический ток. Как задумали, так и получилось. Подсоединили к концам провода телефон и услышали звук. Раз в телефоне слышен звук, следовательно, через него ток протекает.

Опыт Т. Стюарта и Р. Толмен

Возьмём катушку, которая может вращаться вокруг своей оси. Концы катушки с помощью скользящих контактов замкнуты на гальванометр. Если находящуюся в быстром вращении катушку резко затормозить, то свободные электроны в проволоке продолжат двигаться по инерции, в результате чего гальванометр должен зарегистрировать импульс тока.

Электроны в металле рассматриваются как электронный газ, к которому можно применить кинетическую теорию газов. Считается, что электроны, как и атомы газа в кинетической теории, представляют собой одинаковые твердые сферы, которые движутся по прямым линиям до тех пор, пока не столкнутся друг с другом. Предполагается, что продолжительность отдельного столкновения пренебрежимо мала, и что между молекулами не действует никаких иных сил, кроме возникающих в момент столкновения. Так как электрон — отрицательно заряженная частица, то для соблюдения условия электронейтральности в твердом теле также должны быть частицы другого сорта — положительно заряженные. Друде предположил, что компенсирующий положительный заряд принадлежит гораздо более тяжелым частицам (ионам), которые он считал неподвижными. Во времена Друде не было ясно, почему в металле существуют свободные электроны и положительно заряженные ионы, и что эти ионы из себя представляют. Ответы на эти вопросы смогла дать только квантовая теория твердого тела. Для многих веществ, однако, можно просто считать, что электронный газ составляют слабо связанные с ядром внешние валентные электроны, которые в металле «освобождаются» и получают возможность свободно передвигаться по металлу, тогда как атомные ядра с электронами внутренних оболочек (атомные остовы) остаются неизменными и играют роль неподвижных положительных ионов теории Друде.

Электрический ток в металлах

Все металлы являются проводниками электрического тока и состоят из пространственной кристаллической решетки, узлы которой совпадают с центрами положительных ионов, а вокруг ионов хаотически движутся свободные электроны.

Основные положения электронной теории проводимости металлов.

  1. Металл можно описать следующей моделью: кристаллическая решетка ионов погружена в идеальный электронный газ, состоящий из свободных электронов. У большинства металлов каждый атом ионизирован, поэтому концентрация свободных электронов приблизительно равна концентрации атомов 10 23 — 10 29 м -3 и почти не зависит от температуры.
  2. Свободные электроны в металлах находятся в непрерывном хаотическом движении.
  3. Электрический ток в металле образуется только за счет упорядоченного движения свободных электронов.
  4. Сталкиваясь с ионами, колеблющимися в узлах кристаллической решетки, электроны отдают им избыточную энергию. Вот почему при прохождении тока проводники нагреваются.

Электрический ток в металлах.

Где v – средняя скорость направленного движения заряженных частиц, S – площадь поперечного сечения проводника, n – концентрация электронов проводимости.

Оценка скорости движения свободных электронов в проводнике при S= 1 м , I = 10 A

Отметим, что скорость распространения тока в проводнике равна скорости распространения электромагнитных волн в вакууме c = 3*10 8

Из закона Ома для участка цепи следует, что вольт-амперная характеристика металлов – прямая линия

Напомним, что , где p – удельное сопротивление, l – длина, S – площадь поперечного сечения проводника.

s)

Явление уменьшения удельного сопротивления до нуля при температуре, отличной от абсолютного нуля, называется сверхпроводимостью. Материалы обнаруживающие способность переходить при некоторых температурах, отличных от абсолютного нуля, в сверхпроводящее состояние, называются сверхпроводниками.

Прохождение тока в сверхпроводнике происходит без потерь энергии, поэтому однажды возбужденный в сверхпроводящем кольце электрический ток может существовать неограниченно долго без изменения.

Сверхпроводящий материалы уже используются в электромагнитах. Ведутся исследования, направленные на создание сверхпроводящих линий электропередачи.

Применение явления сверхпроводимости в широкой практике может стать реальностью в ближайшие годы благодаря открытию в 1986 г. Сверхпроводимости керамик – соединений лантана, бария, меди и кислорода. Сверхпроводимость таких керамик сохраняется до температур около 100 К.

Молодцы, ребята! С работой справились отлично. Получилась хорошая презентация. Спасибо за урок!

Литература.

  • Горбушин Ш.А. Опорные конспекты для изучения физики за курс средней общеобразовательной школы. – Ижевск “Удмуртия”, 1992.
  • Ланина И.Я. Формирование познавательных интересов учащихся на уроках физики: Книга для учителя. – М.: Просвещение, 1985.
  • Урок физики в современной школе. Творческий поиск учителей: Книга для учителя /Сост. Э.М.Браверман/ Под редакцией В.Г. Разумовского.- М.: Просвещение, 1993
  • Дигелев Ф.М. Из истории физики и жизни ее творцов: Книга для учащихся.- М.: Просвещение, 1986.
  • Карцев В.Л. Приключения великих уравнений.- 3-е издание – М.: Знание, 1986. (Жизнь замечательных идей).
  • Источник