Электрический ток в металлах обусловлен движением. Применение электрического тока в металлах

Тема. Электрический ток в металлах

Цели урока: сформировать понятие о природе электрического тока в металлах и его направлении; выяснить, какие действия способен совершать электрический ток; показать практическую направленность изучаемого материала; формировать научно-материалистическое мировоззрение, развивать логическое мышление, формировать представление о процессе научного познания; вырабатывать умение слушать и быть услышанным, прививать культуру умственного труда, воспитывать чувства гордости и уважения к людям, внесшим вклад в развитие науки

Тип урока: урок усвоения новых знаний

Ход урока

Организационный момент в виде слайд – шоу под стихотворение В. Шефнера

Я еще не устал удивляться

Чудесам, что есть на земле, -

И компьютеру на столе.

Самолеты летят сквозь тучи,

Ходят по морю корабли, -

Как до этих вещей могучих

Домечтаться люди смогли?

Как придумать могли такое,

Что кассета нам песню поет,

Что на кнопку нажмешь рукою –

И средь ночи день настает.

Я вверяю себя трамваю,

Я гляжу на экран кино.

Эту технику понимая,

Изумляюсь я все равно.

Ток по проволоке струится,

Спутник ходит по небесам…

Человеку стоит дивиться

Человеческим чудесам.

Актуализация опорных знаний

Что такое электрический ток?

Перечислите условия существования электрического тока.

Какие вещества называют проводниками электричества?

Что такое источник тока? Каково его назначение?

Изложение нового материала

Все металлы являются проводниками электрического тока и в твердом состоянии имеют кристаллическое строение.

Из курса химии вам известно, что валентные электроны в металлах легко покидают свой атом и становятся свободными. В узлах кристаллической решётки металлов расположены положительные ионы, а в пространстве между ними движутся электроны. Электроны не связаны с ядрами своих атомов и движутся беспорядочно, поэтому их называют свободными. В свою очередь, свободные электроны в металлах называют электронным газом.

В металлах электронная проводимость

Отрицательный заряд всех свободных электронов по абсолютному значению равен положительному заряду всех ионов решётки. Поэтому в обычных условиях металл электрически нейтрален.

Если в металлах создать электрическое поле, то свободные электроны продолжат двигаться хаотически и будут смещаться в сторону положительного полюса источника тока. Затем движение электронов становится направленным и возникает электрический ток.

Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение свободных электронов

Опыт русских учёных Мандельштама и Папалекси, проведенный ими в 1913 году, экспериментально показал, что проводимость металлов обусловлена движением свободных электронов.

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 по установлению природы тока в металлах.

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 металлический проводник привести в быстрое движение, а затем резко остановить, то, когда катушка внезапно останавливается, электроны еще некоторое время должны двигаться по инерции. В результате в проводнике возникнет кратковременный ток, который можно зафиксировать гальванометром. По отклонению стрелки прибора можно установить знак заряда движущихся частиц, а по отношению заряда частиц к их массе – установить, какие именно частицы создают ток.

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 Мандельштама и Папалекси в 1916 году повторили американские ученые Толмен и Стюарт. Они тоже крутили катушку, но вместо телефона к ее концам подсоединили прибор для измерения заряда. Им удалось измерить массу частицы. Данные Толмена и Стюарта потом много раз проверялись и уточнялись другими учеными, и теперь вы знаете, что масса электрона

m e = 9, 1 ∙ 10 -31 кг

Удельный заряд электрона, то есть заряд, приходящийся на единицу массы,

Скорость движения самих электронов в проводнике под действием электрического поля мала (несколько мм в секунду).

Но почему при замыкании электрической цепи лампочка загорается практически мгновенно?

Оказывается электрическое поле распространяется с огромной скоростью (близкой к с = 300 000 км/с) по всей длине проводника. Под действием электрического поля в упорядоченное движение приходят свободные электроны, находящиеся не только в подводящих проводниках, но и в спирали самой лампы.

Поэтому, когда говорят о скорости распространения электрического тока в проводнике, то имеют в виду скорость распространения по проводнику электрического поля.

Основные характеристики тока в металлах (проводниках):

а) сила тока в проводнике

I = envS где e = 1,6 ∙ 10 -19 Кл – модуль

заряда электрона

n – концентрация электронов

v ≈ 10 4 - c редняя скорость

электронов

S - площадь поперечного

сечения проводника

б) вольт-амперная характеристика (зависимость силы тока в

проводнике от напряжения)

I =

в) зависимость сопротивления проводника от температуры

В опыте, о котором мы сегодня говорили, после остановки проводника направленное движение частиц быстро прекращается, потому что проводник оказывает току сопротивление. Сопротивление металлического проводника зависит не только от его геометрических размеров и вещества, но и от температуры. Это можно подтвердить таким опытом. Если соединить стальную спираль с источником тока и постепенно нагревать её, то при постоянном напряжении сила тока будет уменьшаться. Это говорит о том, что сопротивление спирали возрастает.

R = R 0 (1 + t ) где R 0 – сопротивление до

нагревания

- изменение температуры

α -температурный коэффициент

сопротивления

Если провести этот же опыт с другими спиралями, то можно заметить, что при увеличении температуры сопротивление этих спиралей тоже увеличивается, но его изменение будет другим.

Зная, как зависит сопротивление металлического проводника от температуры, измеряв сопротивление, можно определить температуру проводника. Этот факт положен в основу работы так называемых термометров сопротивления.

Вопрос учащимся:

Где применяется электрический ток в металлах? (Проводники для передачи электроэнергии на расстояние, сердечник трансформатора для преобразования электрической энергии, трубы для предотвращения коррозии, спираль лампы для освещения, спираль ТЭНа для нагрева, и т. д.)

Работа с учебником (стр. 103 п.3)

В чём заключается явление сверхпроводимости?

Итог урока

Каков характер движения электронов в металлах при отсутствии электрического поля?

А при наличии электрического поля?

Что представляет собой электрический ток в металлах?

Как была доказана природа электрического тока в металлах?

От чего зависит сопротивление металлов?

На данном уроке мы познакомимся с тем, почему возникает электрический ток в металлах, поясним, почему металлы являются хорошими проводниками. Кроме того, изучим действия электрического тока и его направление. Мы рассмотрим эксперимент Рикке, подтверждающий то, что металлический проводник практически не меняется при протекании по нему электрического тока, выясним, какие действия тока больше всего используются человеком в технике и быту, а также поймём, почему направление тока не совпадает с направлением движения электронов.

Тема: Электрические явления

Урок: Электрический ток в металлах. Действия электрического тока. Направление тока

На предыдущих уроках мы изучили практически все понятия, связанные с возникновением электрического тока: электрические заряды, электрическое поле, источники тока, простейшие электрические цепи и электрические схемы. Теперь нам предстоит выяснить, как течёт электрический ток в металлах, какие действия оказывает электрический ток, а также направление тока.

Металлы, как мы выяснили из экспериментов на предыдущих уроках, хорошо проводят электрический ток. Для того чтобы пояснить этот факт, зададимся вопросом: а что же такое металлы?

Металлы, как правило, - это поликристаллические вещества (состоящие из множества кристаллов) (Рис. 1, 2).

Рис. 2. Структура железа ()

То есть, в металлах мы имеем дело с упорядоченной структурой атомов: каждый атом находится на своём конкретном месте.

Как мы уже знаем, вокруг ядра атомов движутся электроны.

Что же даёт возможность появления свободных электрических зарядов?

Дело в том, что дальние электроны (те, которые находятся на самых удалённых от ядра орбитах) довольно слабо связаны с ядром. Поэтому они могут довольно легко переходить от одного атома к другому. Такое беспорядочное движение электронов чем-то напоминает электронный газ. Если внутри металла нет электрического поля, то движение этих свободных электронов чем-то напоминает движение поднятого в воздух роя мошкары в летний день (Рис. 3).

Рис. 3. Движение электронов внутри металлического проводника ()

Всё изменяется, когда внутри металла появляется электрическое поле. Электрическое поле заставляет двигаться заряженные частицы. Ядра атомов остаются на месте, а вот электроны начинают упорядоченно двигаться.

Электроны, перескакивая от одного атома к другому, движутся в том направлении, куда им указывает электрическое поле. Это движение и называется электрическим током в металлах .

Мы знаем, что электрический ток - это направленное, упорядоченное движение заряженных частиц. В металлах в роли движущихся заряженных частиц выступают электроны . В других веществах это могут быть ионы или ионы и электроны.

Движение заряженных частиц (в металлах - электронов) происходит очень медленно (доли миллиметров в секунду). Возникает вопрос: почему же, когда мы нажимаем на выключатель, лампочка загорается практически мгновенно?

Дело в том, что внутри проводников с огромной скоростью (со скоростью света - приблизительно 300 000 километров в секунду) распространяется электрическое поле.

При замыкании цепи поле распространяется практически мгновенно. А уже вслед за полем начинают медленно двигаться электроны, причём сразу по всей цепи. Эту ситуацию можно сравнить с движением воды в водопроводе. Воду заставляет двигаться давление в трубах, которое при открытии крана распространяется практически мгновенно, заставляя «ближайшую» к крану воду выливаться. При этом по трубам движется вся вода под этим самым давлением. Получается, что давление - это аналог электрического поля, а вода - аналог электронов. Как только прекращается действие электрического поля, сразу прекращается упорядоченное движение электрических зарядов.

Возникает логичный вопрос: а не изменяется ли проводник из-за того, что из него «ушли» электроны? Опыт по подтверждению того, что все электроны одинаковые, был проведён немецким учёным Рикке (Рис. 4) тогда, когда на трамвайных линиях использовали три разных проводника: алюминиевый и два медных.

Рис. 4. Карл Виктор Рикке ()

Рикке в течение года наблюдал за последовательным соединением трёх проводников: медь + алюминий + медь. Поскольку ток в трамвайных линиях течёт довольно большой, то эксперимент позволял дать однозначный ответ: одинаковы ли электроны, которые являются носителями отрицательного заряда в разных проводниках.

За год масса проводников не изменилась, диффузии не произошло, то есть структура проводников осталась неизменной. Из этого следовал вывод, что электроны могут переходить из одного проводника в другой, но структура их при этом не изменится.

Поговорим теперь о том, какое действие оказывает электрический ток. За счёт чего он получил такое широкое применение в быту и технике?

Можно выделить три основных действия электрического тока:

1. Тепловое. При прохождении тока проводник нагревается. Это одно из самых главных действий тока, которое используется человеком. Самый простой пример - некоторые бытовые обогреватели (Рис. 5).

Рис. 5. Электрообогреватель ()

2. Химическое. Проводник может изменять химический состав при прохождении по нему тока. В частности, при помощи электрического тока добывают некоторые металлы в чистом виде, выделяя их из различных соединений. К примеру, таким образом получают алюминий (Рис. 6).

Рис. 6. Электролизный цех алюминиевого завода ()

3. Магнитное. Если по проводнику течёт ток, то магнитная стрелка вблизи такого проводника изменит своё положение.

Теперь поговорим о направлении электрического тока .

За направление электрического тока принимается направление движения положительных электрических зарядов.

Но только что мы говорили о том, что ток в металлах создают движущиеся электроны, которые имеют отрицательный заряд. Почему же возникает такое противоречие?

Когда возник вопрос о направлении электрического тока, ещё никто не знал о существовании электронов. Было решено считать, что ток движется в направлении движения положительных зарядов. Прошло время, учёные выяснили, что в металлах, в частности, движутся электроны, но было решено оставить всё в прежнем виде. Это связано с тем, что знак заряда нас практически не интересует, гораздо больше нас интересует само действие тока.

Движение электронов в проводнике противоположно направлению электрического поля (Рис. 7).

Рис. 7. Движение электронов в проводнике ()

На этом уроке мы выяснили, как течёт ток в металлах, узнали о действиях электрического тока, а также определили направление тока.

На следующем уроке мы начнём знакомиться с числовыми характеристиками тока.

Список литературы

1. Генденштейн Л. Э, Кайдалов А. Б., Кожевников В. Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В. А., Ройзена И. И. - М.: Мнемозина.
2. Перышкин А. В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А. А., Засов А. В., Киселев Д. Ф. Физика 8. - М.: Просвещение.

Дополнительные р екомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Фестиваль педагогических идей «Открытый урок» ().
2. Фестиваль педагогических идей «Открытый урок» ().

Домашнее задание

1. П. 34-36, вопросы 1-4, стр. 81, вопросы 1-7, стр. 83, вопросы 1-3, стр. 84. Перышкин А. В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
2. В каких устройствах используется тепловое действие тока? Магнитное действие?
3. Какие действия тока можно наблюдать, пропуская ток через морскую воду?

И вращающихся вокруг них электронов. Электроны притягиваются ядрами, и чтобы их «оторвать», требуется приложить некоторое усилие. В таком случае мы будем иметь положительно заряженное ядро и отрицательно заряженные электроны.

Получается, что чтобы в проводнике появился электрический ток, надо вырвать множество электронов из оков атомов и сопровождать их на всем пути действия тока, чтобы их не захватили новые атомы. Очевидно, что для этого потребуется довольно приличная сила. Однако, при возникновении электрического поля , ток начинает бежать в металлических проводниках без всякого усилия. Как же это получается? Какова природа электрического тока в металлах, что они могут беспрепятственно проводить ток практически без потерь?

Природа тока в металлах

Дело в том, что в металлах структура строения вещества такова, что частицы расположены в кристаллических решетках, образованных положительными ионами, то есть ядрами атомов. А отрицательные ионы, то есть электроны, свободно перемещаются между ядрами, не будучи связанными с ними. Заряд всех электронов в спокойном состоянии компенсирует положительный заряд ядер. Когда возникает действующее на электроны электрическое поле, они начинают двигаться в одном направлении по всей длине проводника.

Так образуется электрический ток в металлах. Скорость движения каждого конкретного электрона невелика - около нескольких миллиметров в секунду. Но скорость распространения электрического поля равна скорости света, около 300 000 км/с. Электрическое поле приводит в движение все электроны на своем пути, и ток распространяется в металлических проводах со скоростью света.

Действие электрического тока

С какой бы скоростью ни двигались электроны в металле, мы не можем увидеть это воочию - они слишком малы. Судить о наличии в проводнике тока, мы можем лишь по производимому им действию. Действие электрического тока может быть очень разнообразным. Тепловое действие тока проявляется в нагревании проводника. Это действие широко используется в электронагревательных приборах: чайниках, обогревателях, фенах.

Еще ток обладает химическим действием. В некоторых растворах при воздействии электрическим током выделяются различные вещества. Так добывают чистые вещества из солей и щелочей. Ток обладает также и магнитным действием. Причем магнитное действие тока проявляется всегда и в любых проводниках. Заключается магнитное действие тока в том, что вокруг проводника с током образуется магнитное поле. Это поле можно уловить и измерить. Для использования магнитного действия тока сооружают спиральные обмотки из изолированных проводов и пропускают по ним ток. Таким образом, концентрируют и усиливают магнитное действие тока и создают электромагниты.

Электричество и магнетизм вообще неразрывно связаны друг с другом. Самый простой пример: притягивание наэлектризованной расческой волос - есть не что иное, как магнитное действие электрического заряда. Человек очень активно использует магнитные свойства тока. От выработки электроэнергии, в которой преобразуют механическую энергию в электрическую с помощью магнитов, до конкретных электроприборов, производящих обратное преобразование электричества в механическую работу - везде используется магнитное действие тока.

Направление тока

За направление электрического тока в цепи принято направление движения положительных зарядов. А так как мы знаем, что двигается не положительный, а отрицательный заряд - электроны, то соответственно направление тока - это направление, в котором двигались бы положительные заряды, если бы они перемещались. Это направление, противоположное движению электронов.

Почему приняли такое направление? Дело в том, что когда-то не знали, за счет чего в реальности передается электрический заряд, но электричество использовали, и надо было создавать правила и законы для расчетов. И условно приняли за направление тока направление движения положительных зарядов. А когда разобрались, уже никто не стал переписывать заново законы и правила. Поэтому так и осталось. А куда конкретно двигаются электроны, учитывают в случае необходимости.

Нужна помощь в учебе?

Электри́ческая цепь совокупность устройств, предназначенных для протекания электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий ток и напряжениеэлектрического токатокнапряжение Изображение электрической цепи с помощью условных знаков называют электрической схемойэлектрической схемой

Все устройства и объекты, входящие в состав электрической цепи, могут быть разделены на три группы: 1) Источники электрической энергии (питания). Общим свойством всех источников питания является преобразование какого-либо вида энергии в электрическую. Источники, в которых происходит преобразование неэлектрической энергии в электрическую, называются первичными источниками. Вторичные источники – это такие источники, у которых и на входе, и на выходе – электрическая энергия (например, выпрямительные устройства). 2) Потребители электрической энергии. Общим свойством всех потребителей является преобразование электроэнергии в другие виды энергии (например, нагревательный прибор). Иногда потребители называют нагрузкой. 3) Вспомогательные элементы цепи: соединительные провода, коммутационная аппаратура, аппаратура защиты, измерительные приборы и т.д., без которых реальная цепь не работает.

Электрический ток в металлических проводниках это упорядоченное движение свободных электронов под действием электрического поля, создаваемого источником тока. Наиболее убедительное доказательство электронной природы тока в металлах было получено в опытах с инерцией электронов (опыт Толмена и Стьюарта): 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 гальванометром.

Электроли́т вещество, расплав или раствор, которое проводит электрический ток вследствие диссоциации на ионы. Примерами электролитов могут служить растворы кислот, солей и оснований. Электролиты проводники второго рода, вещества, которые в растворе (или расплаве) состоят полностью или частично из ионов и обладающие вследствие этого ионной проводимостью.веществорасплавраствор электрический токдиссоциацииионыкислотсолейоснованийпроводники Классификация Исходя из степени диссоциации все электролиты делятся на две группы Сильные электролиты электролиты, степень диссоциации которых в растворах равна единице (то есть диссоциируют полностью) и не зависит от концентрации раствора. Сюда относятся подавляющее большинство солей, щелочей, а также некоторые кислоты (HCl, HBr, HI, HNO 3). Слабые электролиты степень диссоциации меньше единицы (то есть диссоциируют не полностью) и уменьшается с ростом концентрации. К ним относят воду, ряд кислот, основания p-, d-, и f- элементов.водуp- элементов Между этими двумя группами четкой границы нет, одно и то же вещество может в одном растворителе проявлять свойства сильного электролита, а в другом слабого.

При действии электрического поля в металлическом проводнике кроме теплового движения возникает упорядоченное движение электронов (или дрейф),т.е. электрический ток. Скорость дрейфа электронов очень мала (0,6-6 мм/с).Мгновенное появление электрического тока в проводнике связано со скоростью распространения электрического поля равной км/с. 3

В течение года через цилиндры пропускался значительный электрический ток. За это время через них прошел заряд, равный примерно трем с половиной миллионам кулонов. Когда цилиндры разъединили и вновь определили их массы, выяснилось, что массы цилиндров не изменились. Это позволяет сделать вывод, что ток в металлах осуществляется частицами совершенно одинаковыми для меди и алюминия, т.е электронами. 4 Опыт Рикке

Опыт Папалекси и Мандельштама 5 Описание: Цель:Выяснить какова проводимость металлов. Установка:Катушка на стержне со скользящими контактами, присоединены к гальванометру. Ход эксперимента: Катушка раскручивалась с большой скоростью, затем резко останавливалась, при этом наблюдался отброс стрелки гальванометра. Вывод:Проводимость металлов- электронная.