1-й семестр

ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

2. Электрический ток

УРОК 8/19

Тема. Электрический ток в металлах

Цель урока: ознакомить учащихся с природой электрического тока в металлах.

Тип урока: комбинированный урок.

ПЛАН УРОКА

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Природа электрического тока в металлах

Классическая электронная теория так объясняет различия свойств проводников и диэлектриков: в одних телах есть свободные носители зарядов, которые могут перемещаться в разных направлениях, а в других телах носители электрических зарядов связаны и могут лишь немного смещаться в ту или иную сторону.

Среди твердых тел встречаются тела, одинаковые по химическому составу, но различные по электрическим свойствам (например, алмаз и графит). Электрические свойства зависят, очевидно, от типа связи атомов в твердых телах.

Между атомами в кристаллах существует ковалентная связь, при котором электроны слабо удерживаются ионами кристаллической решетки. Эти так называемые свободные электроны проводимости могут создавать ток в металле. Таким образом, структуру металла можно представить себе как ионный остов, помещенный в электронный газ. Представление о электронный газ - это некоторая приближенная модель явления, в которой допускаются известные упрощения.

В основу классической электронной теории положены следующие положения:

• свободные электроны в металле ведут себя как молекулы идеального газа; «электронный газ подчиняется законам идеального газа, к которому применимы все положения МКТ;

• движение электронов происходит по законам классической механики Ньютона;

• взаимодействие электронов друг с другом не учитывается.

2. Экспериментальное доказательство существования свободных электронов в металлах

Природа носителей зарядов в металлах доказана классическими опытами Рікке, МандельштаммаПапалекси и Тольман-Стюарта.

Опыт Рікке позволяет сделать вывод, что ток в металлах осуществляют не ионы, а электроны.

Прямые доказательства электронной природы тока в металле дали опыты Мандельштамма-Папалекси (1913) и Тольман-Стюарта (1916).

В этих опытах было установлено отношение заряда электрона к его массе:

что соответствует установленному ранее из других опытов.

3. Скорость дрейфа электронов

Движение электронов в электрическом поле - результат сочетания двух движений: хаотического тепловой и направленного под действием электрического поля.

Обозначим скорость дрейфа . Очевидно, что именно эта скорость . определяет силу тока. Чем больше эта скорость, тем больше электронов пройдет через поперечное сечение проводника за единицу времени.

Оценим величину средней скорости дрейфа. Для этого рассмотрим металлический проводник с площадью поперечного сечения S. За некоторый промежуток времени t через это сечение успеют пройти все электроны, которые находятся от него на расстоянии, не превышающем vt. Эти электроны находятся в мысленно выделенном объеме, равном:

Если концентрация свободных электронов в этом металле равна n, то число их в объеме V равна nV. За время t они перенесут заряд q = enV.

Следовательно, сила тока в проводнике:

Таким образом, сила тока пропорциональна средней скорости дрейфа электронов.

Вычислим среднюю скорость направленного движения электронов в медном проводнике (концентрация 9 · 1028 м-3) площадью поперечного сечения 1 мм2 при силе тока 10 А:

Эта скорость в миллиарды раз меньше скорости теплового движения электронов, для меди имеет значение около 1000 км/с.

4. Зависимость сопротивления проводника от температуры

Из опытов легко установить, что сопротивление металлов зависит от температуры. При нагревании проводника его геометрические размеры меняются в незначительной степени. Сопротивление проводника изменяется в основном за счет изменения его удельного сопротивления:

где ρ0, ρ - удельные сопротивления проводника соответственно при температуре T0 = 273 К и при данной температуре T; - температурный коэффициент сопротивления.

Температурный коэффициент сопротивления - физическая величина, характеризующая зависимость сопротивления вещества от температуры и численно равен относительному изменению удельного сопротивления вещества при нагревании его на 1 К:

Для чистых металлов

5. Явление сверхпроводимости

1911 г. голландский ученый Камерлинг-Оннес открыл явление сверхпроводимости. Если в замкнутом проводнике, который находится в сверхпроводящем состоянии, создать электрический ток, то ток в проводнике будет существовать без поддержки источника тока неограниченное время.

Эти и другие свойства сверхпроводников открывают широкие возможности их применения в технике и промышленности. Только создание сверхпроводящих линий электропередач сэкономит 10-15 % электроэнергии.

Сейчас ученые работают над получением надпровідниковиіх материалов, сохраняющих свои свойства при комнатной температуре. Высокотемпературная сверхпроводимость, открытая в 1986 г., должно привести к новой технической революции в электротехнике, радиотехнике, конструировании ЭВМ.

ВОПРОС К УЧАЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. Как показать, что одни тела являются проводниками, а другие - непровідниками?

2. Как движутся электроны проводимости в металлическом проводнике, когда в нем: а) нет электрического поля; б) создано электрическое поле?

3. Почему, несмотря на малую скорость упорядоченного движения электронов в металлическом проводнике, приборы в сети начинают действовать одновременно?

Второй уровень

1. Чем объяснить большую концентрацию электронов проводимости в металлах?

2. Как скорость направленного движения электронов в металлическом проводнике зависит от напряжения на концах проводника?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Качественные вопросы

1. Или движутся заряженные частицы в проводнике, когда по нему не идет ток?

2. Во всем круге электрический ток течет от положительного к отрицательному полюсу источника тока?

2). Учимся решать задачи

1. Электрическая цепь состоит из источника тока, міліамперметра, сопротивление которого 20 Ом и реостата, изготовленного из железного провода. При температуре 0 °С миллиамперметр показывает 30 мА. Сопротивление реостата при этой температуре равно 200 Ом. Какими будут показания міліамперметра, если реостат нагреется на 50 °С? Температурный коэффициент сопротивления железа составляет 6 · 10-3 К-1. Внутренним сопротивлением источника, а также изменением сопротивления міліамперметра и соединительных проводов вследствие нагревания пренебречь.

Решения. К нагрев реостата сила тока по закону Ома для полной цепи равна После нагрева реостата - Здесь Окончательно получаем:

Определяем значение искомой величины:

Ответ: показания міліамперметра 24 мА.

2. До какой температуры надо охладить медный провод, чтобы его сопротивление уменьшился на 20 °%? Начальная температура равна 0 °С.

3. Найдите скорость v упорядоченного движения электронов в медном проводе (считайте, что на каждый ион меди приходится два электрона проводимости) с площадью поперечного сечения S = 0,5 мм2 при силе тока I = 2,5 А.

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

• В основу классической электронной теории положены следующие положения:

- свободные электроны в металле ведут себя как молекулы идеального газа; «электронный газ подчиняется законам идеального газа, к которому применимы все положения МКТ;

- движение электронов происходит по законам классической механики Ньютона;

- взаимодействие электронов друг с другом не учитывается.

• Сила тока в проводнике пропорциональна средней скорости дрейфа электронов:

• Сопротивление проводника изменяется в основном за счет изменения его удельного сопротивления:

• Температурный коэффициент сопротивления - физическая величина, характеризующая зависимость сопротивления вещества от температуры и численно равен относительному изменению удельного сопротивления вещества при нагревании его на 1 К:

Домашнее задание

1. Подр-1: § 13; подр-2: конспект.

2. Подр-1: впр. 13 (№ 1, 2, 3).