Електричний струм у металах. Урок 11 клас

Клас 11

Тема: Електричний струм у металах.

Основні положення електронної теорії провідності

Мета: Формувати в учнів знання про радіоактивність, історію відкриття, складові радіоактивного випромінювання та їх властивості; розвивати логічне мислення, науковий світогляд, навички творчо-дослідницької роботи; виховувати почуття колективізму, відповідальне ставлення до уроку, зацікавленість фізикою та технікою, старанність, охайність.

Тип: Засвоєння нових знань.

Форма проведення: Урок-проект.

Обладнання і посібники: роздаткові картки з теоретичним матеріалом, схеми дослідів, ватман, кольорові олівці, кольоровий папір, клей, маркери заготовка шкали, опитувальник, стікери.

Хід уроку:

1. Організаційна частина.

2. Активізація пізнавальної діяльності учнів. Пропонуємо учням назвати слова асоціації до словосполучення «електричний струм»

3. Мотивація навчальної діяльності.

«Академік В. А. Амбарцумян у 14 років закінчив університет. Математик Еваріст Галуа в 21 рік у ніч перед дуеллю сформулював найважливіші математичні принципи. Сергій Рахманінов у 19 років написав оперу «Алеко».

Ви вже прожили 14, 15, 16 років і ще майже нічого не зробили. А вам треба буде створювати єдину теорію поля, запускати космічні кораблі до зірок, розкрити багато таємниць.

Ви не вмієте здобувати знання, ви не завжди навіть знаєте, що хочете знати, а до навчання ставитесь інколи, як до сумної необхідності.

Стійте! Схаменіться! Втрачати даремно роки – найкращі з вашого життя – це злочин. В ім’я майбутніх професій і звершень – у бій за знання!»

Отже, ви дійсно багато чого знаєте з даної теми. Але на сьогоднішньому уроці більш детально ознайомимося з історією даного явища, а при вивченні подальших тем дізнаємося більш глибоко й про ті поняття, яки ви сьогодні називали. Тому тема нашого уроку: «Електричний струм у металах. Основні положення електронної теорії провідності».

4. Організаційний момент.

Об’єднання в групи, розподіл завдань для роботи, визначення назви групи, розподіл обов’язків.

5. Вивчення нового матеріалу.

Самостійна робота учнів у групах.

Запропонований матеріал:

І група:

Дослід Рікке

Німецький фізик К. Рікке в 1901 р. здійснив цікавий дослід. Три попередньо зважених циліндри (два мідні та один алюмінієвий) Рікке склав відшліфованими торцями так, що алюмінієвий виявився між мідними. Потім циліндри було включено в коло постійного струму, через них протягом року проходив великий струм (струм, що живить міську трамвайну лінію). За цей час крізь циліндри пройшов електричний заряд, що дорівнює наближено 3,5млн.кл. Повторне зважування з точністю до 0,03мг показало, що маса циліндрів у результаті дослідів не змінилась. При дослідженні торців, що дотикалися ,під мікроскопом не було виявлено проникнення одного металу в інший. Результати досліду свідчили, що в перенесенні заряду в металах іони не беруть участь.

ІІ група:

Дослід Мандельштама - Папалексі

Для з’ясування природи носіїв струму в металах Л.І. Мандельштам та Н.Д. Папалексі провели в 1913 р. оригінальний дослід. Леонід Ісаакович Мандельштам (22 квітня (4 травня) 1879  27 листопада 1944)  радянський фізик, академік АН СРСР (з 1929). Нагороджений Ленінською премією (1931), Сталінською премією (1942). На честь вченого названо кратер на зворотній стороні Місяця.

Папалекси Микола Дмитрович (20 листопада (2 грудня) 1880  3 лютого 1947), радянський фізик, академік АН СРСР (1939; член-корреспондент 1931). Премія ім. Д. И. Мендєлєєва (1936), Державна премія СРСР (1942). Нагороджено орденом Ленина.              Ідея досліду зводилась до того, щоб виявити електричний струм при несподіваній зупинці провідника, що швидко рухається. Якщо металеве осердя рухається поступально зі швидкістю -υ, то й носії струму в результаті їх взаємодії з кристалічною градкою рухаються також із швидкістю – υ. При різкому гальмуванні стержня носії струму будуть продовжувати рухатися по інерції. Тому в замкнутому колі з’явиться короткочасний струм, який можна виявити за допомогою гальванометра. За напрямком цього струму можна визначити знак рухомих зарядів. Л.І. Мандельштам та Н.Д. Папалексі здійснили такий дослід таким чином. Дротяна котушка Ĺ, кінці якої було з’єднано з телефонною трубкою Т, здійснювала швидкі обертальні коливання навколо своєї осі. При цьому в колі з’являється змінний струм, що викликає звук у телефонній трубці. Цей дослід підтвердив існування інерційного руху носіїв заряду в провіднику.

ІІІ група:

Дослід Стюарта - Толмена

У 1916 р. дослід, аналогічний досліду Мандельштама-Папалексі, провели американські фізики Т. Стюарт та Річард Чейз Толмен. Стюарт (Stuart) Бальфур (1 листопада 1828–19 грудня 1887) Шотландський фізик, член Лондонського королівського товариства (1862). Нагороджено медаллю Б. Румфорда (1868). Котушка з великою кількістю витків тонкої дротини приводилася в швидке обертання навколо її осі (загальна довжина витків обмотки складала приблизно 500 м, а лінійна швидкість руху провідника досягала 300 м/с). Кінці обмотки було приєднано до чутливого гальванометра за допомогою довгих гнучких провідників. Після розкручування котушки її різко гальмували спеціальним пристроєм. При цьому в колі виникав короткочасний струм, причому напрямок струму відповідав напрямку інерційного руху негативно заряджених частинок. У цих дослідах було визначено відношення заряду до маси носіїв заряду. Знаючи заряд електрона, можна було визначити масу частинок. Вона виявилася порядку 10-30кг, що в декілька тисяч разів менше маси іона. Таким чином, результати досліду свідчили про те, що носіями струму могли бути лише електрони.

ІV група:

 Основи електронної теорії електропровідності металів

Німецький фізик П. Друде в 1900 р., спираючись на уявлення про електричний струм у металах як впорядкований рух вільних електронів між іонами кристалічної градки під дією зовнішнього електричного поля, створив  теорію електропровідності металів. Пауль Друде Карл Людвиг (12 липня 1863  5 липня 1906)  німецький фізик. Член Берлінської АН, професор Лейпцизького (з 1894), Гісенського (з 1900) и Берлінського (з 1905) університетів. Редактор журналу «Annalen der Physik» с 1900. В основу цієї теорії покладено такі припущення:

1) вільні електрони в металах поводять себе як молекули ідеального газу; «електронний газ» підкоряється законам ідеального газу;

2) рух вільних електронів у металі підкоряється законам класичної механіки Ньютона;

3) вільні електрони в процесі їх хаотичного руху зіштовхуються не між собою (як молекули ідеального газу), а з іонами кристалічної градки;

4) при зіткненнях електронів з іонами електрони передають іонам свою кінетичну енергію повністю.

Звичайно, ці припущення огрублюють істинну картину явища, але, не дивлячись на це, на основі електронної теорії вдалося пояснити основні закони електричного струму в металах.

V група:

Швидкість впорядкованого руху електронів

Спираючись на основи електронної теорії, знайдемо зв’язок між швидкістю впорядкованого руху електронів в металі і силою струму. Якщо за час Т через попередній переріз провідника S проходить N  електронів, то заряд, що пройшов за цей час, дорівнює

Q = e N,

де е – заряд електрона.

За час t через поперечний переріз S провідника пройдуть усі електрони, що знаходяться від цього перерізу на відстані, що не перевищує

d= (υ) t,

де ( υ ) - середня швидкість впорядкованого руху електронів. Отже,

N = n V,

де n – концентрація вільних електронів (число вільних електронів в одиниці об’єму провідника), V  об’єм тієї частини провідника, яка обмежена перерізами, що знаходяться один від одного на відстані d.

Очевидно, що    V= S d = S (υ) t .

Враховуючи ці співвідношення, виразимо силу струму

Звідси

Припустимо, що по мідному провіднику перерізом 1 мм² тече струм 1А. Якщо на кожен атом міді припадає один вільний електрон, то концентрація вільних електронів буде дорівнювати концентрації атомів, тобто складе величину порядку 10²⁹ м ^-3.

Підставивши значення величин e, n та S, отримаємо

Таким чином, швидкість упорядкованого руху електронів, складає десяті долі міліметра на секунду! Для порівняння оцінимо швидкість хаотичного руху електронів у металі. За основним рівнянням молекулярно-кінетичної теорії, яке можна застосувати  також до електронного газу, маємо

Звідси

Підставляючи значення величин (К=1,38 × 10^-23 Дж/К, m_e= 9,1×10^-31 кг), знаходимо, що при температурі Т= 300 К, відповідній до 270 С.

Отриманий результат говорить про те, що швидкість хаотичного руху

електронів у металах приблизно в мільярд разів більше швидкості їх упорядкованого руху.

Це означає, що електричний струм неправильно уявляти собі як простий, строго впорядкований рух електронів уздовж провідника. Під дією електричного поля електрони, рухаючись хаотично, поступово зміщуються по провіднику, здійснюючи загалом, як говорять, дрейфуючий рух.

6. Захист проектів.

Виступ учнів на запропоновану тему, запитання інших груп, тощо.

7. Закріплення вивченого матеріалу проходить у вигляді запитань і відповідей між групами.

8. Підсумок (обговорення та виставлення оцінок). Отже, на сьогоднішньому уроці ви дізналися про розвиток науки щодо вивчення даного питання. На подальших уроках ми більш детально ознайомимося з особливостями протікання електричного струму в інших середовищах. А тепер кожен з вас нехай, залежно від того на скільки сподобалась вам наша робота, розмістить свій стікер біля відповідної позначки шкали.

1    2    3    4    5    6    7    8    9    10

9. Домашнє завдання.

Опрацювати §___, підібрати цікаві данні з біографій вчених.