Презентація "Електричний струм в металах"

Електричний струм в металах11 клас

Електричний струм у металах У 1900 р., через три роки після відкриття електрона, німецький фізик Пауль Друде (1863–1906) запропонував електронну теорію провідності металів, відповідно до якої електрони в металах поводяться подібно до молекул ідеального газу. Зараз ця теорія має назву класична електронна теорія. Електричний струм у металах являє собою напрямлений рух вільних електронів.

Будова металів Розглянемо будову натрію. Останній (валентний ) електрон слабко притягуються до ядра через те, що:далеко розташований від ядра;10 попередніх електронів відштовхують одинадцятий. Тому останній електрон відривається від свого ядра та стає вільним.

Хаотичний рух електронів Вільні електрони беруть участь у хаотичному тепловому русі, переміщуються по всьому кристалу, утворюючи своєрідний електронний газ. Вважають, що вільні електрони мають властивості молекул ідеального газу вони не взаємодіють на відстані між собою і з іншими частинками металу, але під час свого руху можуть стикатися з іонами кристалічної решітки.

Тип зв’язку для металів Для металів характерний металічний тип зв’язку, суть якого полягає в тому, що атоми металів легко віддають зовнішні електрони, які переміщуються вільно по всій масі шматка металу. Атоми металів, що віддали електрони, стають позитивно зарядженими іонами. Останні притягують до себе електрони, що вільно рухаються. Одночасно інші атоми металу також віддають електрони. Отже, всередині шматка металу постійно циркулює «електронний газ», який міцно зв’язує між собою всі атоми металу. Такий особливий тип хімічного зв’язку обумовлює фізичні та хімічні властивості металів. Іони розміщуються шарами у певному порядку один відносно одного, утворюючи певний тип кристалічної решітки.

Німецький фізик Рікке в 1901р. провів такий дослід: Три попередньо зважені циліндри Рікке склав відшліфованими торцями так, що алюмінієвий опинився між мідними. Циліндри були ввімкнені в коло постійного струму: через них на протязі року протікав великий електричний струм (струм, який живив міську трамвайну мережу). За цей час через циліндри пройшов струм 3,5 млн. Кл. Повторне зважування циліндрів показало, що їх маси не змінилися. При дослідження торців під мікроскопом не було знайдено проникнення одного металу в інший. Результати досліду свідчили про те, що в перенесенні заряду в металах іони не приймають участі. Дослід Рікке.

Дослід Стюарта і Толмена На котушку намотаний дріт, кінці якого припаюють до двох металевих дисків, ізольованих один від одного. До країв дисків за допомогою ковзних контактів приєднують гальванометр. Котушку спочатку швидко обертають, а потім різко зупиняють. Після різкої зупинки вільні заряджені частинки деякий час рухаються відносно провідника за інерцією, і, отже, в котушці виникає електричний струм. Струм тече короткий час, бо внаслідок опору провідника заряджені частинки гальмуються, й упорядкований рух частинок, що утворюють струм, припиняється. Напрям струму показує, що він створений рухом від’ємно заряджених частинок.

Рух електронів у зовнішньому електричному полі У зовнішньому електричному полі рух електронів уже не буде цілком хаотичним: вони одержують додаткову швидкість спрямованого руху в напрямку позитивного полюса джерела струму. Електрони починають спрямовано переміщатися між іонами, що знаходяться у вузлах кристалічних решіток, і виникає електричний струм.

Швидкість руху електронів Середня швидкість хаотичного руху вільних електронів величезна — близько 300 км/с. Разом із тим середня швидкість їхнього напрямленого руху надзвичайно мала — кілька десятих міліметра за секунду. Чому ж, щойно ми натискаємо вмикач лампи, вона відразу спалахує? Річ у тім, що електричне поле поширюється в провіднику зі швидкістю 300 000 км/с. Завдяки дії поля вільні електрони, розташовані в будь-якій точці провідника, майже миттєво втягуються в напрямлений рух.І – сила струму;e – заряд електрона;n – концентрація носіїв заряду;υ – швидкість напрямленого руху електронів; S – площа поперечного перерізу провідника.υ=Іn|e|S 

Сила струму в металевих провідниках визначається за формулою:І – сила струму;e – заряд електрона;n – концентрація носіїв заряду;υ – швидкість напрямленого руху електронів; S – площа поперечного перерізу провідника. I = n|e| υ S

Чому виникає електричний опір у металах Під час руху електрони зіштовхуються з іонами кристалічних решіток. Ці зіткнення гальмують їх спрямований рух. Також, рухаючись під дією електричного поля, електрони набувають деяку кінетичну енергію. При зіткненні ця енергія частково передається іонам решітки, через що вони приходять в більш інтенсивний тепловий рух. Таким чином, при наявності струму весь час відбувається перехід енергії впорядкованого руху електронів (струму) в енергію хаотичного руху іонів та електронів, яка представляє собою внутрішню енергію тіла, а це означає, що внутрішня енергія металу збільшується. Цим пояснюється виділення теплоти, тобто нагрівання провідника.

Дослідне підтвердження залежності опору металу від температури. Під час нагрівання провідника. До нагрівання провідника. Оскільки зі збільшенням температури зростає швидкість коливального руху іонів у кристалічних решітках металу, то ймовірність зіткнень електронів з іонами різко зростає, тому в разі підвищення температури опір металів збільшується. R = R0(1+ αt)Графік залежності опору металів від температури

Температурний коефіцієнт електричного опору α – це фізична величина, яка характеризує залежність питомого опору речовини від температури. R = R0(1+ αt)ρ = ρ0(1+ αt)ρ0 – питомий опір провідника за температури 0°СR0 – опір провідника за температури 0°Сρ – питомий опір провідника за температури t. R – опір провідника за температури tα – температурний коефіцієнт електричного опору [α]=К-1

Явище надпровідності Ми знаємо, що із зниженням температури опір металевих провідників зменшується. У 1911 році голландський фізик Гейке Камерлінг-Оннес встановив, що при охолодженні ртуті в рідкому гелію її питомий опір спочатку зменшувався поступово, а при температурі 4,1 К різко спадав до нуля. Явище зменшення опору до нуля при температурі, відмінній від абсолютного нуля, називається надпровідністю. Згодом надпровідність було виявлено у свинцю, цинку, олова, алюмінію та інших металів, а також у деяких сплавах.

Дякую за увагу!