Урок 60. Електричний струм у металах (Урок)

8клас

Урок 60

Електричний струм у металах

Мета уроку:

навчальна:

• розширити та поглибити знання учнів про електричний струм у металах;
• з’ясувати природу носіїв заряду в металах;
• переконатись, що опір металів залежить від температури;
• увести поняття надпровідності металів;
• показати практичну значущість набутих знань в побуті та техніці;

розвивальна:

• розвивати фізичну компетентність учнів, уважність, кмітливість, обізнаність;
• розвивати логічне мислення учнів та показати практичну значущість отриманих знань;
• формувати пізнавальну компетентність учнів, інтерес до вивчення фізики;

виховна:

• виховувати такі якості особистості, як відповідність, організованість, дисциплінованість, обов’язок;
• виховувати культуру наукового мислення та мовлення.

Тип уроку: комбінований урок

Прилади та матеріали: навчальна презентація.

Хід уроку

І. Організаційний момент

ІІ. Актуалізація опорних знань та вмінь

Прийом «Мозковий штурм»

В основному  метали – це речовини у твердому стані.

• Назвіть особливості будови металів, руху і взаємодії частинок, з яких вони складаються?
• Що називають електричним струмом? (напрямлений рух заряджених частинок)
• Якими фізичними величинами характеризують електричний струм?( сила струму, напруга, опір)
• За яких умов починає існувати та підтримується певний час електричний струм у провіднику? ( Умови існування струму:1. Наявність вільних носіїв заряду.2. Наявність електричного поля. 3. Замкнене електричне коло)
• Укажіть напрямок електричного струму. (За напрямок струму прийнято вважати напрямок, у якому рухався б позитивний заряд.)
• Які дії спричиняє електричний струм? (теплова, хімічна, магнітна дія струму та  фізіологічна дія електричного струму на організм)
• Що таке кристалічна гратка? (закономірне розташування частинок (атомів, молекул та йонів) у кристалах на певних відстанях. називають кристалічною ґраткою.)

• Які це частинки в металах, рідинах, газах?

ІІІ. Мотивація навчальної діяльності учнів

З провідністю металів пов’язане широке застосування електричної енергії в житті людини, бо всі без винятку метали добре проводять електричний струм.

Сьогодні на уроці ми дізнаємось про природу струму в металах, особливості протікання струму металевими провідниками.

IV. Вивчення нового матеріалу

1. Електричний струм в металах

Метал  - кристал, у вузлах якого розташовані позитивні іони, а між ними хаотично рухаються вільні електрони.

Розглянемо внутрішню будову металевих провідників.

У будь-якому металі частина електронів покидає свої місця в атомі, у результаті чого атом перетворюється на позитивний йон. Позитивні йони та нейтральні атоми в металах розміщуються у строгому порядку, утворюючи так звані кристалічні ґратки.

За відсутності електричного поля вільні електрони всередині металевого провідника рухаються хаотично у вигляді електронного газу. У будь-який момент часу швидкості руху різних електронів відрізняються значенням і напрямом. Траєкторією руху електронів є довільні ламані

Негативний заряд усіх вільних електронів за абсолютним значенням дорівнює позитивному заряду всіх йонів кристалічних ґраток. Тому за звичайних умов металевий провідник електрично нейтральний.

• Які електричні заряди рухаються під дією електричного поля в металевих провідниках?

Природа носіїв зарядів у металах доведена класичними дослідами Рікке.

У 1899 р. німецький фізик-експериментатор Карл Рікке на трамвайній підстанції у Штутгарті вмикав у головний провід, яким подавалося живлення трамвайним лініям, послідовно три металевих циліндри, тісно притиснутих один до одного торцями: два крайніх - мідних, а середній - алюмінієвий. Через ці циліндри понад рік проходив електричний струм. У результаті точного зважування до експерименту та після експерименту виявилося, що дифузія в металах не відбулася: у мідних циліндрах не було атомів алюмінію, і навпаки.

Таким чином Рікке довів, що під час проходження провідником електричного струму йони не переміщуються, а в різних металах переміщуються лише електрони.

Досвід Рікке дозволяє зробити висновок, що струм у металах здійснюється не іонами, а електронами.

Перегляд відео «Рух електронів у металах»

• Як рухаються вільні електрони?

За відсутності у провіднику електричного поля електрони рухаються хаотично, подібно до того, як рухаються молекули газів або рідин. У будь-який момент часу швидкості руху різних електронів відрізняються значенням і напрямком. За наявності у провіднику електричного поля електрони, зберігаючи свій хаотичний рух, починають зміщуватися в напрямку позитивного полюса джерела. Разом з безладним рухом електронів виникає і їх упорядкований рух.

Електричний струм у металах (металевих провідниках) – це напрямлений рух електронів під дією електричного поля.

2. Історична довідка «Досліди Толмена і Стюарта»

Прямі свідчення електронної природи струму в металі дали досліди, ідея яких належить російським ученим Мандельштаму і Папалексі, а також американським вченим Стюарту і Толмену. Перші виконали його в 1913 році, другі в 1916 році.

У досвіді котушка розкручувалася і різко зупинялася. Підключений до неї телефон (а в другому випадку гальванометр) фіксував появу струму в момент зупинки. Він виникав внаслідок інертності електронів. При зупинці вони продовжували деякий час рухатися і створювали струм. Напрямок струму говорило про те, що це негативні заряди рухаються. Тонкі дослідження дозволили визначити відношення маси частинок до їх заряду. Виявилося, що це електрони. Так було доведено, що струм у металах це спрямований рух електронів.

В основу класичної теорії провідності металів покладено такі положення:

1. Усі метали мають кристалічну будову. У вузлах кристалічної ґратки містяться йони металу, які здійснюють тепловий рух біля положень рівноваги.
2. У просторі між йонами хаотично рухаються електрони, сукупність яких називають електронним газом. Електронний газ утворюється електронами, що порівняно слабко зв’язані з атомними ядрами. У середньому кожен атом металу втрачає один електрон, тобто кількість електронів провідності в одиниці об’єму металу дорівнює кількості атомів в одиниці об’ємі.
3. Унаслідок хаотичного руху електронів у разі відсутності електричного поля в металі немає переважного напряму переміщення зарядів.
4. Під дією електричного поля електрони починають напрямлено рухатися між йонами, що містяться у вузлах кристалічної ґратки, утворюючи електричний струм.

У результаті досліджень вдалось оцінити швидкість упорядкованого руху електронів у металевому провіднику. Це значення має порядок 10⁴ м/с. Як видно, це дуже мале значення. З практики відомо, що всі електроприлади, увімкнені в коло, починають працювати відразу після замикання кола, хоч би на якій відстані від перемикача вони розміщувалися. Звідси випливає, що швидкість поширення електричного струму в провіднику і швидкість впорядкованого руху електронів у ньому — це не одне й те саме!

Згідно з електронною теорією тепловий рух електронів не припиняється ніколи, тому електрони з величезними швидкостями рухаються в усіх напрямках. У разі створення на кінцях провідника електричного поля, на електрони починає діяти електрична сила, яка спричинює їх повільне зміщення в напрямку електричного поля. А швидкість поширення самого електричного поля в провіднику  становить близько 300 000 км/с.

Ми вже знаємо, що при проходженні електричного струму по провіднику виділяється певна кількість тепла.

• Як ви вважаєте чи залежить провідність металів від температури самого провідника?

3. Залежність опору металів від температури

Проведемо дослід

З’єднаємо сталеву спіраль із джерелом струму й підігріватимемо її в полум’ї спиртівки. Напругу будемо підтримувати незмінною. Дослід демонструє: у міру нагрівання спіралі сила струму в ній зменшується, а це означає, що опір спіралі зростає. Якщо провести подібні досліди зі спіралями, виготовленими з інших речовин, можна переконатися, що зі збільшенням температури опір цих спіралей також збільшується, але зміна опору кожного разу буде іншою.

Висновок: опір металевого провідника збільшується в разі підвищення температури та зменшується в разі її зниження. Зміна опору залежить від матеріалу, з якого виготовлений провідник.

Знаючи, як залежить опір металевого провідника від температури, можна, вимірявши опір провідника, визначити його температуру. Цей факт покладено в основу роботи так званих термометрів опору.

Датчик (найчастіше платиновий дріт) розміщують у середовищі, температуру якого необхідно виміряти. Опір дроту вимірюється спеціальним приладом, і за відомим опором визначають температуру середовища. На практиці шкалу приладу відразу градуюють в одиницях температури.

4. Надпровідність

• Чи можна зробити так, щоб електричний струм в провіднику протікав без втрат?

У 1911 р. нідерландський учений Г. Камерлінг-Оннес, досліджуючи, як поводиться ртуть за температур, близьких до абсолютного нуля (-273°С), помітив дивне явище: в разі зниження температури ртуті до 4,15 К (-269 °С) її питомий опір стрибком падає до нуля. Подібне відбувалося з оловом, свинцем та іншими металами. Це явище назвали надпровідністю.

Надпровідність – властивість багатьох провідників, що полягає в тому, що їх електричний опір стрибком падає до нуля при охолоджуванні нижче певної критичної температури.

Надпровідність неможливо пояснити з погляду елементарної електронної провідності металів. У 1957 р. група американських учених і незалежно від них радянський учений М. М. Боголюбов розробили квантову теорію надпровідності.

Найбільш широке реальне застосування надпровідність знаходить при створенні великих електромагнітних систем, бульбашкових водневих камер, великих прискорювачів елементарних частинок. В останні роки явище надпровідності все більш широко використовується при розробці турбогенераторів, електродвигунів, уніполярних машин, топологічних генераторів, жорстких і гнучких кабелів, комутаційних і струмообмежуючих пристроїв, магнітних сепараторів, транспортних систем, накопичувачах енергії, трансформаторів, двигунах та ін.

V. Застосування і закріплення вмінь та знань учнів

Бесіда

• Яка будова металевого провідника?
• Що є носієм заряду в металевих провідниках?
• Чи супроводжується перенесенням речовини проходження електричного струму через металевий провідник?
• Чому за звичайних умов будь-який шматок металу є електрично нейтральним?
• Як довести, що електричний струм у металах виникає внаслідок руху електронів, а не руху йонів? Опишіть відповідний дослід.
• Як рухаються електрони у провіднику за відсутності в ньому електричного поля і за наявності його?
• Що являє собою електричний струм у металах?
• Чи залежить опір металів від температури? Якщо залежить, то як?
• У чому полягає явище надпровідності?

Завдання

1. Коли опір волоска нитки розжарення лампочки більший – при кімнатній температурі чи у робочому стані? (Відповідь: у робочому стані)
2. Коли електрична лампочка споживає велику потужність: відразу після включення її в мережу або через декілька хвилин. (Відповідь: Спіраль лампочки декілька хвилин розігрівається, і її опір збільшується,  відповідно, споживча потужність становить менше, ніж при включенні, так як потужність обернено пропорційна опору:

3. У коло через амперметр увімкнена електропіч. Як зміниться показ амперметра, якщо подути на спіраль холодним повітрям? (Відповідь: амперметр покаже збільшення електричного струму.)

Задача

У металевому провіднику завдовжки 10 см і з площею поперечного перерізу

0,4 см² тече струм силою 80 А. Якою є середня швидкість напрямленого руху електронів у провіднику, якщо в кожному кубічному сантиметрі провідника міститься 2,5·10²² вільних електронів?

VI. Підсумок уроку

Що ми дізналися на уроці:

• Електричний струм у металах (металевих провідниках) — це впорядкований рух електронів під дією електричного поля, яке створює джерело електричного струму.
• Будь-який провідник чинить опір електричному струму.
• Під час зіткнення електрони передають іонам енергію, накопичену в електричному полі, що призводить до нагрівання провідника.
• Швидкість поширення електричного струму в провіднику і швидкість упорядкованого руху електронів у ньому — це не одне й те саме: швидкість упорядкованого руху електронів за наявності електричного поля — 10⁴ м/с; а швидкість поширення самого електричного поля в провіднику — близько 300 000 км/с.

VІІ. Домашнє завдання

1. Опрацювати § 36.

2. Вправа № 36 (2,3)

3. Повідомлення за темою: «Використання явища надпровідності.  Створення нових надпровідних матеріалів»