Урок "Електричний струм у металах"

8 клас

Дата________________________

Тема: Електричний струм в металах.

Мета. Розширити та поглибити знання учнів про електричний струм у металах, з’ясувати природу носіїв заряду в металах, показати практичну значущість набутих знань в побуті та техніці; Розвивати фізичну компетентність учнів, обізнаність. формувати пізнавальну компетентність учнів, інтерес до вивчення фізики; Виховувати культуру наукового мислення та мовлення.

Тип уроку. Комбінований урок

Прилади та матеріали для роботи з учнями: навчальна презентація.

Хід уроку

І. ОРГАНІЗАЦІЙНИЙ ЕТАП

Аналіз контрольної роботи.

ІІ. АКТУАЛІЗАЦІЯ ОПОРНИХ ЗНАНЬ ТА ВМІНЬ

Ми вже знаємо, що:

Електричний струм – це напрямлений рух заряджених частинок.

Які це частинки в металах, рідинах, газах?

На сьогоднішньому уроці ми розглянемо, що таке електричний струм в металах.

IIІ. 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.

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

Питання класу

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 експеременту 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.

Питання класу

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.

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. Підключенный 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.

2. 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.

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.

Це пов'язано зі збільшенням швидкості коливання іонів, зменшенням часу між зіткненнями електронів з іонами, збільшенням числа цих зіткнень. Залежність опору від температури визначається за формулою ( R = ) . Аналогічна формула залежності питомого опору від температури, (ρ = ). У цих формулах

 α - температурний коефіцієнт опору. (Він показує  відносну зміну електричного опору провідника або питомого опору речовини при зміні температури  провідника  на 1 . )

Для ідеально чистих металів α = подібно коефіцієнтів в газових законах). Але при наявності найдрібніших домішки вже не дорівнює 1/273, а строго певне значення для різних металів. Для всіх речовин цей коефіцієнт розрахований і занесено до таблиці.

3. Надпровідність

Питання класу

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.

Згодом надпровідність було виявлено у багатьох інших металах. Метали, які мають  властивість надпровідності, практично не нагріваються при проходженні через них струму, а це дає можливість передавати енергію без втрат. Інтерес до явища надпровідності в сучасній науці значно зріс, оскільки в наш час відкрилися можливості її практичного застосування.

Тому інтенсивні дослідження про-должаются. Зараз надпровідники використовуються при створенні МГД-генераторів і в ряді інших випадків. Вдосконалення техніки добування рідкого гелію, що використовується для охолоджування, різко розширило можливість практичного використовування надпровідності. Вона послужила для створення могутніх електромагнітів  з надпровідною обмоткою й розв'язування проблеми передавання енергії по проводах без втрат.

Високотемпературна надпровідність, відкрита 1986 року, повинна привести до нової технічної революції в електротехніці, радіотехніці, конструюванні ЕОМ. Речовини у надпровідному стані мають надзвичайно цікаві властивості. Якщо в кільцевому провіднику, який перебуває в надпровідному стані, створити струм, а потім вимкнути джерело, сила цього струму не зміниться як завгодно довго. В одному з дослідів, проведених у 1954-1956 роках, струм у надпровідному свинцевому кільці циркулював понад 2,5 роки і при цьому не було відмічено зменшення сили струму. У ненадпровідному провіднику в цьому випадку струм швидко припиняється.

ІV. ПІДБИТТЯ ПІДСУМКІВ УРОКУ

Бесіда за питаннями

1. Яка будова металевого провідника?

2. Чому за звичайних умов будь-який шматок металу є електрично нейтральним?

3. Як довести, що електричний струм у металах виникає внаслідок руху електронів, а не руху йонів? Опишіть відповідний дослід.

4. Як рухаються електрони у провіднику за відсутності в ньому електричного поля і за наявності його?

5. Що являє собою електричний струм у металах?

6. Чи залежить опір металів від температури? Якщо залежить, то як?

7. У чому полягає явище надпровідності?

V. Застосування набутих знань

ОК – 27.

Завдання №210

У досліді Стюарта і Толмена котушка оберталась за годинниковою стрілкою, а потім була різко зупинена. Визначте напрямок електричного струму у котушці у момент зупинки (за годинниковою стрілкою чи проти).

Завдання №212

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: Спираль лампочки несколько минут розогревается, и ее сопротивление увеличивается, следовательно, потребляемая мощность становится меньше, чем при включении, так как мощность обратно пропорциональна сопротивлению:

3. У коло через амперметр увімкнена електропіч. Як зміниться показ амперметра, якщо подути на спіраль холодним повітрям?

Відповідь: амперметр покаже збільшення електричного струму.

Вправа 36. Підручник на с.198

4. У металевому провіднику завдовжки 10 см і з площею поперечного перерізу 0,4 тече струм силою 80 А. Якою є середня швидкість напрямленого руху електронів у провіднику, якщо в кожному кубічному сантиметрі провідника міститься 2,5 вільних електронів?

5. Визначте значення і знак заряду отриманого йона, якщо:

а) нейтральний атом міді втратив два електрони;

б) нейтральний атом хлору приєднав один електрон.

VІ. Домашнє завдання

1. Вивчити § 36, Вправа № 36 (1 - 3)

2. Доклад за темою: «Використання явища надпровідності.  Створення нових надпровідних маеріалів»