Електричний струм у металах.

Мета.

Освітня. З’ясувати особливості виникнення та протікання струму в металах. Встановити як електричний струм в металах залежить від різних факторів впливу: тиску, температури, які частинки є носіями електричного струму. Ввести поняття надпровідності.

Розвиваюча. Розвивати логічне та алгоритмічне мислення. Розширити кругозір учнів.

Виховна. Виховувати культуру наукового мислення та мовлення.

Тип уроку. Урок засвоєння нових знань.

Прилади та матеріали для роботи з учнями:

• Підручник. Фізика 8 клас, Бар'яхтар В. Г. Довгий С. О., видавництво "Ранок"  <<Читати онлайн>>
• Відео. Еелектричний струм у провіднику.(Час показу 0:58 хв.)
• Відео. Залежність опору провідника від температури (Час показу 3:01 хв)
• Відео. Пояснення надпровідності. (Час показу 1:21 хв.)

План

1. Актуалізація опорних знань.
2. Електричний струм у металах.
3. Запитання до уроку.
4. Домашнє завдання.
5. Перевір себе.
6. Для допитливих.

Хід уроку

1. Актуалізація опорних знань.

Перевірка домашнього завдання.

Самостійна робота: “Робота та потужність електричного струму. Теплова дія струму”.

2. Електричний струм у металах.

Електричний струм може існувати в металах, рідинах, газах та вакуумі.

Електричний струму у металах. Метали у твердому стані мають кристалічну будову. Частинки в кристалах розташовані в певному порядку, утворюючи просторову (кристалічну) ґратку. В будь-якому металі частина валентних електронів покидає свої місця в атомі, в результаті чого атом перетворюється в позитивний іон. У вузлах кристалічної решітки металу розташовані позитивні іони, а в просторі між ними рухаються вільні електрони (електронний газ), тобто не пов'язані з ядрами своїх атомів.

Негативний заряд усіх вільних електронів за абсолютним значенням дорівнює позитивному заряду всіх іонів решітки. Тому в звичайних умовах метал електрично нейтральний.

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

У 1899 р. К. Рікке на трамвайній підстанції у Штуттгарті включив в головний провід, що живить трамвайні лінії, послідовно один одному торцями три тісно притиснутих циліндра; два крайніх були мідними, а середній - алюмінієвим. Через ці циліндри більше року проходив електричний струм. Провівши ретельний аналіз того місця, де циліндри контактували, К. Рікке не виявив в міді атомів алюмінію, а в алюмінії - атомів міді, тобто дифузія не відбулася. Таким чином, він експериментально довів, що при проходженні по провідникові електричного струму іони не переміщаються. Отже, переміщуються одні лише вільні електрони, а вони у всіх речовин однакові.

Існування електронів провідності в металах було доведено вченими і в іншому досвіді. Якщо привести в швидке обертання дротяну котушку, а потім її різко зупинити, то в такому колі електровимірювальні прилади покаже наявність короткочасного струму, хоча в ланцюзі немає джерела струму. Це продовжували рухатися електрони провідності.

Отже, під дією електричного поля в металах носіями електричного струму є вільні електрони.

Якщо в провіднику немає електричного поля, то електрони рухаються хаотично, аналогічно тому, як рухаються молекули газів або рідин. У кожний момент часу швидкості різних електронів відрізняються по модулях і за напрямками. Якщо ж у провіднику створено електричне поле, то електрони, зберігаючи свій хаотичний рух, починають зміщуватися у бік позитивного полюса джерела. Разом з безладним рухом електронів виникає і упорядковане їх перенесення - дрейф. 

Хоча швидкість упорядкованого руху електронів у провіднику під дією електричного поля невелика - кілька міліметрів в секунду, а іноді і ще менше, рух електрично заряджених частинок у речовині провідників людське око не здатне спостерігати.

Як тільки в провіднику виникає електричне поле, воно з величезною швидкістю, близькою до швидкості світла у вакуумі (300 000 км/с), поширюється по всій довжині провідника. Одночасно з поширенням електричного поля всі електрони починають рухатися в одному напрямку по всій довжині провідника. Так, наприклад, при замиканні ланцюга електричної лампи у впорядкований рух приходять і електрони, наявні в спіралі лампи.

Коли говорять про швидкість поширення електричного струму в провіднику, то мають на увазі швидкість розповсюдження по провіднику електричного поля.

Електричний сигнал, посланий, наприклад, по проводах на відстань s = 8000 км, приходить у місце призначення приблизно через 0,03 с.

• Відео. Еелектричний струм у провіднику. (Час показу 0:58 хв.)

Залежність опору металевого провідника від температури. Намотаємо у вигляді спіралі декілька метрів тонкої (діаметром 0,1– 0,2 мм) залізної  дротини і ввімкнемо її в коло, яке містить батарею гальванічних елементів і амперметр. Опір дротини підберемо таким чином, щоб за кімнатної температури стрілка амперметра відхилялась практично на всю шкалу. Відмітимо покази амперметра та почнемо сильно нагрівати дротину з допомогою спиртівки. З плином часу ми побачимо, що по мірі нагрівання  струм в колі зменшується, а отже, опір дротини при нагріванні збільшується. Такий результат спостерігається не лише із залізом і вольфрамом, а й з іншими металами. Отже, при збільшенні температури опір металів збільшується.

• Демонстрація. Залежність опору провідника від температури (джерело струму лабораторне, з’єднувальні провідники, гальванометр-амперметр, спиртівка, сірники, штатив з муфтою і лапкою, спіраль)

• Відео. Залежність опору провідника від температури (Час показу 3:01 хв)

Пояснимо причину збільшення опору металів при нагріванні. Як відомо, електрони в металах приймають участь одночасно в двох рухах: тепловому та напрямленому. Оскільки температура – це міра інтенсивності теплового руху, то зі збільшенням температури кінетична енергія теплового руху електронів та вузлів кристалічної ґратки збільшується. Зі збільшенням кінетичної енергії збільшується і кількість зіткнень  вільних носіїв заряду з іонами, які знаходяться у вузлах кристалічної ґратки. Оскільки ці зіткнення і є причиною опору металів, то зі збільшенням кількості зіткнень і опір металів збільшується. Крім того, в процесі нагрівання відбувається теплове розширення провідника, в результаті чого змінюються його лінійні розміри. Оскільки довжина провідника на декілька порядків більша за площу перерізу, то і збільшення довжини на декілька порядків більше за збільшення площі поперечного перерізу.

Наукові дослідження виявили, що в обмеженому діапазоні температур опір металевих провідників зростає прямо пропорційно температурі.

Мал. Графік залежності опору провідника від температури.

Залежність опору металевих провідників від температури використовують у термометрах опору. Про зміни темпертури навколишнього середовища судять за зміною опору дроту. Такі термометри дають змогу виміряти дуже низькі й дуже високі температури середовища.

Та найбільш яскравим прикладом розходження теорії і дослідів є надпровідність. У 1911 р. голландський фізик Камерлінг-Оннес, вивчаючи температурну залежність питомого опору ртуті в області низьких температур, знайшов дивовижне явище: при температурі 4,2 К опір ртуті практично стрибком зменшувався до нуля.

У разі зменшення температури деяких металів до температур, близьких до абсолютного нуля, їхній опір стрибком падає до нуля. Це явище називають надпровідністю. 

В 1913 році автор цього відкриття отримав навіть Нобелівську премію. Цікаво, що її формулювання було таким: «За дослідження властивостей речовини при низьких температурах, що обумовили, крім усього іншого, отримання рідкого гелію». Але парадокс в тому, що незважаючи на отримання Нобелівської премії, дослідження надпровідності займались лише одиничні фізичні лабораторії.

З 1955 року відбулося технічне застосування надпровідників. За їх допомоги було створено перший електромагніт. З часу відкриття явища та моменту впровадження в життя пройшло цілих 56 років.

В наш час надпровідність встановлено у сотень речовин – чистих металів і металевих сплавів. Температура переходу в надпровідний стан у різних речовин різна, і може становити від сотих часток градуса абсолютної шкали до >>20К. Речовини у надпровідному стані мають надзвичайні властивості. На практиці найважливішою є здатність довгий час (роками) підтримувати без затухання електричний струм у надпровідному колі. Широкого застосування набула надпровідність в енергетиці та транспорті. Явище надпровідності покладено в основу роботи термометрів опору, швидкісних потягів на магнітній подушці… Можна сміливо стверджувати, що вона на 30 – 50 % входить до складу різноманітної техніки.

Мал. а) термометр опору; б) швидкісний потяг на магнітній подушці.

• Відео. Пояснення надпровідності. (Час показу 1:21 хв.)

3. Запитання до уроку.

Запитання 58.1. Опишіть характер руху вільних електронів у металах за відсутності електричного поля.

Запитання 58.2. Опишіть характер руху вільних електронів у металах за наявності електричного поля.

Запитання 58.3. Що являє собою електричний струм у металах?

Запитання 58.4. Опишіть суть досліду з виявлення природи електричного струму в металах.

Запитання 58.5. Як опір металів залежить від температури? У чому полягає явище надпровідності?

4. Домашнє завдання.

Підручник: параграф 36.

Усне опитування по запитаннях до уроку.

5. Перевір себе.

Тестові завдання:

Запитання 58.1.Т. Поясніть, чому вольфрамова спіраль нитки розжарення електричної лампи темніша поблизу металевих контактів?

А. Внаслідок більш інтенсивної конвекції поблизу контактів;

Б. Внаслідок електричного заземлення спіралі;

В. Внаслідок високої теплопровідності металу;

Г. Внаслідок спеціальних домішок у вольфрамі;

Д. Внаслідок контактних зон прискорення носіїв струму.

6. Для допитливих.