тема Электропроводимость веществ.
Цель урока: разъяснить физическую природу электрической проводимости веществ с точки зрения электронной теории; привить интерес к науке физике: история открытий, классические опыты и учёные-физики; воспитывать самостоятельность, ответственное отношение к учёбе, стремление к самообразованию.
План урока:
Материалы и оборудование: раздаточный материал с опорным конспектом и алгоритмом решения задачи, компьютер, доска.
Ход урока:
1. Объяснение нового материала (лекция):
1) Электрическая проводимость представляет собой способность веществ проводить электрический ток под действием внешнего электрического поля. Обозначается σ=1/ρ. Единица измерения (Ом*м)-1.
По физической природе зарядов – носителей электрического тока электропроводность подразделяют на:
а) электронную (чисто электронную, чисто дырочную и электронно-дырочную);
б) ионную (катионную, анионную, смешанную анионную и катионную);
в) смешанную (электронно-ионную).
2) Для каждого вещества при заданных условиях характерна определённая зависимость силы тока от разности потенциалов (ВАХ).
3) По удельному сопротивлению вещества принято делить на:
а) проводники ( ρ <10-6 Ом*м),
б) диэлектрики ( ρ >108 Ом*м),
в) полупроводники ( 108 Ом*м > ρ > 10-6 Ом*м).
Однако такое деление условно, так как под воздействием ряда факторов (нагревание, облучение, примеси) удельное сопротивление веществ и их вольт-амперная характеристика изменяются, и иногда очень существенно.
4) Поговорим подробнее о проводимости металлов.
1: опыт К.Рикке (1901 год):
Три предварительно взвешенных цилиндра (два медных и один алюминиевый) Рикке сложил отшлифованными торцами так, что алюминиевый оказался между медными. Затем цилиндры были включены в цепь постоянного тока: через них в течение года проходил большой ток (ток, питавший городскую трамвайную сеть). За это время через цилиндры прошёл электрический заряд, равный приблизительно 3,5 млн Кл. Вторичное взвешивание цилиндров, показало, что масса цилиндров в результате опыта не изменилась. При исследовании соприкасавшихся торцов под микроскопом было установлено, что имеются лишь незначительные следы проникновения металлов, которые не превышают результатов обычной диффузии атомов в твёрдых телах. Результаты опыта свидетельствовали о том, что в переносе зарядов в металлах ионы не участвуют.
2: опыты Мандельштама Л.И. и Папалекси Н.Д. (1913 год – Советский Союз) и Т.Стюарт и Р.Толмен (1916 год - США):
Суть опытов сводится к тому, что на катушку наматывают проволоку, концы которой припаивают к двум металлическим дискам, изолированным друг от друга. К концам дисков при помощи скользящих контактов присоединяют гальванометр. Катушку приводят в быстрое движение, а затем резко останавливают. После резкой остановки катушки свободные заряженные частицы некоторое время движутся относительно проводника по инерции и, следовательно, в катушке возникает электрический ток. Ток существует незначительное время, так как из-за сопротивления проводника заряженные частицы тормозятся и упорядоченное движение частиц, образующее ток, прекращается. Направление тока говорит о том, что он создаётся движением отрицательно заряженных частиц. В этих опытах учёным удалось измерить удельный заряд частиц, создающих ток. Он оказался равным 1,8*1011 Кл/ кг. Эта величина совпадает с отношением заряда электрона к его массе е/m, найденным ранее из других опытов.
3.Ом Георг Симон (1787-1854) немецкий физик. Работал школьным учителем. Он открыл закон зависимости силы тока от напряжения для участка цепи, а также закон, определяющий силу тока в замкнутой цепи. Чувствительный прибор для измерения силы тока он изготовил сам. В качестве источника напряжения Ом использовал термопару: два спаянных вместе проводника из различных металлов. Увеличивая разность температур спаев, Ом менял напряжение, которое пропорционально этой разности температур. Кроме того Ом нашёл зависимость сопротивления проводника от длины и площади его поперечного сечения.
(продолжение лекции):
5. Основы электронной теории электропроводности металлов.
На основе этих и других опытов П.Друде в 1900 году создал теорию электропроводности металлов, в основе которой лежат следующие допущения:
а) свободные электроны в металле ведут себя как молекулы идеального газа; «электронный газ» подчиняется законам идеального газа;
б) движение свободных электронов в металле подчиняется законам классической механики Ньютона;
в) свободные электроны в процессе их хаотического движения сталкиваются не между собой (как молекулы идеального газа), а с ионами кристаллической решётки;
г) при столкновениях электронов с ионами электроны передают ионам свою кинетическую энергию полностью.
6. Вывод закона Ома из электронной теории.
Надо сказать, что теория П.Друде – весьма упрощённое представление об электронной проводимости в металле как об идеальном электронном газе, потому что она:
во-первых, не раскрывает природу зависимости электрического сопротивления от абсолютной температуры,
во-вторых, классическая механика Ньютона также не может здесь применяться, иначе по закону сохранения энергии (m*v2/2=3*k*T/2) мы получим температуру порядка 105 – 106 К. Такая температура существует внутри звёзд, а движение электронов в металле подчиняется законам квантовой механики.
Тем не менее, используя эту теорию, можно теоретически получить основной закон, связывающий силу тока в металлическом проводнике с напряжением на его концах.
Электроны под влиянием постоянной силы, действующей на них со стороны электрического поля, приобретают определённую скорость упорядоченного движения. Эта скорость в дальнейшем со временем не увеличивается, так как со стороны ионов кристаллической решётки на электроны действует некоторая тормозящая сила. В результате получаем такую логическую цепочку взаимосвязанных физических величин:
Таким образом, сила тока пропорциональна разности потенциалов на концах проводника
I~U. В этом состоит качественное объяснение закона Ома на основе электронной теории проводимости металлов.
7. Вольт-амперная характеристика металлов.
1
Вольт-амперная характеристика металлов выглядит как
прямая линия, исходящая из начала координат с определённым углом наклона к оси
напряжений, зависящим от сопротивления проводника:
I R1
ctg α = U/ I = R.
α 2 R2 0 U
R2>R1.
3.Закрепление знаний, умений, навыков.
Решение задачи:
Катушка намотана из медного провода массой 1 кг и сечением 0,1 мм2. Разность потенциалов на её концах 110 В. Определите скорость дрейфа электронов проводимости и среднюю силу, с которой электрическое поле действует на один электрон. Сравните скорость дрейфа электронов со скоростью распространения электромагнитного взаимодействия в вакууме.
Решение: 1)
формула для силы тока,
определяемой электрическим зарядом, переносимым через поперечное сечение
проводника за единицу времени :I=… 2)
по закону Ома сила
тока I=… 3)
формула для
сопротивления проводника, выраженного через удельное сопротивление и
геометрические размеры проводника R=…
Алгоритм решения задачи:
СИ: m(Cu)= 1,06*10-25 кг
Дано:
m=1 кг
S= 0,1 мм2
U=110 B
ρус=1,7*10-2 Ом*мм2/м
4) формула для
расчёта длины проводника, выраженной через объём и площадь поперечного
сечения проводника l=… 5) формула для
расчёта объёма проводника, выраженного через массу и плотность меди V=… 6)формула для
расчёта концентрации электронов n=…., где N –
число электронов в указанной массе медного провода (считаем медь
одновалентной), N=… 7) подставляя в
формулу для v все перечисленные данные, получаем v=… 8)сравним v
со скоростью с. 9) сила,
действующая на заряд со стороны электрического поля с напряжённостью Е,
равна F=…
m(Cu)=64 а.е.м.
|е|=1,6*10-19 Кл
с=3*108м/с
NA=6,02*1023 моль-1
ρпл= 8,9*103 кг/м3
v=?
F=?
Приложение. Опорный конспект по теме: «Электрическая проводимость различных веществ».
|
|
Проводники |
|||||||
|
металлы |
жидкие |
полупроводники |
газы |
|||||
|
1.Свободные носители элект-рического заряда |
электроны |
ионы |
Электроны+дырки |
Ионы+электроны |
||||
|
2. Вольт-амперная характеристика |
U |
U
|
|
|
||||
|
3.Прохождение электрического тока по проводнику |
Не сопровождается переносом вещества |
Сопровождается переносом вещества |
Не сопровождается переносом вещества |
Сопровождается переносом вещества. |
||||
|
4.Удельное сопротивление вещества |
ρ<10-6 Ом* м |
…. |
10-6<ρ< 108Ом*м |
В обычных усло-виях газы – диэ-лектрики с ρ>108 Ом*м |
||||
|
5.Зависимость сопротивления от температуры |
ρ0
|
|
|
|
||||
Рабочие листы
к вашим урокам
Скачать
тема Электропроводимость веществ.Цель урока: разъяснить физическую природу электрической проводимости веществ с точки зрения электронной теории; привить интерес к науке физике: история открытий, классические опыты и учёные-физики; воспитывать самостоятельность, ответственное отношение к учёбе, стремление к самообразованию.План урока: Объяснение нового материала по опорному конспекту. Сообщение об авторах открытий, описание опытов. Продолжение лекции. Работа у доски с логической цепочкой, вписывание формул. Объяснение графиков с ВАХ двух металлов: различия, вывод. Разбор и решение задачи по предложенному алгоритму. Оценки. Домашнее задание. Материалы и оборудование: раздаточный материал с опорным конспектом и алгоритмом решения задачи, компьютер, доска.
6 661 775 материалов в базе
Настоящий материал опубликован пользователем Евтеева Ольга Сергеевна. Инфоурок является информационным посредником и предоставляет пользователям возможность размещать на сайте методические материалы. Всю ответственность за опубликованные материалы, содержащиеся в них сведения, а также за соблюдение авторских прав несут пользователи, загрузившие материал на сайт
Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.
Удалить материал
Ваша скидка на курсы
40%
Курс повышения квалификации
72/180 ч.
Курс профессиональной переподготовки
600 ч.
Курс профессиональной переподготовки
300/600 ч.
Мини-курс
5 ч.
Мини-курс
10 ч.
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.