Электрическим током называется тепловое движение молекул вещества хаотичное движение

Электрическим током называется тепловое движение молекул вещества хаотичное движение

Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение электронов под действием электрического поля. Опыты показывают, что при протекании тока по металлическому проводнику переноса вещества не происходит, следовательно, ионы металла не принимают участия в переносе электрического заряда.

Наиболее убедительное доказательство электронной природы тока в металлах было получено в опытах с инерцией электронов. Идея таких опытов и первые качественные результаты (1913 г.) принадлежат русским физикам Л. И. Мандельштаму и Н. Д. Папалекси. В 1916 году американский физик Р. Толмен и шотландский физик Б. Стюарт усовершенствовали методику этих опытов и выполнили количественные измерения, неопровержимо доказавшие, что ток в металлических проводниках обусловлен движением электронов.

Схема опыта Толмена и Стюарта показана на рис. 1.12.1. Катушка с большим числом витков тонкой проволоки приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы катушки с помощью гибких проводов были присоединены к чувствительному баллистическому гальванометру Г . Раскрученная катушка резко тормозилась, и в цепи возникал кратковременных ток, обусловленный инерцией носителей заряда. Полный заряд, протекающий по цепи, измерялся по отбросу стрелки гальванометра.

При торможении вращающейся катушки на каждый носитель заряда действует тормозящая сила которая играет роль сторонней силы, то есть силы неэлектрического происхождения. Сторонняя сила, отнесенная к единице заряда, по определению является напряженностью поля сторонних сил:

Следовательно, в цепи при торможении катушки возникает электродвижущая сила , равная

где – длина проволоки катушки. За время торможения катушки по цепи протечет заряд , равный

Здесь – мгновенное значение силы тока в катушке, – полное сопротивление цепи, υ – начальная линейная скорость проволоки.

Все величины, входящие в правую часть этого соотношения, можно измерить. На основании результатов опытов Толмена и Стюарта было установлено, что носители свободного заряда в металлах имеют отрицательный знак, а отношение заряда носителя к его массе близко к удельному заряду электрона, полученному из других опытов. Так было установлено, что носителями свободных зарядов в металлах являются электроны.

По современным данным модуль заряда электрона ( элементарный заряд ) равен

а его удельный заряд есть

Хорошая электропроводность металлов объясняется высокой концентрацией свободных электронов, равной по порядку величины числу атомов в единице объема.

Предположение о том, что за электрический ток в металлах ответственны электроны, возникло значительно раньше опытов Толмена и Стюарта. Еще в 1900 году немецкий ученый П. Друде на основании гипотезы о существовании свободных электронов в металлах создал электронную теорию проводимости металлов. Эта теория получила развитие в работах голландского физика Х. Лоренца и носит название классической электронной теории . Согласно этой теории, электроны в металлах ведут себя как электронный газ, во многом похожий на идеальный газ. Электронный газ заполняет пространство между ионами, образующими кристаллическую решетку металла (рис. 1.12.2).

Из-за взаимодействия с ионами электроны могут покинуть металл, лишь преодолев так называемый потенциальный барьер . Высота этого барьера называется работой выхода . При обычных (комнатных) температурах у электронов не хватает энергии для преодоления потенциального барьера.

Из-за взаимодействия с кристаллической решеткой потенциальная энергия выхода электрона внутри проводника оказывается меньше, чем при удалении электрона из проводника. Электроны в проводнике находятся в своеобразной «потенциальной яме», глубина которой и называется потенциальным барьером.

Как ионы, образующие решетку, так и электроны участвуют в тепловом движении. Ионы совершают тепловые колебания вблизи положений равновесия – узлов кристаллической решетки. Свободные электроны движутся хаотично и при своем движении сталкиваются с ионами решетки. В результате таких столкновений устанавливается термодинамическое равновесие между электронным газом и решеткой. Согласно теории Друде–Лоренца, электроны обладают такой же средней энергией теплового движения, как и молекулы одноатомного идеального газа. Это позволяет оценить среднюю скорость теплового движения электронов по формулам молекулярно-кинетической теории. При комнатной температуре она оказывается примерно равной 10 5 м/с.

При наложении внешнего электрического поля в металлическом проводнике кроме теплового движения электронов возникает их упорядоченное движение (дрейф), то есть электрический ток. Среднюю скорость дрейфа можно оценить из следующих соображений. За интервал времени Δ через поперечное сечение проводника пройдут все электроны, находившиеся в объеме

Концентрация атомов в металлах находится в пределах 10 28 –10 29 м –3 .

Оценка по этой формуле для металлического проводника сечением 1 мм 2 , по которому течет ток 10 А, дает для средней скорости упорядоченного движения электронов значение в пределах 0,6–6 мм/c. Таким образом, средняя скорость упорядоченного движения электронов в металлических проводниках на много порядков меньше средней скорости их теплового движения Рис. 1.12.3 дает представление о характере движения свободного электрона в кристаллической решетке.

Малая скорость дрейфа на противоречит опытному факту, что ток во всей цепи постоянного тока устанавливается практически мгновенно. Замыкание цепи вызывает распространение электрического поля со скоростью . Через время порядка ( – длина цепи) вдоль цепи устанавливается стационарное распределение электрического поля и в ней начинается упорядоченное движение электронов.

В классической электронной теории металлов предполагается, что движение электронов подчиняется законам механики Ньютона. В этой теории пренебрегают взаимодействием электронов между собой, а их взаимодействие с положительными ионами сводят только к соударениям. Предполагается также, что при каждом соударении электрон передает решетке всю накопленную в электрическом поле энергию и поэтому после соударения он начинает движение с нулевой дрейфовой скоростью.

Несмотря на то, что все эти допущения являются весьма приближенными, классическая электронная теория качественно объясняет законы электрического тока в металлических проводниках.

Закон Ома . В промежутке между соударениями на электрон действует сила, равная по модулю , в результате чего он приобретает ускорение Поэтому к концу свободного пробега дрейфовая скорость электрона равна

где τ – время свободного пробега, которое для упрощения расчетов предполагается одинаковым для всех электронов. Среднее значение скорости дрейфа равно половине максимального значения:

Закон Джоуля–Ленца. К концу свободного пробега электроны под действием поля приобретают кинетическую энергию

Согласно сделанным предположениям вся эта энергия при соударениях передается решетке и переходит в тепло.

Это соотношение выражает закон Джоуля–Ленца.

Таким образом, классическая электронная теория объясняет существование электрического сопротивления металлов, законы Ома и Джоуля–Ленца. Однако в ряде вопросов классическая электронная теория приводит к выводам, находящимся в противоречии с опытом.

Эта теория не может, например, объяснить, почему молярная теплоемкость металлов, также как и молярная теплоемкость диэлектрических кристаллов, равна 3, где – универсальная газовая постоянная (закон Дюлонга и Пти, см. ч. I, § 3.10). Наличие свободных электронов на сказывается на величине теплоемкости металлов.

Классическая электронная теория не может также объяснить температурную зависимость удельного сопротивления металлов. Теория дает соотношение в то время как из эксперимента получается зависимость ρ

. Однако наиболее ярким примером расхождения теории и опытов является сверхпроводимость .

Согласно классической электронной теории, удельное сопротивление металлов должно монотонно уменьшаться при охлаждении, оставаясь конечным при всех температурах. Такая зависимость действительно наблюдается на опыте при сравнительно высоких температурах. При более низких температурах порядка нескольких кельвинов удельное сопротивление многих металлов перестает зависеть от температуры и достигает некоторого предельного значения. Однако наибольший интерес представляет удивительное явление сверхпроводимости , открытое датским физиком Х. Каммерлинг-Оннесом в 1911 году. При некоторой определенной температуре _кр, различной для разных веществ, удельное сопротивление скачком уменьшается до нуля (рис. 1.12.4). Критическая температура у ртути равна 4,1 К, у аллюминия 1,2 К, у олова 3,7 К. Сверхпроводимость наблюдается не только у элементов, но и у многих химических соединений и сплавов. Например, соединение ниобия с оловом (Ni₃Sn) имеет критическую температуру 18 К. Некоторые вещества, переходящие при низких температурах в сверхпроводящее состояние, не являются проводниками при обычных температурах. В то же время такие «хорошие» проводники, как медь и серебро, не становятся сверхпроводниками при низких температурах.

Вещества в сверхпроводящем состоянии обладают исключительными свойствами. Практически наиболее важным их них является способность длительное время (многие годы) поддерживать без затухания электрический ток, возбужденный в сверхпроводящей цепи.

Классическая электронная теория не способна объяснить явление сверхпроводимости. Объяснение механизма этого явления было дано только через 60 лет после его открытия на основе квантово-механических представлений.

Научный интерес к сверхпроводимости возрастал по мере открытия новых материалов с более высокими критическими температурами. Значительный шаг в этом направлении был сделан в 1986 году, когда было обнаружено, что у одного сложного керамического соединения _кр = 35 K. Уже в следующем 1987 году физики сумели создать новую керамику с критической температурой 98 К, превышающей температуру жидкого азота (77 К). Явление перехода веществ в сверхпроводящее состояние при температурах, превышающих температуру кипения жидкого азота, было названо высокотемпературной сверхпроводимостью . В 1988 году было создано керамическое соединение на основе элементов с критической температурой 125 К.

В настоящее время ведутся интенсивные работы по поиску новых веществ с еще более высокими значениями _кр. Ученые надеятся получить вещество в сверхпроводящем состоянии при комнатной температуре. Если это произойдет, это будет настоящей революцией в науке, технике и вообще в жизни людей.

Следует отметить, что до настоящего времени механизм высокотемпературной сверхпроводимости керамических материалов до конца не выяснен.

Законы постоянного тока (обобщающий урок)

Законы постоянного тока (обобщающий урок).

Цели: систематизировать знания по теме «Законы постоянного тока», развить навыки решения экспериментальных, расчетных и качественных задач.

Оборудование к уроку: компьютер, источник тока, резистор, лабораторный амперметр, вольтметр, ключ, реостат, соединитель-

ные провода, карта маршрутов, карточки с условием задач.

1. Организационный момент.

Эпиграф: Науку все глубже постигнуть стремись,

Познанием вечного жаждой томись,

Лишь первых познаний блеснет тебе свет,

Узнаешь: предела для знания нет.

(Персидский и таджикский поэт).

Вступительное слово учителя.

Сегодня вспоминаем все о токах-

Заряженных частиц потоках.

И про источники, про схемы,

И нагревания проблемы,

Ученых, чьи умы и руки

Оставила свой след в науке.

Приборы и цепей законы,

Кулоны, Вольты, Ватты, Омы.

Решим, расскажем, соберем,

Мы с пользой время проведем!

Здравствуйте, ребята. Вам сегодня предстоит сдать зачет по теме «Законы постоянного тока» и посвятим этот урок известному немецкому ученому Г. Ому (доклад ученика).

Георг Ом (17– немецкий физик — экспериментатор. Он родился 16 марта 1787 года в семье слесаря. Отец придавал большое значение образованию детей. Хотя семья постоянно нуждалась, Георг учился сначала в гимназии, а потом в университете. Сначала он преподавал математику в в одной из частных школ Швейцарии. Физикой Георг Ом стал интересоваться позже. Свою научную деятельность начал с ремонта приборов и изучения научной литературы. Создание первого гальванического элемента открыло перед физиками новую область исследований, и Ом сделал важнейший шаг на пути создания теории электрических цепей. В 1825 году он представил научному миру плоды своего труда в виде статьи, которую озаглавил «Предварительное сообщение о законе, по которому металлы проводят электричество». Сейчас это сообщение мы называем законом его имени. В честь этого ученого также названа единица сопротивления.

Учитель: Перед вами кроссворд. Отгадав его можно, можно узнать, как называют человека, готового помочь в любую минуту.

По вертикали:

1. Вид материи, существующей вокруг любого заряда.

2. Прибор для регулировки силы тока в цепи.

3. Прибор для измерения сопротивления.

4. Фамилия ученого, в честь которого названа единица измерения напряжения.

5. Величина, равная отношению работы ко времени, в течение которого эта работа была совершена.

6. Вещество, не проводящее электрический ток.

7. Величина, равная отношению работы сторонних сил по перемещению заряда к величине этого заряда.

8. составная часть электрической цепи.

9. Единица измерения заряда.

Ответы: поле, реостат, омметр, Вольта, мощность, диэлектрик, напряжение источник, кулон.

Учитель. В выделенных клетках получилось слово «проводник». Вспомните, что такое проводник?

Ответ. Проводником называется вещество, проводящее электрический ток.

Учитель. Теперь я вижу, что вы готовы к сдаче зачета.

Класс делится на две группы, и каждая идет по своему маршруту.

Первая группа сдает зачет по теории, выполняя тест( компьютер).

Электрическим током называется…

1. тепловое движение молекул вещества.

2. хаотичное движение электронов.

3. упорядоченное движение заряженных частиц.

4. беспорядочное движение ионов.

5. среди ответов нет правильного.

Какая формула выражает закон Ома для участка цепи?

Сопротивление проводника зависит от…

1. силы тока в проводнике.

2. напряжения на концах проводника.

3. от материала, из которого изготовлен проводник, от его длины и площади поперечного сечения.

4. только от его длины.

5. только от площади поперечного сечения.

Сопротивление двух последовательно соединенных проводников равно…

1. сопротивлению одного из них.

2. сумме их сопротивлений.

3. разности их сопротивлений.

4. произведению сопротивлений.

Какая из формул выражает закон Ома для полной цепи?

За направление тока принимают…

1. движение нейтронов.

2. движение протонов.

3. движение электронов.

4. движение положительно заряженных частиц.

5. движение элементарных частиц.

Согласно закону Джоуля — Ленца, количество теплоты, выделяемое проводником с током пропорционально …

1. силе тока, сопротивлению, времени.

2. квадрату силы тока, сопротивлению и времени.

3. квадрату напряжения, сопротивлению и времени.

4. квадрату сопротивления, силе тока и времени.

5. напряжению, квадрату сопротивления и времени.

Три резистора сопротивлением 6 Ом каждый соединены параллельно. Чему равно их общее сопротивление?

9 Достаточный уровень

Решебник по физике Л.А. Кирик Самостоятельные и контрольные работы

1. а) Почему тепловое движение электронов в проводнике не может быть названо электрическим током?

В результате беспорядочного движения электронов в проводнике не происходит преимущественного переноса зарядов в каком либо направлении, что является одним из критериев существования тока.

б) Какой заряд проходит за 2 мин через катушку гальванометра, включенного в цепь, если сила тока в цепи 12 мА?

2. а) Можно ли считать, что во время удара молнии протекает электрический ток?

Да, ток — это упорядоченное движение заряженных частиц, для существования тока необходимо электрическое поле и движение заряженных частиц .

б) Сколько времени продолжался перенос заряда 7,7 Кл при силе тока 0,5 А?

3. а) Имеет ли значение для теплового действия электрического тока его направление?

Тепловое действие тока вызывается прохождением электронов через проводник вне зависимости от направления. Роль играет только факт взаимодействия — сила тока и сопротивление проводника.

б) Во включенном в цепь приборе сила тока равна 8 мкА. Какое количество электричества проходит через этот прибор в течение 12 мин?

4. а) Как по химическому действию электрического тока можно судить о количестве прошедшего электричества?

Чем больший заряд прошел через раствор электролита, тем больше вещества осядет на катоде и аноде.

б) По обмотке включенного в цепь прибора идет ток силой 5 мА. Какой заряд пройдет через прибор в течение 1 ч?

5. а) Почему магнитная стрелка компаса перестает показывать на север, если неподалеку от компаса находится провод с электрическим током?

Так как стрелка отклоняется, находясь в любом месте вблизи провода, значит, в пространстве вокруг провода существует силовое поле. Точнее говоря, в пространстве вокруг проводника с током существует магнитное поле.

б) При какой силе тока через проводник проходит заряд 25 Кл в течение 1 ч?

6. а) В чем различие в движении свободных электронов в металлическом проводнике, когда он присоединен к полюсам источника тока и когда он отсоединен от них?

В металлическом проводнике, когда отсоединен от источника тока, свободные электроны совершают хаотическое движение. Если присоединен к источнику тока, свободные электроны двигаются под воздействием разности потенциалов.

б) Сила тока, протекающего через лампу, равна 50 мА. Нормальный срок работы лампы 1000 ч. Какой заряд пройдет через лампу за такой срок эксплуатации?

Постоянный электрический ток (8 класс)

План-конспект урока по теме «Законы постоянного тока».

«Покорение вершины Ома»

Цель урока : повторение и обобщение темы «Постоянный электрический ток»

Задачи урока :

Обучающая : повторить основные понятия и законы постоянного тока с помощью решения задач; закрепить знания, умения, навыки, полученные при изучении электродинамики.

Развивающая: развить умение мобилизовать и применять все имеющиеся знания, умения, навыки при самостоятельном решении задач; развить логическое мышление, речь, волю, эмоции.

Воспитывающая: воспитать чувство ответственности, умение использовать свой интеллект, волю, эмоции для достижения общей цели.

Оборудование к уроку: компьютер, интерактивная доска, источник тока, лабораторный амперметр, вольтметр, ключ, лампочка, соединительные провода, маршрутный лист, карточки с условиями задач, портрет Ома.

Ход урока

1. Организационный момент

Формирование эмоционального настроя на урок.

Учитель. Здравствуйте, ребята. Вам сегодня предстоит покорить еще одну вершину физических знаний. Внимание на экран. (введение в тему )

На экране появляется портрет ученого

Учитель. Назовите ученого, которого вы видите на экране.

Ответ Георг Ом — немецкий физик — экспериментатор.

Учитель Что связано с именем этого физика

Ответ Законы постоянного тока.

Учитель. Сформулируйте тему нашего занятия.

Ответ Законы постоянного тока.

Учитель (мотивация) Зачем нам необходимо знать законы Ома?

Ответ. Зная законы Ома, мы сможем регулировать силу тока в электрической цепи, чтобы не произошло несчастного случая.

А теперь отправляемся в путешествие.

Учитель. Как вы думаете, легко ли подниматься в гору?

Выслушать мнения учеников . Вопрос . А почему тяжело подниматься в гору?

Ответ. В гору идти нелегко, так как приходится совершать работу по преодолению силы тяжести.

Учитель. Еще тяжелее покорять горные вершины. Вот как поет об этом Владимир Высоцкий.

Звучит первый куплет песни “Вершина” в исполнении Владимира Высоцкого:

Здесь вам не равнина,
Здесь климат иной,
Идут лавины одна за одной,
И здесь за камнепадом идет камнепад.
Здесь можно свернуть,
Обрыв обогнуть,
Но мы выбираем трудный путь.
Опасный, как военная тропа.

Учитель. Чтобы добраться до вершин знаний, нужно много трудиться, быть любознательным и целеустремленным. Хорошо, когда рядом идет человек, знающий дорогу и готовый помочь в любую минуту. Как называют такого человека? Чтобы ответить на этот вопрос нужно разгадать кроссворд.

По вертикали:

1. Вид материи, существующей вокруг любого заряда.

2. Прибор для регулировки силы тока в цепи.

3. Прибор для измерения сопротивления.

4. Фамилия ученого, в честь которого названа единица измерения напряжения.

5. Величина, равная отношению работы ко времени, в течение которого эта работа была совершена.

6. Вещество, не проводящее электрический ток.

7. Величина, равная отношению силы F, с которой электрическое поле действует на пробный заряд q , к значению этого заряда.

8. Составная часть электрической цепи.

9. Единица измерения заряда.

Устно отвечают на вопросы кроссворда.

Ответы. Поле, реостат, омметр, Вольта, мощность, диэлектрик, напряженность, источник, кулон.

Учитель. Как называют человека, который знает дорогу и готов помочь в любую минуту?

Ответ Проводник

Конечно, в незнакомую дорогу лучше всего отправляться с проводником. Как вы думаете, кто для вас является проводником в путешествии по стране знаний?

Ответ. Конечно же, учитель.

Учитель. Вспомните другое значение слова “проводник”.

Ответ. Проводником называется вещество, проводящее электрический ток.

Учитель. Теперь я вижу, что вы готовы в путь.

В дорогу мы возьмем багаж:
Тетради, ручку, карандаш
И ваших знаний саквояж.

Все ученики класса отвечают на вопросы, предложенные учителем. Задачи демонстрируются при помощи компьютера. На решения задач отводится 15-17 мин.

Учитель Переходим к первому этапу восхождения. Проявить вам нужно смекалку, расставить формулы в нужном порядке.

(задания выдать на бумажном носителе, а проверка на слайде 6) время — 5 минут

Задание: Напишите около названия каждой физической величины номер формулы, по которой ее можно вычислить.