Матеріали для Нової української школи 1 клас - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити

УСІ УРОКИ ФІЗИКИ 11 клас
АКАДЕМІЧНИЙ РІВЕНЬ

1-й семестр

ЕЛЕКТРОДИНАМІКА

2. Електричний струм

УРОК 8/19

Тема. Електричний струм у металах

 

Мета уроку: ознайомити учнів із природою електричного струму в металах.

Тип уроку: комбінований урок.

ПЛАН УРОКУ

Контроль знань

12 хв.

Самостійна робота № 3 «Закони постійного струму».

Демонстрації

3 хв.

Відео-фрагменти фільму «Електричний струм у металах».

Вивчення нового матеріалу

22 хв.

1. Природа електричного струму в металах.

2. Експериментальний доказ існування вільних електронів у металах.

3. Швидкість дрейфування електронів.

4. Залежність опору провідника від температури.

5. Явище надпровідності.

Закріплення вивченого матеріалу

8 хв.

1. Якісні питання.

2. Навчаємося розв’язувати задачі.

 

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Природа електричного струму в металах

Класична електронна теорія так пояснює розбіжності властивостей провідників і діелектриків: в одних тілах є вільні носії зарядів, які можуть переміщатися в різних напрямках, а в інших тілах носії електричних зарядів зв’язані й можуть лише трохи зміщуватися в той або інший бік.

Серед твердих тіл зустрічаються тіла, однакові за хімічним складом, але різні за електричними властивостями (наприклад, алмаз і графіт). Електричні властивості залежать, очевидно, від типу зв’язку атомів у твердих тілах.

Між атомами в кристалах існує ковалентний зв’язок, за якого електрони слабко втримуються іонами кристалічної решітки. Ці так звані вільні електрони провідності можуть створювати струм у металі. Таким чином, структуру металу можна уявити собі як іонний кістяк, поміщений в електронний газ. Уявлення про електронний газ — це деяка наближена модель явища, у якій допускаються відомі спрощення.

В основу класичної електронної теорії покладені такі положення:

• вільні електрони в металі поводяться як молекули ідеального газу; «електронний газ» підкоряється законам ідеального газу, до якого застосовні всі положення МКТ;

• рух електронів відбувається за законами класичної механіки Ньютона;

• взаємодія електронів один з одним не враховується.

2. Експериментальний доказ існування вільних електронів у металах

Природа носіїв зарядів у металах доведена класичними дослідами Рікке, МандельштаммаПапалекси й Толмена—Стюарта.

Дослід Рікке дозволяє зробити висновок, що струм у металах здійснюють не іони, а електрони.

Прямі докази електронної природи струму в металі дали досліди Мандельштамма—Папалекси (1913) і Толмена—Стюарта (1916).

У цих дослідах було встановлене відношення заряду електрона до його маси:

image171

що відповідає встановленому раніше з інших дослідів.

3. Швидкість дрейфування електронів

Рух електронів в електричному полі — результат поєднання двох рухів: хаотичного тепловою й спрямованого під дією електричного поля.

Позначимо швидкість дрейфування . Очевидно, що саме ця швидкість . визначає силу струму. Чим більше ця швидкість, тим більше електронів пройде через поперечний переріз провідника за одиницю часу.

Оцінімо величину середньої швидкості дрейфування. Для цього розглянемо металевий провідник із площею поперечного перерізу S. За деякий проміжок часу t через цей переріз встигнуть пройти всі електрони, які перебувають від нього на відстані, що не перевищує vt. Ці електрони перебувають у подумки виділеному об’ємі, що дорівнює:

image172

Якщо концентрація вільних електронів у цьому металі дорівнює n, то число їх в об’ємі V дорівнює nV. За час t вони перенесуть заряд q = enV.

Отже, сила струму в провіднику:

image173

Таким чином, сила струму пропорційна середній швидкості дрейфування електронів.

Обчислимо середню швидкість напрямленого руху електронів у мідному провіднику (концентрація 9 · 1028 м-3) площею поперечного перерізу 1 мм2 за сили струму 10 А:

image174

Ця швидкість у мільярди разів менше від швидкості теплового руху електронів, що для міді має значення близько 1000 км/с.

4. Залежність опору провідника від температури

З дослідів легко встановити, що опір металів залежить від температури. Під час нагрівання провідника його геометричні розміри міняються незначною мірою. Опір провідника змінюється в основному за рахунок зміни його питомого опору:

image175

де ρ0, ρ — питомі опори провідника відповідно за температури T0 = 273 К й за даної температурі T;  — температурний коефіцієнт опору.

Температурний коефіцієнт опору  — фізична величина, що характеризує залежність опору речовини від температури й чисельно дорівнює відносній зміні питомого опору речовини під час нагрівання її на 1 К:

image176

Для чистих металів

image177

5. Явище надпровідності

1911 р. голландський учений Камерлінг-Оннес відкрив явище надпровідності. Якщо в замкнутому провіднику, що перебуває в надпровідному стані, створити електричний струм, то струм у провіднику буде існувати без підтримки джерела струму необмежений час.

Ці та інші властивості надпровідників відкривають широкі можливості їх застосування в техніці й промисловості. Тільки створення надпровідних ліній електропередач заощадить 10-15 % електроенергії.

Зараз учені працюють над одержанням надпровідниковиіх матеріалів, що зберігають свої властивості за кімнатної температури. Високотемпературна надпровідність, відкрита 1986 р., має призвести до нової технічної революції в електротехніці, радіотехніці, конструюванні ЕОМ.

 

ПИТАННЯ ДО УЧНІВ У ХОДІ ВИКЛАДУ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

Перший рівень

1. Як показати, що одні тіла є провідниками, а інших — непровідниками?

2. Як рухаються електрони провідності в металевому провіднику, коли в ньому: а) немає електричного поля; б) створено електричне поле?

3. Чому, незважаючи на малу швидкість упорядкованого руху електронів у металевому провіднику, прилади в мережі починають діяти одночасно?

Другий рівень

1. Чим пояснити більшу концентрацію електронів провідності в металах?

2. Як швидкість спрямованого руху електронів у металевому провіднику залежить від напруги на кінцях провідника?

 

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1). Якісні питання

1. Чи рухаються заряджені частинки в провіднику, коли по ньому не йде струм?

2. Чи у всьому колі електричний струм тече від позитивного до негативного полюса джерела струму?

2). Навчаємося розв'язувати задачі

1. Електричне коло складається із джерела струму, міліамперметра, опір якого 20 Ом, і реостата, виготовленого із залізного проводу. За температури 0 °С міліамперметр показує 30 мА. Опір реостата за цієї температури дорівнює 200 Ом. Якими будуть показання міліамперметра, якщо реостат нагріється на 50 °С? Температурний коефіцієнт опору заліза становить 6 · 10-3 К-1. Внутрішнім опором джерела, а також зміною опору міліамперметра й сполучних проводів внаслідок нагрівання знехтувати.

Розв'язання. До нагрівання реостата сила струму за законом Ома для повного кола дорівнює  Після нагрівання реостата —  Тут  Остаточно одержуємо:

image179

Визначаємо значення шуканої величини:

Відповідь: показання міліамперметра 24 мА.

2. До якої температури треба остудити мідний провід, щоб його опір зменшився на 20 °%? Початкова температура дорівнює 0       °С.

3. Знайдіть швидкість v упорядкованого руху електронів у мідному проводі (уважайте, що на кожний іон міді припадає два електрони провідності) із площею поперечного перерізу S = 0,5 мм2 за сили струму I = 2,5 А.

 

ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ НА УРОЦІ

•  В основу класичної електронної теорії покладені такі положення:

- вільні електрони в металі поводяться як молекули ідеального газу; «електронний газ» підкоряється законам ідеального газу, до якого застосовні всі положення МКТ;

- рух електронів відбувається за законами класичної механіки Ньютона;

- взаємодія електронів один з одним не враховується.

•  Сила струму в провіднику пропорційна середній швидкості дрейфу електронів:

•  Опір провідника змінюється в основному за рахунок зміни його питомого опору:

image181

•  Температурний коефіцієнт опору  — фізична величина, що характеризує залежність опору речовини від температури й чисельно дорівнює відносній зміні питомого опору речовини під час нагрівання її на 1 К:

image182

 

Домашнє завдання

1. Підр-1: § 13; підр-2: конспект.

2. Підр-1: впр. 13 (№ 1, 2, 3).









загрузка...

Віртуальна читальня освітніх матеріалів для студентів, вчителів, учнів та батьків.

Наш сайт не претендує на авторство розміщених матеріалів. Ми тільки конвертуємо у зручний формат матеріали з мережі Інтернет які знаходяться у відкритому доступі та надіслані нашими відвідувачами. Якщо ви являєтесь володарем авторського права на будь-який розміщений у нас матеріал і маєте намір видалити його зверніться для узгодження до адміністратора сайту.

Дозволяється копіювати матеріали з обов'язковим гіпертекстовим посилання на сайт, будьте вдячними ми затратили багато зусиль щоб привести інформацію у зручний вигляд.

© 2008-2019 Всі права на дизайн сайту належать С.Є.А.