Меню

Ученые экспериментально доказавший что носителем тока в металлах являются свободные электроны

Урок физики по теме «Электрический ток в металлах». 11-й класс

Класс: 11

Презентация к уроку

Назад Вперёд

Загрузить презентацию (341,5 кБ)

— раскрыть понятие физической природы электрического тока в металлах, опытное подтверждение электронной теории;

— продолжить формирование естественно-научных представлений по изучаемой теме

— создать условия для формирования познавательного интереса, активности учащихся

— формированию коммуникативного общения.

Оборудование: интерактивный комплекс SMART Board Notebook, локальная сеть компьютеров, интернет.

Метод ведения урока: комбинированный.

Науку все глубже постигнуть стремись,
Познанием вечного жаждой томись.
Лишь первых познаний блеснет тебе свет,
Узнаешь: предела для знания нет.

Фирдоуси
(Персидский и таджикский поэт, 940-1030 гг.)

II. Работа в группах

III. Обсуждение итогов, монтаж презентации

V. Домашнее задание

— Здравствуйте, ребята! Садитесь. Сегодня наша работа будет проходить по группам.

I. Физическая природа зарядов в металлах.

III. Опыт Стюарта, Толмена. Опыт Мандельштама, Папалекси.

IV. Теория Друде.

V. Вольт-амперная характеристика металлов. Закон Ома.

VI. Зависимость сопротивления проводников от температуры.

Содержание заданий, выполненных в группах.

1. Электрическая проводимость представляет собой способность веществ проводить электрический ток под действием внешнего электрического поля.

По физической природе зарядов – носителей электрического тока, электропроводность подразделяют на:

2. Для каждого вещества при заданных условиях характерна определенная зависимость силы тока от разности потенциалов.

По удельному сопротивлению вещества принято делить на:

А) проводники (p -2 Ом*м)

Б) диэлектрики (p > 10 -8 Ом*м)

В) полупроводники (10 -2 Ом*м> p>10 -8 Ом*м)

Однако такое деление условно, т. к. под воздействием ряда факторов (нагревания, облучения, примеси) удельное сопротивление веществ и их вольт — амперная характеристика изменяются, и иногда очень существенно.

3. Носителями свободных зарядов в металлах являются электроны. Доказано классическими опытами К. Рикке (1901 г.) – немецкий физик; Л.И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси (1913 г.) – наши соотечественники; Т. Стюартом и Р. Толменом (1916 г.) – американские физики.

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. За то время через электрические цилиндры прошел электрический заряд, равный приблизительно 3.5 млн Кл. Вторичное взаимодействие цилиндров, проводившееся с до 0.03 мг, 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 твердых телах. Результаты опыта свидетельствовали о том, что в переносе заряда в металлах ионы не участвуют.

Опыт Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси

Русские ученые Л. И. Мандельштам (1879—1949; основатель школы радиофизиков) и Н. Д. Папалекси (1880—1947; крупнейший советский физик, академик, председатель Всесоюзного научного совета по радиофизике и радиотехнике при АН СССР) в 1913 году поставили оригинальный опыт. Взяли катушку с проводом и стали крутить ее в разные стороны.

Раскрутят, к примеру, по часовой стрелке, потом резко остановят и — назад.

Рассуждали они примерно так: если электроны и вправду обладают массой, то, когда катушка внезапно останавливается, электроны еще некоторое время должны двигаться по инерции. Движение электронов по проводу — электрический ток. Как задумали, так и получилось. Подсоединили к концам провода телефон и услышали звук. Раз в телефоне слышен звук, следовательно, через него ток протекает.

Опыт Т. Стюарта и Р. Толмен

Возьмём катушку, которая может вращаться вокруг своей оси. Концы катушки с помощью скользящих контактов замкнуты на гальванометр. Если находящуюся в быстром вращении катушку резко затормозить, то свободные электроны в проволоке продолжат двигаться по инерции, в результате чего гальванометр должен зарегистрировать импульс тока.

Электроны в металле рассматриваются как электронный газ, к которому можно применить кинетическую теорию газов. Считается, что электроны, как и атомы газа в кинетической теории, представляют собой одинаковые твердые сферы, которые движутся по прямым линиям до тех пор, пока не столкнутся друг с другом. Предполагается, что продолжительность отдельного столкновения пренебрежимо мала, и что между молекулами не действует никаких иных сил, кроме возникающих в момент столкновения. Так как электрон — отрицательно заряженная частица, то для соблюдения условия электронейтральности в твердом теле также должны быть частицы другого сорта — положительно заряженные. Друде предположил, что компенсирующий положительный заряд принадлежит гораздо более тяжелым частицам (ионам), которые он считал неподвижными. Во времена Друде не было ясно, почему в металле существуют свободные электроны и положительно заряженные ионы, и что эти ионы из себя представляют. Ответы на эти вопросы смогла дать только квантовая теория твердого тела. Для многих веществ, однако, можно просто считать, что электронный газ составляют слабо связанные с ядром внешние валентные электроны, которые в металле «освобождаются» и получают возможность свободно передвигаться по металлу, тогда как атомные ядра с электронами внутренних оболочек (атомные остовы) остаются неизменными и играют роль неподвижных положительных ионов теории Друде.

Электрический ток в металлах

Все металлы являются проводниками электрического тока и состоят из пространственной кристаллической решетки, узлы которой совпадают с центрами положительных ионов, а вокруг ионов хаотически движутся свободные электроны.

Основные положения электронной теории проводимости металлов.

  1. Металл можно описать следующей моделью: кристаллическая решетка ионов погружена в идеальный электронный газ, состоящий из свободных электронов. У большинства металлов каждый атом ионизирован, поэтому концентрация свободных электронов приблизительно равна концентрации атомов 10 23 — 10 29 м -3 и почти не зависит от температуры.
  2. Свободные электроны в металлах находятся в непрерывном хаотическом движении.
  3. Электрический ток в металле образуется только за счет упорядоченного движения свободных электронов.
  4. Сталкиваясь с ионами, колеблющимися в узлах кристаллической решетки, электроны отдают им избыточную энергию. Вот почему при прохождении тока проводники нагреваются.
Читайте также:  Стреляет в ногу как током причины

Электрический ток в металлах.

Где v – средняя скорость направленного движения заряженных частиц, S – площадь поперечного сечения проводника, n – концентрация электронов проводимости.

Оценка скорости движения свободных электронов в проводнике при S= 1 м , I = 10 A

Отметим, что скорость распространения тока в проводнике равна скорости распространения электромагнитных волн в вакууме c = 3*10 8

Из закона Ома для участка цепи следует, что вольт-амперная характеристика металлов – прямая линия

Напомним, что , где p – удельное сопротивление, l – длина, S – площадь поперечного сечения проводника.

s)

Явление уменьшения удельного сопротивления до нуля при температуре, отличной от абсолютного нуля, называется сверхпроводимостью. Материалы обнаруживающие способность переходить при некоторых температурах, отличных от абсолютного нуля, в сверхпроводящее состояние, называются сверхпроводниками.

Прохождение тока в сверхпроводнике происходит без потерь энергии, поэтому однажды возбужденный в сверхпроводящем кольце электрический ток может существовать неограниченно долго без изменения.

Сверхпроводящий материалы уже используются в электромагнитах. Ведутся исследования, направленные на создание сверхпроводящих линий электропередачи.

Применение явления сверхпроводимости в широкой практике может стать реальностью в ближайшие годы благодаря открытию в 1986 г. Сверхпроводимости керамик – соединений лантана, бария, меди и кислорода. Сверхпроводимость таких керамик сохраняется до температур около 100 К.

Молодцы, ребята! С работой справились отлично. Получилась хорошая презентация. Спасибо за урок!

Литература.

  • Горбушин Ш.А. Опорные конспекты для изучения физики за курс средней общеобразовательной школы. – Ижевск “Удмуртия”, 1992.
  • Ланина И.Я. Формирование познавательных интересов учащихся на уроках физики: Книга для учителя. – М.: Просвещение, 1985.
  • Урок физики в современной школе. Творческий поиск учителей: Книга для учителя /Сост. Э.М.Браверман/ Под редакцией В.Г. Разумовского.- М.: Просвещение, 1993
  • Дигелев Ф.М. Из истории физики и жизни ее творцов: Книга для учащихся.- М.: Просвещение, 1986.
  • Карцев В.Л. Приключения великих уравнений.- 3-е издание – М.: Знание, 1986. (Жизнь замечательных идей).
  • Источник

    Ученые экспериментально доказавший что носителем тока в металлах являются свободные электроны

    Для выяснения природы носителей тока в металлах был поставлен ряд опытов. Опыт Рикке. В 1901 г. Рикке взял три цилиндра два медных и один алюминиевый с тщательно отшлифованными торцами. После взвешивания цилиндры были сложены вместе в последовательности медь — алюминий — медь. Через такой составной проводник непрерывно в течение года пропускался ток одного и того же направления.

    За все время через цилиндры прошел заряд, равный . Взвешивание показало, что пропускание тока не оказало на массу цилиндров никакого влияния. При исследовании соприкасавшихся торцов под микроскопом не было обнаружено проникновение одного металла в другой.

    Результаты опыта свидетельствовали о том, что перенос заряда в металлах осуществляется не атомами, а какими-то частицами, входящими в состав всех металлов. Чтобы отождествить носители тока в металлах с электронами, нужно было определить знак и числовое значение удельного заряда носителей.

    Если в металлах имеются способные перемещаться заряженные частицы, то при торможении металлического проводника эти частицы должны некоторое время продолжать двигаться по инерции, в результате чего в проводнике возникает импульс тока и будет перенесен некоторый заряд.
    Пусть проводник движется вначале со скоростью v (рис. 4.7).

    Начнем тормозить его с ускорением w. Продолжая двигаться по инерции, носители тока приобретают относительно проводника ускорение.

    Такое же ускорение можно сообщить носителям в неподвижном проводнике, если создать в нем электрическое поле напряженностью , т. е. приложить к концам проводника разность потенциалов

    .

    где m и — масса и заряд носителя; l — длина проводника. В этом случае по проводнику потечет ток силы , где R — сопротивление проводника (I считается положительным, если ток течет в направлении движения проводника).

    Следовательно, за время dt через каждое сечение проводника пройдет заряд

    .

    Заряд, прошедший за все время торможения, равен

    .

    (заряд положителен, если он переносится в направлении движения проводника).

    Таким образом, измерив l, v и R, а также заряд q, проходящий по цепи при торможении проводника, можно найти удельный заряд носителей. Направление импульса тока даст знак носителей.

    Количественный результат был получен Толменом и Стюартом в 1916 г. Катушка из провода длиной 500 м приводилась во вращение, при котором линейная скорость витков составляла . Затем катушка резко тормозилась, и с помощью баллистического гальванометра измерялся заряд, протекавший в цепи за время торможения. Вычисленное значение удельного заряда носителей получалось очень близким к для электронов. Таким образом, было экспериментально доказано, что носителями тока в металлах являются электроны.

    Существование в металлах свободных электронов можно объяснить тем, что при образовании кристаллической решетки от атомов металла отщепляются слабее всего связанные (валентные) электроны, которые становятся «коллективной» собственностью всего объема металла. Число атомов в единице объема равно , где — плотность металла; М — масса моля; — число Авогадро. Для металлов значения заключены в пределах от до . Следовательно, для концентрации свободных электронов получаются значения порядка .

    Источник

    Кто экспериментально доказал существование электронов металлов?

    Большинство выводов электромагнетизма базируются на изначально ошибочном понимании и постулате из учебника о том, что якобы вокруг проводника образуется два поля: магнитное и электромагнитное. Сразу два поля! Смех В то время как на самом деле вдоль и вокруг проводника магнитное поле земли существует всегда, структура которого под действием электричества искривляется в вихревое электромагнитное состояние. Т. е. вокруг проводника не образуется два поля, а преобразуется одно которое искривляется !
    Что такое электрическое поле, что такое магнитное поле и что такое электромагнитное поле ?
    Электрическое поле это электрический ток, просто мера, как температура, разность потенциалов и оно не материально. Как можно сказать что температура или электричество материально? Никак. А вот Магнитное поле Земли материально, а Электромагнитное поле это изменение структуры магнитного поля Земли в вихревое электромагнитное состояние. Именно так, а никак иначе быть не может, даже тогда, когда Вы скажете «вихревые токи Фуко» то под «вихревым» нельзя понимать сами «токи», а только материальную структуру электромагнитного поля, которая может быть вихревой и которая всегда снаружи по отношению к самому проводнику. Именно поэтому великий Эрстед говорил, что «электричество не течет по проводнику, оно втекает в него».

    Читайте также:  Токи бернара для похудения

    «Электрическое поле это электрический ток»- дальше можно не читать.

    Не читайте таких дурацких постов, юноша, а читайте учебники. И во всем разберетесь.

    Источник

    

    Электрический ток в металлах

    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.

    Схема опыта Толмена и Стюарта

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

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

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

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

    Отсюда удельный заряд e / m свободных носителей тока в металлах равен:

    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).

    Газ свободных электронов в кристаллической решетке металла. Показана траектория одного из электронов

    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 Δt через поперечное сечение S проводника пройдут все электроны, находившиеся в объеме

    Число таких электронов равно , где n – средняя концентрация свободных электронов, примерно равная числу атомов в единице объема металлического проводника. Через сечение проводника за время Δt пройдет заряд Отсюда следует:

    или

    Концентрация n атомов в металлах составляет 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,

    Читайте также:  Принцип измерения постоянного тока токовыми клещами

    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.

    Движение свободного электрона в кристаллической решетке: а – хаотическое движение электрона в кристаллической решетке металла; b – хаотическое движение с дрейфом, обусловленным электрическим полем. Масштабы дрейфа сильно преувеличены

    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 c = 3·10 8 м/с. Через время порядка l / c (l – 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 eE, 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:

    Рассмотрим проводник длины l и сечением S с концентрацией электронов n. Ток в проводнике может быть записан в виде:

    где U = El – напряжение на концах проводника. Полученная формула выражает закон Ома для металлического проводника. Электрическое сопротивление проводника равно:

    а удельное сопротивление ρ и удельная проводимость ν выражаются соотношениями:

    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.

    За время Δt каждый электрон испытывает Δt / τ соударений. В проводнике сечением S и длины l имеется nSl электронов. Отсюда следует, что выделяемое в проводнике за время Δt тепло равно:

    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 3R, где R – 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

    T. 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-Онесом в 1911 году. При некоторой определенной температуре Tкр, 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.

    Зависимость удельного сопротивления ρ от абсолютной температуры T при низких температурах: a – нормальный металл; b – сверхпроводник

    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 Tкр = 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 Tl–Ca–Ba–Cu–O с критической температурой 125 К.

    В настоящее время ведутся интенсивные работы по поиску новых веществ с еще более высокими значениями Tкр. 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.

    Источник