Конспект урока по физике 'Электрический ток в металлах'

Тема. Электрический ток в металлах

Цели урока: сформировать понятие о природе электрического тока в металлах и его направлении; выяснить, какие действия способен совершать электрический ток; показать практическую направленность изучаемого материала; формировать научно-материалистическое мировоззрение, развивать логическое мышление, формировать представление о процессе научного познания; вырабатывать умение слушать и быть услышанным, прививать культуру умственного труда, воспитывать чувства гордости и уважения к людям, внесшим вклад в развитие науки

Тип урока: урок усвоения новых знаний

Ход урока

1. Организационный момент в виде слайд - шоу под стихотворение В. Шефнера

Я еще не устал удивляться

Чудесам, что есть на земле, -

Телевизору, голосу раций

И компьютеру на столе.

Самолеты летят сквозь тучи,

Ходят по морю корабли, -

Как до этих вещей могучих

Домечтаться люди смогли?

Как придумать могли такое,

Что кассета нам песню поет,

Что на кнопку нажмешь рукою -

И средь ночи день настает.

Я вверяю себя трамваю,

Я гляжу на экран кино.

Эту технику понимая,

Изумляюсь я все равно.

Ток по проволоке струится,

Спутник ходит по небесам…

Человеку стоит дивиться

Человеческим чудесам.

2. Актуализация опорных знаний

1. Что такое электрический ток?

2. Перечислите условия существования электрического тока.

3. Какие вещества называют проводниками электричества?

4. Что такое источник тока? Каково его назначение?

3. Изложение нового материала

Все металлы являются проводниками электрического тока и в твердом состоянии имеют кристаллическое строение.

Из курса химии вам известно, что валентные электроны в металлах легко покидают свой атом и становятся свободными. В узлах кристаллической решётки металлов расположены положительные ионы, а в пространстве между ними движутся электроны. Электроны не связаны с ядрами своих атомов и движутся беспорядочно, поэтому их называют свободными. В свою очередь, свободные электроны в металлах называют электронным газом.

В металлах электронная проводимость

Отрицательный заряд всех свободных электронов по абсолютному значению равен положительному заряду всех ионов решётки. Поэтому в обычных условиях металл электрически нейтрален.

Если в металлах создать электрическое поле, то свободные электроны продолжат двигаться хаотически и будут смещаться в сторону положительного полюса источника тока. Затем движение электронов становится направленным и возникает электрический ток.

Электрический ток в металлах - это упорядоченное движение свободных электронов

Опыт русских учёных Мандельштама и Папалекси, проведенный ими в 1913 году, экспериментально показал, что проводимость металлов обусловлена движением свободных электронов.

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 по установлению природы тока в металлах.

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 металлический проводник привести в быстрое движение, а затем резко остановить, то, когда катушка внезапно останавливается, электроны еще некоторое время должны двигаться по инерции. В результате в проводнике возникнет кратковременный ток, который можно зафиксировать гальванометром. По отклонению стрелки прибора можно установить знак заряда движущихся частиц, а по отношению заряда частиц к их массе - установить, какие именно частицы создают ток.

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 Мандельштама и Папалекси в 1916 году повторили американские ученые Толмен и Стюарт. Они тоже крутили катушку, но вместо телефона к ее концам подсоединили прибор для измерения заряда. Им удалось измерить массу частицы. Данные Толмена и Стюарта потом много раз проверялись и уточнялись другими учеными, и теперь вы знаете, что масса электрона

m_e = 9, 1 ∙ 10^-31 кг

Удельный заряд электрона, то есть заряд, приходящийся на единицу массы,

Скорость движения самих электронов в проводнике под действием электрического поля мала (несколько мм в секунду).

Но почему при замыкании электрической цепи лампочка загорается практически мгновенно?

Оказывается электрическое поле распространяется с огромной скоростью (близкой к с = 300 000 км/с) по всей длине проводника. Под действием электрического поля в упорядоченное движение приходят свободные электроны, находящиеся не только в подводящих проводниках, но и в спирали самой лампы.

Поэтому, когда говорят о скорости распространения электрического тока в проводнике, то имеют в виду скорость распространения по проводнику электрического поля.

Основные характеристики тока в металлах (проводниках):

а) сила тока в проводнике

I = envS где e = 1,6 ∙ 10^-19 Кл - модуль

заряда электрона

n - концентрация электронов

v ≈ 10⁴ - cредняя скорость

электронов

S - площадь поперечного

сечения проводника

б) вольт-амперная характеристика (зависимость силы тока в

проводнике от напряжения)

I =

в) зависимость сопротивления проводника от температуры

В опыте, о котором мы сегодня говорили, после остановки проводника направленное движение частиц быстро прекращается, потому что проводник оказывает току сопротивление. Сопротивление металлического проводника зависит не только от его геометрических размеров и вещества, но и от температуры. Это можно подтвердить таким опытом. Если соединить стальную спираль с источником тока и постепенно нагревать её, то при постоянном напряжении сила тока будет уменьшаться. Это говорит о том, что сопротивление спирали возрастает.

R = R₀ (1 + t) где R₀ - сопротивление до

нагревания

- изменение температуры

α -температурный коэффициент

сопротивления

Если провести этот же опыт с другими спиралями, то можно заметить, что при увеличении температуры сопротивление этих спиралей тоже увеличивается, но его изменение будет другим.

Зная, как зависит сопротивление металлического проводника от температуры, измеряв сопротивление, можно определить температуру проводника. Этот факт положен в основу работы так называемых термометров сопротивления.

Вопрос учащимся:

• Где применяется электрический ток в металлах? (Проводники для передачи электроэнергии на расстояние, сердечник трансформатора для преобразования электрической энергии, трубы для предотвращения коррозии, спираль лампы для освещения, спираль ТЭНа для нагрева, и т. д.)

4. Работа с учебником (стр. 103 п.3)

• В чём заключается явление сверхпроводимости?

5. Итог урока

• Каков характер движения электронов в металлах при отсутствии электрического поля?

• А при наличии электрического поля?

• Что представляет собой электрический ток в металлах?

• Как была доказана природа электрического тока в металлах?

• От чего зависит сопротивление металлов?

6. Домашнее задание: § 18 (читать)