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Allgemeine Physik. Elektrischer Strom in Metallen

Klasse: 11

Präsentation für den Unterricht

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Lernziele:

Um das Konzept der physikalischen Natur des elektrischen Stroms in Metallen aufzudecken, experimentelle Bestätigung der elektronischen Theorie;

Setzen Sie die Bildung naturwissenschaftlicher Ideen zum untersuchten Thema fort

Schaffen Sie Bedingungen für die Bildung von kognitivem Interesse und studentischer Aktivität

Kompetenzbildung;

Bildung kommunikativer Kommunikation.

Ausstattung: interaktiver Komplex SMART Board Notebook, lokales Computernetzwerk, Internet.

Unterrichtsmethode: kombiniert.

Epigraph der Lektion:

Bemühen Sie sich, die Wissenschaft immer tiefer zu verstehen,
Sehnsucht nach der Erkenntnis des Ewigen.
Nur das erste Wissen wird dein Licht erstrahlen lassen,
Sie werden wissen: Dem Wissen sind keine Grenzen gesetzt.

Ferdowsi
(persischer und tadschikischer Dichter, 940-1030)

Unterrichtsplan.

I. Organisierender Moment

II. Gruppenarbeit

III. Diskussion der Ergebnisse, Installation der Präsentation

IV. Betrachtung

V. Hausaufgaben

Während des Unterrichts

Hallo Leute! Hinsetzen. Heute werden wir in Gruppen arbeiten.

Aufgaben für Gruppen:

I. Physikalische Natur der Ladungen in Metallen.

II. K. Rikkes Erfahrung.

III. Erfahrung von Stuart, Tolman. Erfahrung von Mandelstam, Papaleksi.

IV. Drude-Theorie.

V. Volt-Ampere-Charakteristik von Metallen. Ohm'sches Gesetz.

VI. Die Abhängigkeit des Widerstands von Leitern von der Temperatur.

VII. Supraleitung.

1. Elektrische Leitfähigkeit ist die Fähigkeit von Stoffen, unter dem Einfluss eines äußeren elektrischen Feldes einen elektrischen Strom zu leiten.

Entsprechend der physikalischen Natur der Ladungen – Träger des elektrischen Stroms – wird die elektrische Leitfähigkeit unterteilt in:

A) elektronisch

B) ionisch

B) gemischt.

2. Für jeden Stoff ist unter gegebenen Bedingungen eine gewisse Abhängigkeit der Stromstärke von der Potentialdifferenz charakteristisch.

Entsprechend dem spezifischen Widerstand eines Stoffes ist es üblich, ihn zu unterteilen in:

A) Dirigenten (S< 10 -2 Ом*м)

B) Dielektrika (p\u003e 10 -8 Ohm * m)

C) Halbleiter (10 -2 Ohm * m> p> 10 -8 Ohm * m)

Eine solche Aufteilung ist jedoch bedingt, da sich unter dem Einfluss einer Reihe von Faktoren (Erwärmung, Bestrahlung, Verunreinigungen) der spezifische Widerstand von Stoffen und ihre Volt-Ampere-Eigenschaften teilweise sehr stark ändern.

3. Träger freier Ladungen in Metallen sind Elektronen. Durch klassische Experimente nachgewiesen K. Rikke (1901) – deutscher Physiker; L.I. Mandelstam und N. D. Papaleksi (1913) – unsere Landsleute; T. Stewart und R. Tolman (1916) – amerikanische Physiker.

K. Rikkes Erfahrung

Rikke faltete drei vorgewichtete Zylinder (zwei aus Kupfer und einer aus Aluminium) mit polierten Enden so zusammen, dass der Aluminiumzylinder zwischen den Kupferzylindern lag. Dann wurden die Zylinder an einen Gleichstromkreis angeschlossen: Im Laufe des Jahres floss ein großer Strom durch sie. Während dieser Zeit floss eine elektrische Ladung von etwa 3,5 Millionen C durch die Elektrozylinder. Die sekundäre Wechselwirkung der Zylinder, durchgeführt mit bis zu 0,03 mg, zeigte, dass sich die Masse der Zylinder durch das Experiment nicht veränderte. Bei der Untersuchung der Kontaktenden unter dem Mikroskop wurde festgestellt, dass nur geringfügige Spuren des Eindringens von Metallen vorhanden sind, die die Ergebnisse der gewöhnlichen Diffusion von Atomen in Festkörpern nicht überschreiten. Die Ergebnisse des Experiments zeigten, dass Ionen nicht an der Ladungsübertragung in Metallen beteiligt sind.

L.I. Mandelstam

N. . Papalexie

Erfahrung von L. I. Mandelstam und N. D. Papaleksi

Die russischen Wissenschaftler L. I. Mandelstam (1879–1949; Gründer der Schule der Radiophysiker) und N. D. Papaleksi (1880–1947; der größte sowjetische Physiker, Akademiker, Vorsitzender des Allunionswissenschaftlichen Rates für Radiophysik und Radiotechnik unter der Akademie von Wissenschaften der UdSSR) im Jahr 1913 lieferte die ursprüngliche Erfahrung. Sie nahmen eine Drahtspule und begannen, sie in verschiedene Richtungen zu drehen.

Zum Beispiel im Uhrzeigersinn abwickeln, dann abrupt anhalten und – zurück.

Sie argumentierten etwa so: Wenn Elektronen wirklich Masse haben, müssten sich die Elektronen, wenn die Spule plötzlich stoppt, noch einige Zeit durch Trägheit weiterbewegen. Die Bewegung von Elektronen durch einen Draht ist ein elektrischer Strom. Wie geplant, so geschah es. Wir schlossen ein Telefon an die Enden des Kabels an und hörten ein Geräusch. Sobald im Telefon ein Ton zu hören ist, fließt Strom durch das Telefon.

T. Stewart

Die Erfahrung von T. Stewart und R. Tolman

Nehmen wir eine Spule, die sich um ihre Achse drehen kann. Die Enden der Spule sind über Schleifkontakte mit dem Galvanometer verbunden. Wird die sich schnell drehende Spule stark abgebremst, bewegen sich die freien Elektronen im Draht durch Trägheit weiter, wodurch das Galvanometer einen Stromimpuls registrieren muss.

Drude-Theorie

Elektronen in einem Metall werden als Elektronengas betrachtet, auf das die kinetische Gastheorie angewendet werden kann. Es wird angenommen, dass Elektronen, wie Gasatome in der kinetischen Theorie, identische feste Kugeln sind, die sich in geraden Linien bewegen, bis sie miteinander kollidieren. Es wird davon ausgegangen, dass die Dauer eines einzelnen Stoßes vernachlässigbar ist und dass zwischen den Molekülen keine anderen Kräfte wirken als diejenigen, die im Moment des Stoßes auftreten. Da es sich bei einem Elektron um ein negativ geladenes Teilchen handelt, müssen zur Einhaltung der Bedingung der elektrischen Neutralität in einem Festkörper auch Teilchen anderer Art vorhanden sein – positiv geladene. Drude vermutete, dass die kompensierende positive Ladung zu viel schwereren Teilchen (Ionen) gehört, die er für unbeweglich hielt. Zur Zeit von Drude war nicht klar, warum es im Metall freie Elektronen und positiv geladene Ionen gibt und was diese Ionen sind. Antworten auf diese Fragen könnte nur die Quantentheorie der Festkörper geben. Bei vielen Stoffen kann man jedoch einfach davon ausgehen, dass das Elektronengas aus äußeren, schwach an den Kern gebundenen Valenzelektronen besteht, die im Metall „freigesetzt“ werden und sich frei durch das Metall bewegen können, während Atomkerne mit Elektronen der inneren Valenzelektronen bestehen Schalen (Atomkerne) bleiben unverändert und spielen die Rolle fester positiver Ionen der Drude-Theorie.

Elektrischer Strom in Metallen

Alle Metalle sind Leiter des elektrischen Stroms und bestehen aus einem räumlichen Kristallgitter, dessen Knoten mit den Zentren positiver Ionen zusammenfallen und in dem sich freie Elektronen zufällig um die Ionen bewegen.

Grundlagen der elektronischen Theorie der Leitfähigkeit von Metallen.

Ein Metall kann durch folgendes Modell beschrieben werden: Das Kristallgitter aus Ionen ist in ein ideales Elektronengas eingetaucht, das aus freien Elektronen besteht. In den meisten Metallen ist jedes Atom ionisiert, daher entspricht die Konzentration freier Elektronen ungefähr der Konzentration der Atome 10 23 - 10 29 m -3 und hängt nahezu nicht von der Temperatur ab.
Freie Elektronen in Metallen sind in ständiger chaotischer Bewegung.
Ein elektrischer Strom in einem Metall entsteht nur aufgrund der geordneten Bewegung freier Elektronen.
Durch die Kollision mit Ionen, die an den Knotenpunkten des Kristallgitters schwingen, geben Elektronen ihnen überschüssige Energie ab. Deshalb erwärmen sich Leiter, wenn Strom fließt.

Elektrischer Strom in Metallen.

Supraleitung

Das Phänomen, dass der spezifische Widerstand bei einer anderen Temperatur als dem absoluten Nullpunkt auf Null sinkt, wird Supraleitung genannt. Materialien, die die Fähigkeit aufweisen, bei bestimmten Temperaturen außer dem absoluten Nullpunkt in einen supraleitenden Zustand überzugehen, werden als Supraleiter bezeichnet.

Der Stromdurchgang in einem Supraleiter erfolgt ohne Energieverlust, daher kann ein elektrischer Strom, sobald er in einem supraleitenden Ring angeregt ist, unbegrenzt lange ohne Veränderung existieren.

Supraleitende Materialien werden bereits in Elektromagneten eingesetzt. Derzeit wird an supraleitenden Stromleitungen geforscht.

Die Anwendung des Phänomens der Supraleitung in der breiten Praxis könnte in den kommenden Jahren aufgrund der Entdeckung der Supraleitung von Keramik – Verbindungen aus Lanthan, Barium, Kupfer und Sauerstoff – im Jahr 1986 Realität werden. Die Supraleitung solcher Keramiken bleibt bis zu Temperaturen von etwa 100 K erhalten.

Gut gemacht, Jungs! Sie haben hervorragende Arbeit geleistet. Es ist eine gute Präsentation geworden. Vielen Dank für die Lektion!

Literatur.

Gorbushin Sh.A. Referenznotizen zum Studium der Physik für den Studiengang Realschule. - Ischewsk „Udmurtien“, 1992.
Lanina I.Ya. Bildung kognitiver Interessen von Schülern im Physikunterricht: Ein Buch für Lehrer. – M.: Aufklärung, 1985.
Physikunterricht in der modernen Schule. Kreative Suche für Lehrer: Ein Buch für Lehrer / Comp. E.M. Braverman / Herausgegeben von V.G. Razumovsky.- M.: Aufklärung, 1993
Digelev F.M. Aus der Geschichte der Physik und dem Leben ihrer Schöpfer: Ein Buch für Studenten. - M.: Pädagogik, 1986.
Kartsev V.L. Abenteuer großer Gleichungen. - 3. Auflage - M.: Wissen, 1986. (Leben wunderbarer Ideen).

Unterrichtsthema. Elektrischer Strom in Metallen.

Eine Lektion im Erlernen neuer Dinge mit Elementen der Kontrolle und Wiederholung.

Ausstattung: Präsentation, Installation für das Experiment zur Widerstandsänderung in Abhängigkeit von der Temperatur.

Ziele und Ziele. 1. Vermittlung von Kenntnissen über die Grundlagen der elektronischen Theorie der Leitfähigkeit von Metallen, experimentelle Untermauerung und Anwendung der Theorie in der Praxis.

2. Erweitern Sie den Horizont der Schüler mit einer Geschichte über das Phänomen der Supraleitung.

3. Lernen Sie, das Wissen über die Abhängigkeit des Widerstands von der Temperatur bei der Lösung von Problemen anzuwenden.

4. Wecken patriotischer Gefühle durch Kennenlernen der Entdeckungsgeschichte auf dem Gebiet der Festkörperphysik.

Unterrichtsplan. (durch Folien)

1.Heute im Unterricht.

2. Wiederholen wir es. Es werden Fragen gestellt, deren Kenntnis beim Erlernen neuer Dinge erforderlich ist.

3. Die Untersuchung des Neuen: a) der elektrischen Leitfähigkeit verschiedener Stoffe; b) der Natur der Ladungsträger in Metallen; c) die Theorie der elektrischen Leitfähigkeit von Metallen; d) Abhängigkeit des Widerstands von der Temperatur; e) Widerstandsthermometer; f) Supraleitung und ihre Anwendungen.

4. Kontrolltest. (Prüfung nach Mausklick).

5. Reparieren. Für die Abhängigkeit des Widerstands von der Temperatur werden drei Probleme vorgeschlagen. Antworten erscheinen nach einem Mausklick. Die Studierenden entnehmen den Tabellen die notwendigen konstanten Parameter.

Dokumentinhalt anzeigen
„Präsentation zur Lektion „Elektrischer Strom in Metallen“, Klasse 10.“

Elektrischer Strom in Metallen

Savvateeva Svetlana Nikolaevna, Physiklehrerin, MBOU „Kemetskaya-Sekundarschule“ des Bezirks Bologovsky der Region Twer.

HEUTE IN DER LEKTION

Das Geheimnis wird gelüftet. Was verbirgt sich hinter dem Begriff „Stromträger in Metallen“?

Was sind die Schwierigkeiten der klassischen Theorie der elektrischen Leitfähigkeit von Metallen?

Warum brennen Glühbirnen durch?

Warum brennen sie beim Einschalten aus?

Wie kann man den Widerstand verlieren?

WIEDERHOLEN

Was ist elektrischer Strom?
Was sind die Bedingungen für die Existenz einer Strömung?
Welche Aktionen der Strömung kennen Sie?
Welche Richtung hat der Strom?
Welchen Wert hat der Strom in einem Stromkreis?
Was ist die Einheit des Stroms?
Von welchen Größen hängt die Stromstärke ab?
Wie groß ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Stroms im Leiter?
Wie groß ist die Geschwindigkeit der geordneten Bewegung von Elektronen?
Hängt der Widerstand von Strom und Spannung ab?
Wie wird das Ohmsche Gesetz für einen Abschnitt einer Kette und für eine vollständige Kette formuliert?

Natur der Ladungsträger in Metallen

Rikkes Erfahrung (Deutsch) - 1901 Jahr! M = const, das sind keine Ionen!

Mandelstam und Papaleksi (1913)

Stewart und Tolman (1916)

In Stromrichtung -

Von І J I - q ⁄ m = e ⁄ m) ist Elektronen!

Elektrischer Strom in Metallen ist die gerichtete Bewegung von Elektronen.

Theorie der elektrischen Leitfähigkeit von Metallen

P. Druse, 1900:

freie Elektronen – „elektronisches Gas“;
Elektronen bewegen sich gemäß den Newtonschen Gesetzen;
Freie Elektronen kollidieren mit Kristallionen. Gitter;
Bei der Kollision übertragen Elektronen ihre kinetische Energie auf Ionen.
die Durchschnittsgeschwindigkeit ist proportional zur Intensität und damit zur Potentialdifferenz;

R=f( ρ, l, s, t)

Widerstandsthermometer

Vorteile: Hilft bei der Messung sehr niedriger und sehr hoher Temperaturen.

Supraleitung

Quecksilber in flüssigem Helium

Die Erklärung basiert auf der Quantentheorie.

D. Bardeen, L. Cooper, D. Schrieffer (Amerikaner) und

N. Bogolyubov (Mitstudent 1957)

Und auch:

Erhalten hoher Ströme, Magnetfelder;
Übertragung von Strom ohne Verlust.

Kontrolltest

Wie bewegen sich freie Elektronen in Metallen?

A. In einer genau definierten Reihenfolge. B. Zufällig. B. Ordentlich.

Wie bewegen sich freie Elektronen in Metallen unter Einwirkung eines elektrischen Feldes?

A. Ungeordnet. B. Ordentlich. B. in Richtung des elektrischen Feldes geordnet. G. Geordnet in der dem elektrischen Feld entgegengesetzten Richtung.

. Welche Teilchen befinden sich an den Knotenpunkten des Kristallgitters von Metallen und welche Ladung haben sie?

A. Negative Ionen. B. Elektronen. B. Positive Ionen.

Welche Wirkung wird von elektrischem Strom in elektrischen Lampen genutzt?

A. Magnetisch. B. thermisch. B. Chemisch. G. Licht und Thermik.

Die Bewegung welcher Teilchen wird als Richtung des Stroms im Leiter angesehen?

A.Elektronov. B. Negative Ionen. B. Positive Ladungen.

Warum werden Metalle heiß, wenn Strom durch sie fließt?

A. Freie Elektronen kollidieren miteinander. B. Freie Elektronen kollidieren mit Ionen. B. Ionen kollidieren mit Ionen.

Wie verändert sich der Widerstand von Metallen, wenn sie abgekühlt werden?

A. Erhöht. B. nimmt ab. B. Ändert sich nicht.

1 . B. 2.G. 3.B. 4.G. 5.B. 6.B. 7.B.

DAS PROBLEM LÖSEN

1. Elektrischer Widerstand eines Wolframfadens einer elektrischen Lampe bei einer Temperatur von 23 °C °C entspricht 4 Ohm.

Ermitteln Sie den elektrischen Widerstand des Filaments bei 0 °C.

(Antwort: 3,6 Ohm)

2. Der elektrische Widerstand eines Wolframfadens beträgt bei 0 °C 3,6 Ohm. Finden Sie den elektrischen Widerstand

Bei einer Temperatur von 2700 K.

(Antwort: 45,5 Ohm)

3. Der elektrische Widerstand des Drahtes beträgt bei 20°C 25 Ohm, bei 60°C 20 Ohm. Finden

Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstands.

(Antwort: 0,0045 K¯¹)

Elektrischer Strom in Metallen Savvateeva Svetlana Nikolaevna, Physiklehrerin, MBOU „Kemetskaya-Sekundarschule“ des Bezirks Bologovsky der Region Twer. HEUTE IN DER LEKTION Das Geheimnis wird gelüftet. Was verbirgt sich hinter dem Begriff „Stromträger in Metallen“? Was sind die Schwierigkeiten der klassischen Theorie der elektrischen Leitfähigkeit von Metallen? Warum brennen Glühbirnen durch? Warum brennen sie beim Einschalten aus? Wie kann man den Widerstand verlieren? WIEDERHOLEN

Was ist elektrischer Strom?
Was sind die Bedingungen für die Existenz einer Strömung?
Welche Aktionen der Strömung kennen Sie?
Welche Richtung hat der Strom?
Welchen Wert hat der Strom in einem Stromkreis?
Was ist die Einheit des Stroms?
Von welchen Größen hängt die Stromstärke ab?
Wie groß ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Stroms im Leiter?
Wie groß ist die Geschwindigkeit der geordneten Bewegung von Elektronen?
Hängt der Widerstand von Strom und Spannung ab?
Wie wird das Ohmsche Gesetz für einen Abschnitt einer Kette und für eine vollständige Kette formuliert?

ELEKTRISCHE LEITFÄHIGKEIT VERSCHIEDENER STOFFE

Mandelstam und Papaleksi (1913)

Stewart und Tolman (1916)

In Stromrichtung -< 0

Nach І J I - q ⁄ m = e ⁄ m ) sind das Elektronen!

Rikkes Erfahrung (Deutsch) - 1901 Jahr! M = const, das sind keine Ionen!

Natur der Ladungsträger in Metallen

Elektrischer Strom in Metallen ist die gerichtete Bewegung von Elektronen.

Theorie der elektrischen Leitfähigkeit von Metallen

P. Druse, 1900:

freie Elektronen – „elektronisches Gas“;
Elektronen bewegen sich gemäß den Newtonschen Gesetzen;
Freie Elektronen kollidieren mit Kristallionen. Gitter;
Bei der Kollision übertragen Elektronen ihre kinetische Energie auf Ionen.
die Durchschnittsgeschwindigkeit ist proportional zur Intensität und damit zur Potentialdifferenz;

R= f (ρ, l, s, t)

Widerstandsthermometer

Vorteile: Hilft bei der Messung sehr niedriger und sehr hoher Temperaturen.

Supraleitung Quecksilber in flüssigem Helium

Die Erklärung basiert auf der Quantentheorie.

D. Bardeen, L. Cooper, D. Schrieffer (Amerikaner) und

N. Bogolyubov (Mitstudent 1957)

Anwendung der Supraleitung!

Erhalten hoher Ströme, Magnetfelder;
Übertragung von Strom ohne Verlust.

Kontrolltest

Wie bewegen sich freie Elektronen in Metallen?
Wie bewegen sich freie Elektronen in Metallen unter Einwirkung eines elektrischen Feldes?
.Welche Teilchen befinden sich an den Knotenpunkten des Kristallgitters von Metallen und welche Ladung haben sie?
Welche Wirkung wird von elektrischem Strom in elektrischen Lampen genutzt?
Die Bewegung welcher Teilchen wird als Richtung des Stroms im Leiter angesehen?
Warum werden Metalle heiß, wenn Strom durch sie fließt?
Wie verändert sich der Widerstand von Metallen, wenn sie abgekühlt werden?

1. B. 2. D. 3.B. 4.G. 5.B. 6.B. 7.B.

DAS PROBLEM LÖSEN

1. Der elektrische Widerstand des Wolframfadens einer elektrischen Lampe beträgt bei einer Temperatur von 23 °C 4 Ohm.

Ermitteln Sie den elektrischen Widerstand des Filaments bei 0 °C.

(Antwort: 3,6 Ohm)

2. Der elektrische Widerstand eines Wolframfadens beträgt bei 0 °C 3,6 Ohm. Finden Sie den elektrischen Widerstand

Bei einer Temperatur von 2700 K.

(Antwort: 45,5 Ohm)

3. Der elektrische Widerstand des Drahtes beträgt bei 20°C 25 Ohm, bei 60°C 20 Ohm. Finden

Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstands.

WAS IST ELEKTRISCHER STROM IN METALLEN?

Elektrischer Strom in Metallen - es ist die geordnete Bewegung von Elektronen unter der Wirkung eines elektrischen Feldes. Experimente zeigen, dass beim Stromfluss durch einen Metallleiter keine Stoffübertragung stattfindet und Metallionen daher nicht an der Übertragung elektrischer Ladung beteiligt sind.

NATUR DES ELEKTRISCHEN STROMS IN METALLEN

Elektrischer Strom in Metallleitern verursacht keine Veränderungen in diesen Leitern, außer ihrer Erwärmung.

Die Konzentration der Leitungselektronen in einem Metall ist sehr hoch: Sie entspricht größenordnungsmäßig der Anzahl der Atome pro Volumeneinheit des Metalls. Elektronen in Metallen sind ständig in Bewegung. Ihre zufällige Bewegung ähnelt der Bewegung idealer Gasmoleküle. Dies gab Anlass zu der Annahme, dass Elektronen in Metallen eine Art Elektronengas bilden. Aber die Geschwindigkeit der zufälligen Bewegung von Elektronen in einem Metall ist viel größer als die Geschwindigkeit von Molekülen in einem Gas.

E.RIKKE-ERFAHRUNG

Der deutsche Physiker Carl Rikke führte ein Experiment durch, bei dem ein Jahr lang ein elektrischer Strom durch drei aneinander gepresste polierte Zylinder floss – Kupfer, Aluminium und erneut Kupfer. Nach der Fertigstellung wurde festgestellt, dass nur geringfügige Spuren der gegenseitigen Durchdringung von Metallen vorhanden sind, die nicht über die Ergebnisse der gewöhnlichen Diffusion von Atomen in Festkörpern hinausgehen. Mit hoher Genauigkeit durchgeführte Messungen zeigten, dass die Masse jedes einzelnen Zylinders unverändert blieb. Da sich die Massen von Kupfer- und Aluminiumatomen deutlich voneinander unterscheiden, müsste sich die Masse der Zylinder merklich ändern, wenn die Ladungsträger Ionen wären. Daher sind freie Ladungsträger in Metallen keine Ionen. Die enorme Ladung, die durch die Zylinder floss, wurde offenbar von Partikeln getragen, die sowohl in Kupfer als auch in Aluminium gleich sind. Es liegt nahe, anzunehmen, dass es freie Elektronen sind, die in Metallen den Strom leiten.

Carl Victor Eduard Rikke

ERLEBEN SIE L.I. MANDELSHTAMA und N.D. PAPALEKSI

Die russischen Wissenschaftler L. I. Mandelstam und N. D. Papaleksi führten 1913 ein originelles Experiment durch. Die Spule mit dem Draht begann sich in verschiedene Richtungen zu drehen. Abwickeln, im Uhrzeigersinn, dann abrupt anhalten und – zurück. Sie argumentierten etwa so: Wenn Elektronen wirklich Masse haben, müssten sich die Elektronen, wenn die Spule plötzlich stoppt, noch einige Zeit durch Trägheit weiterbewegen. Und so geschah es. Wir schlossen ein Telefon an die Enden des Kabels an und hörten ein Geräusch, was bedeutete, dass Strom durch das Kabel floss.

Mandelstam Leonid Isaakovich

Nikolai Dmitrijewitsch Papalexie (1880-1947)

DIE ERFAHRUNG VON T. STUART UND R. TOLMAN

Die Erfahrung von Mandelstam und Papaleksi wurde 1916 von den amerikanischen Wissenschaftlern Tolman und Stuart wiederholt.

Eine Spule mit vielen Windungen aus dünnem Draht wurde in schnelle Rotation um ihre Achse gebracht. Die Enden der Spule waren mit flexiblen Drähten an ein empfindliches ballistisches Galvanometer angeschlossen. Die ungedrehte Spule wurde stark abgebremst, im Stromkreis entstand aufgrund der Trägheit der Ladungsträger ein kurzzeitiger Strom. Die durch den Stromkreis fließende Gesamtladung wurde durch die Auslenkung der Galvanometernadel gemessen.

Butler Stuart Thomas

Richard Chase Tolman

KLASSISCHE ELEKTRONISCHE THEORIE

Die Annahme, dass Elektronen für den elektrischen Strom in Metallen verantwortlich sind, gab es bereits vor dem Experiment von Stewart und Tolman. Im Jahr 1900 erstellte der deutsche Wissenschaftler P. Drude auf der Grundlage der Hypothese der Existenz freier Elektronen in Metallen seine nach ihm benannte elektronische Theorie der Leitfähigkeit von Metallen klassische elektronische Theorie . Nach dieser Theorie verhalten sich Elektronen in Metallen wie ein Elektronengas, also etwa wie ein ideales Gas. Es füllt den Raum zwischen den Ionen, die das Kristallgitter des Metalls bilden

Die Abbildung zeigt die Flugbahn eines der freien Elektronen im Kristallgitter eines Metalls

WICHTIGSTE BESTIMMUNGEN DER THEORIE:

Das Vorhandensein einer großen Anzahl von Elektronen in Metallen trägt zu ihrer guten Leitfähigkeit bei.
Unter Einwirkung eines äußeren elektrischen Feldes wird der zufälligen Bewegung der Elektronen eine geordnete Bewegung überlagert, d.h. Strom entsteht.
Die Stärke des durch einen Metallleiter fließenden elektrischen Stroms beträgt:
Da die innere Struktur verschiedener Substanzen unterschiedlich ist, ist auch der Widerstand unterschiedlich.
Mit zunehmender chaotischer Bewegung von Stoffteilchen erwärmt sich der Körper, d.h. Wärmefreisetzung. Dabei gilt das Joule-Lenz-Gesetz:

l = e * n * S * Ū d

Supraleitfähigkeit von Metallen und Legierungen

Einige Metalle und Legierungen verfügen über Supraleitung, d. h. die Eigenschaft, dass der elektrische Widerstand bei Erreichen einer Temperatur unter einem bestimmten Wert (kritische Temperatur) völlig gleich Null ist.

Das Phänomen der Supraleitung wurde 1911 vom niederländischen Physiker H. Kamerling-Ohness in Quecksilber (T cr = 4,2 o K) entdeckt.

ANWENDUNG ELEKTRISCHER STROM:

starke Magnetfelder empfangen
Übertragung von Elektrizität von der Quelle zum Verbraucher
leistungsstarke Elektromagnete mit supraleitender Wicklung in Generatoren, Elektromotoren und Beschleunigern, in Heizgeräten

Derzeit gibt es im Energiesektor ein großes Problem, das mit großen Verlusten bei der Übertragung von Strom über Leitungen verbunden ist.

Mögliche Lösung des Problems:

Bau zusätzlicher Übertragungsleitungen – Austausch von Leitungen mit großen Querschnitten – Spannungserhöhung – Phasenteilung

ELEKTRISCHER STROM IN METALLEN

Folie 2

Grundlagen der elektronischen Leitfähigkeitstheorie Zu Beginn des 20. Jahrhunderts entstand die klassische elektronische Leitfähigkeitstheorie von Metallen (P. Drude, 1900, H. Lorenz, 1904), die die meisten davon einfach und anschaulich erklärte die elektrischen und thermischen Eigenschaften von Metallen. Paul Drude Karl Ludwig – deutscher Physiker Hendrik Anton Lorenz – niederländischer Physiker

Folie 3

Die Bewegung von Elektronen folgt den Gesetzen der klassischen Mechanik. Elektronen interagieren nicht miteinander. Elektronen interagieren nur mit Ionen des Kristallgitters, diese Wechselwirkung wird auf eine Kollision reduziert. In den Intervallen zwischen den Kollisionen bewegen sich die Elektronen frei. Die Leitungselektronen bilden ein „Elektronengas“, wie ein ideales Gas. „Elektronisches Gas“ gehorcht den Gesetzen eines idealen Gases. Bei jeder Kollision überträgt das Elektron die gesamte angesammelte Energie. Klassische elektronische Theorie Drude - Lorentz.

Folie 4

Elektrischer Strom in Metallen Die Ionen des Kristallgitters des Metalls sind an der Stromerzeugung nicht beteiligt. Ihre Bewegung beim Stromdurchgang würde einen Stofftransport entlang des Leiters bedeuten, der nicht beobachtet wird. Beispielsweise änderten sich in den Experimenten von E. Rikke (1901) die Masse und die chemische Zusammensetzung des Leiters während des Stromdurchgangs im Laufe des Jahres nicht.

Folie 5

Fazit: Es findet keine Stoffübertragung statt => 1) Metallionen nehmen nicht an der Übertragung elektrischer Ladung teil. 2) Ladungsträger – Teilchen, aus denen alle Metalle bestehen. Erfahrung von Rikke 1901

Folie 6: Elektronen interagieren nicht miteinander, sondern mit Ionen des Kristallgitters. Bei jedem Stoß überträgt das Elektron seine kinetische Energie

Folie 7

Der experimentelle Beweis dafür, dass der Strom in Metallen durch freie Elektronen erzeugt wird, wurde in den Experimenten von L.I. erbracht. Mandelstam und N. D. Papaleksi (1913, die Ergebnisse wurden nicht veröffentlicht) sowie T. Stewart und R. Tolman (1916). Sie fanden heraus, dass beim plötzlichen Stoppen einer schnell rotierenden Spule im Leiter der Spule ein elektrischer Strom entsteht, der durch negativ geladene Teilchen – Elektronen – erzeugt wird.

Folie 8

Erfahrung von Mandelstam und Papaleksi Schlussfolgerung: Elektrische Ladungsträger bewegen sich durch Trägheit 1913

Folie 9

Erfahrung von Tolman und Stewart Schlussfolgerungen: Ladungsträger in Metall sind negativ geladene Teilchen. Beziehung = > Elektrischer Strom in Metallen entsteht durch die Bewegung von Elektronen 1916

Folie 10: Ionen erzeugen thermische Schwingungen nahe der Gleichgewichtsposition – den Knoten des Kristallgitters. Freie Elektronen bewegen sich zufällig und kollidieren bei ihrer Bewegung mit den Ionen des Kristallgitters.

Folie 11

Ein metallischer Leiter besteht aus: positiv geladenen Ionen, die um die Gleichgewichtsposition oszillieren, und 2) freien Elektronen, die sich durch das gesamte Volumen des Leiters bewegen können. In einem Metall bewegen sich Leitungselektronen ohne elektrisches Feld zufällig und kollidieren, am häufigsten mit Ionen des Kristallgitters. Die Gesamtheit dieser Elektronen kann näherungsweise als eine Art Elektronengas betrachtet werden, das den Gesetzen eines idealen Gases gehorcht. Die durchschnittliche Geschwindigkeit der thermischen Bewegung von Elektronen bei Raumtemperatur beträgt etwa 105 m/s.

Folie 12

Die Abhängigkeit des Leiterwiderstands R von der Temperatur: Bei Erwärmung ändern sich die Abmessungen des Leiters wenig, hauptsächlich aber der spezifische Widerstand. Der spezifische Widerstand des Leiters hängt von der Temperatur ab: Dabei ist rho der spezifische Widerstand bei 0 Grad, t ist die Temperatur und der Temperaturkoeffizient des Widerstands (d. h. die relative Änderung des spezifischen Widerstands des Leiters, wenn er um ein Grad erhitzt wird).

Folie 13

Für alle metallischen Leiter ist α > 0 und ändert sich geringfügig mit der Temperatur. Für die meisten Metalle im Temperaturbereich von 0 ° bis 100 °C variiert der Koeffizient α von 3,3⋅10–3 bis 6,2⋅10–3 K–1 (Tabelle 1). Bei chemisch reinen Metallen gibt es spezielle Legierungen, deren Widerstand sich beim Erhitzen praktisch nicht ändert, beispielsweise Manganin und Konstantan. Ihre Temperaturkoeffizienten des Widerstands sind sehr niedrig und betragen 1⋅10–5 K–1 bzw. 5⋅10–5 K–1.

Folie 14

Bei Metallleitern nimmt also mit zunehmender Temperatur der spezifische Widerstand zu, der Widerstand des Leiters nimmt zu und der elektrische Strom im Stromkreis nimmt ab. Der Widerstand eines Leiters bei einer Temperaturänderung kann nach folgender Formel berechnet werden: R = Ro (1 + t) wobei Ro der Widerstand des Leiters bei 0 Grad Celsius ist, t die Temperatur des Leiters – der Temperaturkoeffizient des Widerstands

Folie 15: Leiterwiderstand

Widerstand ist eine physikalische Größe, die den Widerstandsgrad eines Leiters gegenüber der gerichteten Ladungsbewegung charakterisiert. Der spezifische Widerstand ist der Widerstand eines zylindrischen Leiters mit einer Einheitslänge und einer Einheitsquerschnittsfläche. Supraleitung ist ein physikalisches Phänomen, das in einem abrupten Abfall des Widerstands auf Null bei einer bestimmten kritischen Temperatur (T cr) – spezifischer Widerstand, – Leiterlänge, S – Querschnittsfläche = (1 + ∆ T) – spezifischer Widerstand bei t = besteht 20 0 С; - Temperaturkoeffizient des Widerstands = 1/273 0 K -1 ∆ T - Temperaturänderung T, K 0 Metallsupraleiter T cr 293

Folie 16

Supraleitung, eine Eigenschaft vieler Leiter, besteht darin, dass ihr elektrischer Widerstand abrupt auf Null sinkt, wenn er unter eine bestimmte kritische Temperatur T k abgekühlt wird, die für ein bestimmtes Material charakteristisch ist. C. kommt in mehr als 25 metallischen Elementen, in einer Vielzahl von Legierungen und intermetallischen Verbindungen sowie in einigen Halbleitern vor.

Folie 17

Im Jahr 1911 entdeckte der niederländische Physiker Kamerling-Onnes, dass sich beim Abkühlen von Quecksilber in flüssigem Helium sein Widerstand zunächst allmählich ändert und dann bei einer Temperatur von 4,2 K stark auf Null abfällt.

Folie 18

G. Kamerlingh-Onnes erhielt 1913 den Nobelpreis für Physik „für Studien über die Eigenschaften von Materie bei niedrigen Temperaturen“. Später wurde festgestellt, dass mehr als 25 chemische Elemente – Metalle – bei sehr niedrigen Temperaturen zu Supraleitern werden. Jeder von ihnen hat seine eigene kritische Übergangstemperatur in einen Zustand ohne Widerstand. Der niedrigste Wert für Wolfram liegt bei 0,012 K, der höchste für Niob bei 9 K. Supraleitung wird nicht nur in reinen Metallen, sondern auch in vielen chemischen Verbindungen und Legierungen beobachtet. In diesem Fall dürfen die Elemente selbst, die Teil der supraleitenden Verbindung sind, keine Supraleiter sein. Zum Beispiel NiBi, Au2Bi, PdTe, PtSb und andere. Bis 1986 war bekannt, dass Supraleiter diese Eigenschaft bei sehr niedrigen Temperaturen unter –259 °C aufweisen. In den Jahren 1986-1987 wurden Materialien mit einer Übergangstemperatur in den supraleitenden Zustand von etwa -173 °C entdeckt. Dieses Phänomen wird Hochtemperatursupraleitung genannt und zu seiner Beobachtung kann flüssiger Stickstoff anstelle von flüssigem Helium verwendet werden.

Folie 19: Supraleitung

Akademiker V.L. Ginzburg, Nobelpreisträger für seine Arbeiten zur Supraleitung

Folie 20: Supraleitung von Metallen und Legierungen

Bei vielen Metallen und Legierungen wird bei Temperaturen nahe T = 0 K ein starker Abfall des spezifischen Widerstands beobachtet – dieses Phänomen wird als Supraleitung von Metallen bezeichnet. Es wurde 1911 vom niederländischen Physiker H. Kamerling-Ohness in Quecksilber (T cr = 4,2 o K) entdeckt. T P 0

Folie 21: Allgemeine Informationen

Etwa die Hälfte der Metalle und mehrere hundert Legierungen besitzen die Eigenschaft der Supraleitung. Supraleitende Eigenschaften hängen von der Art der Kristallstruktur ab. Durch eine Veränderung kann Materie vom gewöhnlichen in den supraleitenden Zustand überführt werden. Die kritischen Temperaturen der Isotope von Elementen, die in den supraleitenden Zustand übergehen, stehen in Beziehung zu den Massen der Isotope durch die Beziehung: T e (M e) 1/2 = const (Isotopeneffekt) Ein starkes Magnetfeld zerstört den Effekt der Supraleitung. Daher kann die Eigenschaft der Supraleitung verschwinden, wenn sie in ein Magnetfeld gebracht wird.

Folie 22: Reaktion auf Verunreinigungen

Das Einbringen einer Verunreinigung in einen Supraleiter verringert die Schärfe des Übergangs in den supraleitenden Zustand. Bei normalen Metallen verschwindet der Strom nach etwa 10 -12 s. In einem Supraleiter kann der Strom jahrelang zirkulieren (theoretisch 105 Jahre!).

Folie 23: Die physikalische Natur der Supraleitung

Das Phänomen der Supraleitung kann nur mit Hilfe von Quantenkonzepten verstanden und begründet werden. Sie wurden 1957 von den amerikanischen Wissenschaftlern J. Bardin, L. Cooper, J. Schrieffer und dem sowjetischen Akademiker N.N. vorgestellt. Bogoljubow. 1986 wurde die Hochtemperatursupraleitung von Verbindungen aus Lanthan, Barium und anderen Elementen entdeckt (T = 100 0 K ist der Siedepunkt von flüssigem Stickstoff).

Folie 24

Allerdings ist Nullwiderstand nicht das einzige Kennzeichen der Supraleitung. Aus der Drude-Theorie ist außerdem bekannt, dass die Leitfähigkeit von Metallen mit sinkender Temperatur zunimmt, das heißt, der elektrische Widerstand geht gegen Null.

Ausgehend vom unbeweglichen Supraleiter schwebt der Magnet und steigt weiter an, bis äußere Bedingungen den Supraleiter aus der supraleitenden Phase herausholen. Als Ergebnis dieses Effekts „sieht“ ein Magnet, der sich einem Supraleiter nähert, einen Magneten mit umgekehrter Polarität von genau derselben Größe, was eine Levitation verursacht.

Folie 27: Anwendung der Supraleitung

1. Es werden leistungsstarke Elektromagnete mit supraleitender Wicklung gebaut, die über einen langen Zeitraum ein Magnetfeld erzeugen, ohne Strom zu verbrauchen, denn es erfolgt keine Wärmefreisetzung. 2. Supraleitende Magnete werden in Elementarteilchenbeschleunigern, magnetohydrodynamischen Beschleunigern und Generatoren verwendet, die die Energie eines Strahls heißen ionisierten Gases, der sich in einem Magnetfeld bewegt, in elektrische Energie umwandeln. 3. Hochtemperatur-Supraleitung wird in naher Zukunft zu einer technischen Revolution in der Funkelektronik und Funktechnik führen. 4. Wenn es gelingt, Supraleiter bei Raumtemperatur herzustellen, werden Generatoren und Elektromotoren extrem kompakt und es wird möglich sein, Strom über weite Strecken verlustfrei zu übertragen.