Dom › Hlađenje › Opća fizika. Električna struja u metalima

Opća fizika. Električna struja u metalima

Klasa: 11

Prezentacija za lekciju

Natrag naprijed

Pažnja! Pregled slajdova je samo u informativne svrhe i možda ne predstavlja puni opseg prezentacije. Ako ste zainteresirani za ovaj rad, preuzmite punu verziju.

Ciljevi lekcije:

Otkriti koncept fizičke prirode električne struje u metalima, eksperimentalna potvrda elektronske teorije;

Nastaviti formiranje prirodoslovnih ideja o temi koja se proučava

Stvoriti uvjete za formiranje kognitivnog interesa, aktivnosti učenika

Formiranje vještina;

Formiranje komunikacijske komunikacije.

Oprema: interaktivni kompleks SMART Board Notebook, lokalna mreža računala, Internet.

Metoda izvođenja nastave: kombinirana.

Epigraf lekcije:

Nastojte spoznati znanost sve dublje,
Čežnja za spoznajom vječnog.
Samo će ti prvo znanje obasjati svjetlo,
Znat ćete: znanje nema granica.

Ferdowsi
(perzijski i tadžički pjesnik, 940-1030)

Plan učenja.

I. Organizacijski trenutak

II. Grupni rad

III. Rasprava o rezultatima, postavljanje prezentacije

IV. Odraz

V. Domaća zadaća

Tijekom nastave

Bok dečki! Sjedni. Danas ćemo raditi u grupama.

Zadaci za grupe:

I. Fizikalna priroda naboja u metalima.

II. Iskustvo K. Rikkea.

III. Iskustvo Stuarta, Tolmana. Iskustvo Mandeljštama, Papaleksi.

IV. Drudeova teorija.

V. Volt-amperska karakteristika metala. Ohmov zakon.

VI. Ovisnost otpora vodiča o temperaturi.

VII. Supravodljivost.

1. Električna vodljivost je sposobnost tvari da pod utjecajem vanjskog električnog polja provode električnu struju.

Prema fizičkoj prirodi naboja - nositelja električne struje električna vodljivost se dijeli na:

A) elektronički

B) ionski

B) mješoviti.

2. Za svaku tvar u danim uvjetima karakteristična je određena ovisnost jakosti struje o razlici potencijala.

Prema otpornosti tvari, uobičajeno je podijeliti je na:

A) vodiči (str< 10 -2 Ом*м)

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

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

Međutim, takva je podjela uvjetna, jer se pod utjecajem niza čimbenika (grijanje, zračenje, nečistoće) otpornost tvari i njihove volt-amper karakteristike mijenjaju, a ponekad i vrlo značajno.

3. Nositelji slobodnih naboja u metalima su elektroni. Dokazano klasičnim pokusima K. Rikke (1901.) - njemački fizičar; L.I. Mandeljštam i N. D. Papaleksi (1913.) - naši sunarodnjaci; T. Stewart i R. Tolman (1916.) - američki fizičari.

Iskustvo K. Rikkea

Rikke je presavio tri unaprijed ponderirana cilindra (dva bakrena i jedan aluminijski) s poliranim krajevima tako da je aluminijski bio između bakrenih. Zatim su cilindri spojeni na istosmjerni krug: kroz njih je tijekom godine prolazila velika struja. Za to vrijeme je kroz električne cilindre prošao električni naboj od približno 3,5 milijuna C. Sekundarna interakcija cilindara, provedena s do 0,03 mg, pokazala je da se masa cilindara nije promijenila kao rezultat pokusa. Pregledom kontaktnih krajeva pod mikroskopom ustanovljeno je da postoje samo manji tragovi prodiranja metala, koji ne prelaze rezultate obične difuzije atoma u čvrstim tijelima. Rezultati pokusa pokazali su da ioni ne sudjeluju u prijenosu naboja u metalima.

L.I. Mandeljštam

N. . Papaleksija

Iskustvo L. I. Mandeljštama i N. D. Papaleksija

Ruski znanstvenici L. I. Mandelstam (1879-1949; osnivač škole radiofizičara) i N. D. Papaleksi (1880-1947; najveći sovjetski fizičar, akademik, predsjednik Svesaveznog znanstvenog vijeća za radiofiziku i radiotehniku pri Akademiji znanosti SSSR-a) 1913. donio izvorno iskustvo. Uzeli su kolut žice i počeli ga uvijati u različitim smjerovima.

Odmotajte se, primjerice, u smjeru kazaljke na satu, pa naglo stanite i – natrag.

Rezonirali su otprilike ovako: ako elektroni doista imaju masu, onda kada se zavojnica iznenada zaustavi, elektroni bi se trebali nastaviti kretati po inerciji neko vrijeme. Kretanje elektrona kroz žicu je električna struja. Kako je planirano, tako se i dogodilo. Spojili smo telefon na krajeve žice i čuli zvuk. Nakon što se u telefonu čuje zvuk, dakle, kroz njega teče struja.

T. Stewart

Iskustvo T. Stewarta i R. Tolmana

Uzmimo zavojnicu koja se može okretati oko svoje osi. Krajevi zavojnice spojeni su na galvanometar pomoću kliznih kontakata. Ako se zavojnica, koja se brzo vrti, naglo zakoči, tada će se slobodni elektroni u žici nastaviti kretati po inerciji, zbog čega galvanometar mora registrirati strujni impuls.

Drudeova teorija

Elektroni u metalu smatraju se elektronskim plinom, na koji se može primijeniti kinetička teorija plinova. Vjeruje se da su elektroni, poput atoma plina u kinetičkoj teoriji, identične čvrste kugle koje se kreću u ravnim linijama dok se ne sudare jedna s drugom. Pretpostavlja se da je trajanje pojedinog sudara zanemarivo, te da između molekula ne djeluju druge sile osim onih koje nastaju u trenutku sudara. Budući da je elektron negativno nabijena čestica, da bi se ispunio uvjet električne neutralnosti u krutom tijelu, moraju postojati i čestice druge vrste - pozitivno nabijene. Drude je predložio da kompenzacijski pozitivni naboj pripada puno težim česticama (ionima), koje je smatrao nepokretnima. U Drudeovo vrijeme nije bilo jasno zašto postoje slobodni elektroni i pozitivno nabijeni ioni u metalu i što su ti ioni. Samo je kvantna teorija čvrstih tijela mogla dati odgovore na ova pitanja. Za mnoge tvari, međutim, može se jednostavno pretpostaviti da se elektronski plin sastoji od vanjskih valentnih elektrona slabo vezanih na jezgru, koji su "oslobođeni" u metalu i mogu se slobodno kretati kroz metal, dok atomske jezgre s elektronima unutarnje ljuske (atomske jezgre) ostaju nepromijenjene.i igraju ulogu fiksnih pozitivnih iona Drudeove teorije.

Električna struja u metalima

Svi metali su vodiči električne struje i sastoje se od prostorne kristalne rešetke, čiji se čvorovi podudaraju sa središtima pozitivnih iona, a slobodni elektroni se nasumično kreću oko iona.

Osnove elektronske teorije vodljivosti metala.

Metal se može opisati sljedećim modelom: kristalna rešetka iona uronjena je u idealni elektronski plin koji se sastoji od slobodnih elektrona. Kod većine metala svaki atom je ioniziran, pa je koncentracija slobodnih elektrona približno jednaka koncentraciji atoma 10 23 - 10 29 m -3 i gotovo ne ovisi o temperaturi.
Slobodni elektroni u metalima su u kontinuiranom kaotičnom gibanju.
Električna struja u metalu nastaje samo zahvaljujući uređenom kretanju slobodnih elektrona.
Sudarajući se s ionima koji vibriraju u čvorovima kristalne rešetke, elektroni im daju višak energije. Zbog toga se vodiči zagrijavaju kada teče struja.

Električna struja u metalima.

Supravodljivost

Fenomen smanjenja otpora na nulu na temperaturi različitoj od apsolutne nule naziva se supravodljivost. Materijali koji pokazuju sposobnost prijelaza na određenim temperaturama osim apsolutne nule u supravodljivo stanje nazivaju se supravodiči.

Prolaz struje u supravodiču događa se bez gubitka energije, stoga, jednom pobuđena u supravodljivom prstenu, električna struja može postojati neograničeno dugo bez promjene.

Supravodljivi materijali već se koriste u elektromagnetima. U tijeku su istraživanja za stvaranje supravodljivih vodova.

Primjena fenomena supravodljivosti u širokoj praksi mogla bi postati stvarnost u narednim godinama zahvaljujući otkriću supravodljivosti keramike 1986. godine - spojeva lantana, barija, bakra i kisika. Supravodljivost takve keramike zadržava se do temperatura od oko 100 K.

Bravo momci! Obavili su izvrstan posao. Ispala je dobra prezentacija. Hvala vam na lekciji!

Književnost.

Gorbushin Sh.A. Referentne bilješke za studij fizike za tečaj srednje škole. - Iževsk "Udmurtia", 1992.
Lanina I.Ya. Formiranje kognitivnih interesa učenika u nastavi fizike: knjiga za učitelje. – M.: Prosvjetljenje, 1985.
Sat fizike u modernoj školi. Kreativna potraga za učiteljima: Knjiga za učitelje / Comp. E.M. Braverman / Uredio V.G. Razumovsky.- M.: Prosvjetljenje, 1993
Digelev F.M. Iz povijesti fizike i života njezinih stvaratelja: knjiga za studente - M .: Obrazovanje, 1986.
Kartsev V.L. Avanture velikih jednadžbi - 3. izdanje - M .: Znanje, 1986. (Život prekrasnih ideja).

Tema lekcije.Električna struja u metalima.

Lekcija učenja novih stvari s elementima kontrole i ponavljanja.

Oprema: prezentacija, instalacija za pokus promjene otpora ovisno o temperaturi.

Ciljevi i ciljevi. 1. Formirati znanja o osnovama elektronske teorije vodljivosti metala, eksperimentalnom potkrepljivanju i primjeni teorije u praksi.

2. Proširiti horizonte učenika pričom o fenomenu supravodljivosti.

3. Naučiti primijeniti znanja o ovisnosti otpora o temperaturi u rješavanju zadataka.

4. Poticanje domoljubnih osjećaja kroz upoznavanje s poviješću otkrića u području fizike čvrstog stanja.

Plan učenja. (po slajdovima)

1.Danas na lekciji.

2. Ponovimo. Daju se pitanja čije je poznavanje potrebno pri učenju novih stvari.

3. Proučavanje novih: a) električne vodljivosti raznih tvari b) prirode nositelja naboja u metalima; c) teorija električne vodljivosti metala; d) ovisnost otpora o temperaturi; e) otporni termometri; f) supravodljivost i njezine primjene.

4. Kontrolni test. (Provjeriti nakon klika mišem).

5. Učvršćivanje. Predložena su tri problema za ovisnost otpora o temperaturi. Odgovori se pojavljuju nakon klika mišem. Studenti uzimaju potrebne konstantne parametre iz tablica.

Pogledajte sadržaj dokumenta
"Prezentacija za lekciju "Električna struja u metalima", 10. razred."

Električna struja u metalima

Savvateeva Svetlana Nikolaevna, učiteljica fizike, MBOU "Kemetskaya srednja škola" Bologovskog okruga Tverske regije.

DANAS U LEKCIJI

Tajna postaje jasna. Što se krije iza pojma "Nosači struje u metalima"?

Koje su poteškoće klasične teorije električne vodljivosti metala?

Zašto žarulje sa žarnom niti pregore?

Zašto izgaraju kada su uključeni?

Kako izgubiti otpor?

PONOVITI

Što je električna struja?
Koji su uvjeti za postojanje struje?
Koja djelovanja struje poznajete?
Koji je smjer struje?
Kolika je vrijednost struje u električnom krugu?
Koja je jedinica struje?
O kojim veličinama ovisi jakost struje?
Kolika je brzina širenja struje u vodiču?
Kolika je brzina uređenog kretanja elektrona?
Ovisi li otpor o struji i naponu?
Kako je formuliran Ohmov zakon za dio lanca i za cijeli lanac?

PRIRODA NOSILACA NABOJA U METALIMA

Rikkeovo iskustvo (njemački) - 1901. godina! M = const, to nisu ioni!

Mandeljštam i Papaleksi (1913.)

Stewart i Tolman (1916.)

U smjeru struje -

Po Í J I - q ⁄ m = e ⁄ m) je elektroni!

Električna struja u metalima je usmjereno kretanje elektrona.

Teorija električne vodljivosti metala

P. Druse, 1900.:

slobodni elektroni - "elektronički plin";
elektroni se gibaju prema Newtonovim zakonima;
slobodni elektroni se sudaraju s kristalnim ionima. rešetke;
pri sudaru elektroni svoju kinetičku energiju predaju ionima;
prosječna brzina proporcionalna je intenzitetu, a time i razlici potencijala;

R=f( ρ, l, s, t)

otporni termometri

Prednosti: Pomaže u mjerenju vrlo niskih i vrlo visokih temperatura.

supravodljivost

Živa u tekućem heliju

Objašnjenje se temelji na kvantnoj teoriji.

D. Bardeen, L. Cooper, D. Schrieffer (Amer.) i

N. Bogolyubov (sustudent 1957.)

dobivanje visokih struja, magnetskih polja;
prijenos električne energije bez gubitaka.

kontrolni test

Kako se slobodni elektroni kreću u metalima?

A. U strogo određenom redoslijedu. B. Nasumično. B. Uredan.

Kako se slobodni elektroni gibaju u metalima pod djelovanjem električnog polja?

A. Neuredno. B. Uredan. B. Poredano u smjeru električnog polja. G. Uredno u smjeru suprotnom od električnog polja.

. Koje se čestice nalaze u čvorovima kristalne rešetke metala i kakav naboj imaju?

A. Negativni ioni. B. Elektroni. B. Pozitivni ioni.

Koji se učinak električne struje koristi u električnim svjetiljkama?

A. Magnetski. B. Toplinska. B. Kemijski. G. Svjetlost i toplina.

Gibanje kojih čestica se uzima kao smjer struje u vodiču?

A.Elektronov. B. Negativni ioni. B. Pozitivni naboji.

Zašto se metali zagrijavaju kada kroz njih prolazi struja?

A. Slobodni elektroni međusobno se sudaraju. B. Slobodni elektroni se sudaraju s ionima. B. Ioni se sudaraju s ionima.

Kako se mijenja otpor metala kada se hlade?

A. Povećava se. B. Smanjuje se. B. Ne mijenja se.

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

RIJEŠITI PROBLEM

1. Električni otpor volframove niti električne žarulje na temperaturi od 23 °C jednak je 4 ohma.

Odredite električni otpor žarne niti pri 0°C.

(Odgovor: 3,6 ohma)

2. Električni otpor volframove niti pri 0°C je 3,6 ohma. Pronađite električni otpor

Na temperaturi od 2700 K.

(Odgovor: 45,5 ohma)

3. Električni otpor žice pri 20°C je 25 ohma, a pri 60°C 20 ohma. Pronaći

Temperaturni koeficijent električnog otpora.

(Odgovor: 0,0045 K¯¹)

Električna struja u metalima Savvateeva Svetlana Nikolaevna, učiteljica fizike, MBOU "Kemetskaya srednja škola" Bologovskog okruga Tverske regije. DANAS U LEKCIJI Tajna postaje jasna. Što se krije iza pojma "Nosači struje u metalima"? Koje su poteškoće klasične teorije električne vodljivosti metala? Zašto žarulje sa žarnom niti pregore? Zašto izgaraju kada su uključeni? Kako izgubiti otpor? PONOVITI

Što je električna struja?
Koji su uvjeti za postojanje struje?
Koja djelovanja struje poznajete?
Koji je smjer struje?
Kolika je vrijednost struje u električnom krugu?
Koja je jedinica struje?
O kojim veličinama ovisi jakost struje?
Kolika je brzina širenja struje u vodiču?
Kolika je brzina uređenog kretanja elektrona?
Ovisi li otpor o struji i naponu?
Kako je formuliran Ohmov zakon za dio lanca i za cijeli lanac?

ELEKTRIČNA VODLJIVOST RAZLIČITIH TVARI

Mandeljštam i Papaleksi (1913.)

Stewart i Tolman (1916.)

U smjeru struje -< 0

Prema Í J I - q ⁄ m = e ⁄ m ) to su elektroni!

Rikkeovo iskustvo (njemački) - 1901. godina! M = const, to nisu ioni!

PRIRODA NOSILACA NABOJA U METALIMA

Električna struja u metalima je usmjereno kretanje elektrona.

Teorija električne vodljivosti metala

P. Druse, 1900.:

slobodni elektroni - "elektronički plin";
elektroni se gibaju prema Newtonovim zakonima;
slobodni elektroni se sudaraju s kristalnim ionima. rešetke;
pri sudaru elektroni svoju kinetičku energiju predaju ionima;
prosječna brzina proporcionalna je intenzitetu, a time i razlici potencijala;

R= f (ρ, l, s, t)

otporni termometri

Prednosti: Pomaže u mjerenju vrlo niskih i vrlo visokih temperatura.

supravodljivost Živa u tekućem heliju

Objašnjenje se temelji na kvantnoj teoriji.

D. Bardeen, L. Cooper, D. Schrieffer (Amer.) i

N. Bogolyubov (sustudent 1957.)

Primjena supravodljivosti!

dobivanje visokih struja, magnetskih polja;
prijenos električne energije bez gubitaka.

kontrolni test

Kako se slobodni elektroni kreću u metalima?
Kako se slobodni elektroni gibaju u metalima pod djelovanjem električnog polja?
.Koje se čestice nalaze u čvorovima kristalne rešetke metala i kakav naboj imaju?
Koji se učinak električne struje koristi u električnim svjetiljkama?
Gibanje kojih čestica se uzima kao smjer struje u vodiču?
Zašto se metali zagrijavaju kada kroz njih prolazi struja?
Kako se mijenja otpor metala kada se hlade?

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

RIJEŠITI PROBLEM

1. Električni otpor volframove niti električne svjetiljke na temperaturi od 23 ° C je 4 ohma.

Odredite električni otpor žarne niti pri 0°C.

(Odgovor: 3,6 ohma)

2. Električni otpor volframove niti pri 0°C je 3,6 ohma. Pronađite električni otpor

Na temperaturi od 2700 K.

(Odgovor: 45,5 ohma)

3. Električni otpor žice pri 20°C je 25 ohma, a pri 60°C 20 ohma. Pronaći

Temperaturni koeficijent električnog otpora.

ŠTO JE ELEKTRIČNA STRUJA U METALIMA?

Električna struja u metalima - to je uređeno kretanje elektrona pod djelovanjem električnog polja. Eksperimenti pokazuju da kada struja teče kroz metalni vodič nema prijenosa tvari, dakle metalni ioni ne sudjeluju u prijenosu električnog naboja.

PRIRODA ELEKTRIČNE STRUJE U METALIMA

Električna struja u metalnim vodičima ne uzrokuje nikakve promjene u tim vodičima, osim njihovog zagrijavanja.

Koncentracija elektrona vodljivosti u metalu je vrlo visoka: po redu veličine jednaka je broju atoma po jedinici volumena metala. Elektroni u metalima su u stalnom kretanju. Njihovo nasumično gibanje nalikuje gibanju idealnih molekula plina. To je dalo razloga vjerovati da elektroni u metalima tvore neku vrstu elektronskog plina. Ali brzina nasumičnog kretanja elektrona u metalu puno je veća od brzine molekula u plinu.

E.RIKKE ISKUSTVO

Njemački fizičar Carl Rikke proveo je eksperiment u kojem je električna struja godinu dana prolazila kroz tri polirana cilindra pritisnuta jedan uz drugi - bakar, aluminij i opet bakar. Nakon završetka, ustanovljeno je da postoje samo manji tragovi međusobnog prodiranja metala, koji ne prelaze rezultate obične difuzije atoma u čvrstim tijelima. Mjerenja provedena s visokim stupnjem točnosti pokazala su da je masa svakog od cilindara ostala nepromijenjena. Budući da se mase atoma bakra i aluminija značajno razlikuju jedna od druge, masa cilindara bi se morala značajno promijeniti da su nositelji naboja ioni. Stoga slobodni nositelji naboja u metalima nisu ioni. Golemi naboj koji je prošao kroz cilindre očito je nošen česticama koje su iste i u bakru i u aluminiju. Prirodno je pretpostaviti da su slobodni elektroni ti koji provode struju u metalima.

Carl Victor Eduard Rikke

ISKUSTVO L.I. MANDELSHTAMA i N.D. PAPALEKSI

Ruski znanstvenici L. I. Mandelstam i N. D. Papaleksi 1913. godine postavili su originalni eksperiment. Zavojnica sa žicom počela se uvijati u različitim smjerovima. Odmotati, u smjeru kazaljke na satu, pa naglo stati i - natrag. Rezonirali su otprilike ovako: ako elektroni doista imaju masu, onda kada se zavojnica iznenada zaustavi, elektroni bi se trebali nastaviti kretati po inerciji neko vrijeme. Tako se i dogodilo. Spojili smo telefon na krajeve žice i čuli zvuk, što je značilo da kroz njega teče struja.

Mandeljštam Leonid Isaakovič

Nikolaj Dmitrijevič Papaleksija (1880-1947)

ISKUSTVO T. STUARTA I R. TOLMANA

Iskustvo Mandeljštama i Papaleksija ponovili su 1916. američki znanstvenici Tolman i Stuart.

Zavojnica s velikim brojem zavoja tanke žice dovedena je u brzu rotaciju oko svoje osi. Krajevi zavojnice bili su savitljivim žicama spojeni na osjetljivi balistički galvanometar. Neuvijena zavojnica naglo je usporena, u krugu se pojavila kratkotrajna struja zbog inercije nositelja naboja. Ukupni naboj koji teče kroz strujni krug mjeren je otklonom igle galvanometra.

Batler Stuart Thomas

Richard Chase Tolman

KLASIČNA ELEKTRONIČKA TEORIJA

Pretpostavka da su elektroni odgovorni za električnu struju u metalima postojala je i prije pokusa Stewarta i Tolmana. Godine 1900. njemački znanstvenik P. Drude na temelju hipoteze o postojanju slobodnih elektrona u metalima stvara svoju elektronsku teoriju vodljivosti metala nazvanu klasična elektronička teorija . Prema ovoj teoriji, elektroni u metalima se ponašaju kao elektronski plin, slično kao idealni plin. Ispunjava prostor između iona koji tvore kristalnu rešetku metala

Slika prikazuje putanju jednog od slobodnih elektrona u kristalnoj rešetki metala

GLAVNE ODREDBE TEORIJE:

Prisutnost velikog broja elektrona u metalima doprinosi njihovoj dobroj vodljivosti.
Pod djelovanjem vanjskog električnog polja, uređeno gibanje se superponira na slučajno gibanje elektrona, tj. javlja se struja.
Jakost električne struje koja teče kroz metalni vodič je:
Budući da je unutarnja struktura različitih tvari različita, otpor će također biti različit.
S povećanjem kaotičnog gibanja čestica tvari, tijelo se zagrijava, tj. oslobađanje topline. Ovdje se promatra Joule-Lenzov zakon:

l \u003d e * n * S * Ū d

SUPRAVODLJIVOST METALA I LEGURA

Neki metali i legure imaju supravodljivost, svojstvo da imaju striktno nulti električni otpor kada dosegnu temperaturu ispod određene vrijednosti (kritična temperatura).

Pojavu supravodljivosti otkrio je nizozemski fizičar H. Kamerling - Ohness 1911. godine u živi (T cr = 4,2 o K).

PRIMJENA ELEKTRIČNE STRUJE:

primanje jakih magnetskih polja
prijenos električne energije od izvora do potrošača
snažni elektromagneti sa supravodljivim namotom u generatorima, elektromotorima i akceleratorima, u uređajima za grijanje

Trenutno postoji veliki problem u energetskom sektoru povezan s velikim gubicima tijekom prijenosa električne energije žicama.

Moguće rješenje problema:

Izgradnja dodatnih dalekovoda - zamjena žica velikih presjeka - povećanje napona - razdvajanje faza

ELEKTRIČNA STRUJA U METALIMA

slajd 2

Osnove elektroničke teorije vodljivosti Početkom 20. stoljeća nastala je klasična elektronička teorija vodljivosti metala (P. Drude, 1900., H. Lorenz, 1904.), koja je dala jednostavno i vizualno objašnjenje većine električna i toplinska svojstva metala. Paul Drude Karl Ludwig - njemački fizičar Hendrik Anton Lorenz - nizozemski fizičar

slajd 3

Gibanje elektrona podliježe zakonima klasične mehanike. Elektroni ne djeluju jedni na druge. Elektroni međusobno djeluju samo s ionima kristalne rešetke, ta interakcija se svodi na sudar. U intervalima između sudara elektroni se slobodno kreću. Elektroni vodljivosti tvore "elektronski plin", poput idealnog plina. "Elektronički plin" pokorava se zakonima idealnog plina. U svakom sudaru, elektron prenosi svu akumuliranu energiju. Klasična elektronička teorija Drude - Lorentz.

slajd 4

Električna struja u metalima Ioni kristalne rešetke metala ne sudjeluju u stvaranju struje. Njihovo kretanje pri prolasku struje značilo bi prijenos tvari duž vodiča, što se ne opaža. Na primjer, u pokusima E. Rikkea (1901.), masa i kemijski sastav vodiča nisu se mijenjali tijekom prolaska struje tijekom godine.

slajd 5

Zaključak: Nema prijenosa tvari \u003d\u003e 1) Metalni ioni ne sudjeluju u prijenosu električnog naboja. 2) Nositelji naboja - čestice koje čine sve metale. Iskustvo Rikkea 1901.

Slajd 6: Elektroni ne djeluju međusobno, već s ionima kristalne rešetke. Pri svakom sudaru elektron predaje svoju kinetičku energiju

Slajd 7

Eksperimentalni dokaz da struju u metalima stvaraju slobodni elektroni dan je u pokusima L.I. Mandelstam i N. D. Papaleksi (1913., rezultati nisu objavljeni), te T. Stewart i R. Tolman (1916.). Otkrili su da kada se zavojnica koja se brzo okreće naglo zaustavi, u vodiču zavojnice nastaje električna struja koju stvaraju negativno nabijene čestice - elektroni.

Slajd 8

Iskustvo Mandeljstama i Papaleksija Zaključak: Nositelji električnog naboja gibaju se po inerciji 1913.

Slajd 9

Iskustvo Tolmana i Stewarta. Zaključci: Nositelji naboja u metalu su negativno nabijene čestice. Relacija = > Električna struja u metalima je posljedica kretanja elektrona 1916

Slide 10: Ioni stvaraju toplinske vibracije, u blizini ravnotežnog položaja - čvorovi kristalne rešetke. Slobodni elektroni se kreću nasumično i tijekom svog kretanja sudaraju se s ionima kristalne rešetke.

slajd 11

Metalni vodič sastoji se od: pozitivno nabijenih iona koji osciliraju oko ravnotežnog položaja i 2) slobodnih elektrona koji se mogu kretati cijelim volumenom vodiča. U metalu, u nedostatku električnog polja, vodljivi elektroni se nasumično kreću i sudaraju, najčešće s ionima kristalne rešetke. Ukupnost ovih elektrona može se približno smatrati nekom vrstom elektronskog plina koji se pokorava zakonima idealnog plina. Prosječna brzina toplinskog gibanja elektrona na sobnoj temperaturi je oko 105 m/s.

slajd 12

Ovisnost otpora vodiča R o temperaturi: Kada se zagrijava, dimenzije vodiča se malo mijenjaju, ali uglavnom se mijenja električni otpor. Specifični otpor vodiča ovisi o temperaturi: gdje je rho specifični otpor na 0 stupnjeva, t je temperatura, temperaturni koeficijent otpora (tj. relativna promjena otpora vodiča kada se zagrije za jedan stupanj)

slajd 13

Za sve metalne vodiče, α > 0 i malo se mijenja s temperaturom. Za većinu metala u temperaturnom području od 0 ° do 100 °C, koeficijent α varira od 3,3⋅10–3 do 6,2⋅10–3 K–1 (tablica 1). U kemijski čistim metalima postoje posebne legure, čiji se otpor praktički ne mijenja kada se zagrijava, na primjer, manganin i konstantan. Njihov temperaturni koeficijent otpora vrlo je nizak i iznosi 1⋅10–5 K–1 odnosno 5⋅10–5 K–1.

Slajd 14

Dakle, za metalne vodiče, s povećanjem temperature, električni otpor raste, otpor vodiča raste, a električna struja u krugu opada. Otpor vodiča s promjenom temperature može se izračunati po formuli: R = Ro (1 + t) gdje je Ro otpor vodiča na 0 stupnjeva Celzijusa t temperatura vodiča - temperaturni koeficijent otpora

Slajd 15: Otpor vodiča

Otpor je fizikalna veličina koja karakterizira stupanj otpornosti vodiča na usmjereno kretanje naboja. Otpornost je otpornost cilindričnog vodiča jedinične duljine i jedinične površine poprečnog presjeka. Supravodljivost je fizički fenomen koji se sastoji u naglom padu otpora na nulu na određenoj kritičnoj temperaturi (T cr) - otpor, - duljina vodiča, S - površina poprečnog presjeka = (1 + ∆ T) - otpor pri t = 20 0 S; - temperaturni koeficijent otpora = 1/273 0 K -1 ∆ T - promjena temperature T, K 0 metalni supravodič T cr 293

slajd 16

Supravodljivost, svojstvo mnogih vodiča, koje se sastoji u činjenici da njihov električni otpor naglo pada na nulu kada se ohlade ispod određene kritične temperature T k, karakteristične za dati materijal. C. nalazi se u više od 25 metalnih elemenata, u velikom broju legura i intermetalnih spojeva, a također iu nekim poluvodičima.

Slajd 17

Godine 1911. nizozemski fizičar Kamerling-Onnes otkrio je da se pri hlađenju žive u tekućem heliju njezin otpor prvo postupno mijenja, a zatim pri temperaturi od 4,2 K naglo pada na nulu.

Slajd 18

G. Kamerlingh-Onnes je 1913. godine dobio Nobelovu nagradu za fiziku "za proučavanje svojstava materije pri niskim temperaturama". Kasnije je utvrđeno da više od 25 kemijskih elemenata - metala na vrlo niskim temperaturama postaju supravodiči. Svaki od njih ima svoju kritičnu temperaturu prijelaza u stanje s nultim otporom. Njegova najniža vrijednost za volfram je 0,012 K, najveća za niobij je 9 K. Supravodljivost se uočava ne samo u čistim metalima, već iu mnogim kemijskim spojevima i legurama. U ovom slučaju, sami elementi, koji su dio supravodljivog spoja, ne moraju biti supravodiči. Na primjer, NiBi, Au2Bi, PdTe, PtSb i drugi. Do 1986. bilo je poznato da supravodiči imaju ovo svojstvo na vrlo niskim temperaturama, ispod –259°C. Godine 1986.-1987. otkriveni su materijali s temperaturom prijelaza u supravodljivo stanje od oko -173 °C. Taj se fenomen naziva visokotemperaturna supravodljivost, a za njegovo promatranje umjesto tekućeg helija može se koristiti tekući dušik.

Slajd 19: Supervodljivost

Akademik V.L. Ginzburg, dobitnik Nobelove nagrade za svoj rad o supravodljivosti

Slajd 20: Supravodljivost metala i legura

Za mnoge metale i legure na temperaturama blizu T = 0 K opaža se naglo smanjenje otpora - ovaj fenomen se naziva supravodljivost metala. Otkrio ga je nizozemski fizičar H. Kamerling - Ohness 1911. godine u živi (T cr = 4,2 o K). T P 0

slajd 21: opće informacije

Otprilike polovica metala i nekoliko stotina legura posjeduje svojstvo supravodljivosti. Svojstva supravodljivosti ovise o vrsti kristalne strukture. Njegovom promjenom materija se može prebaciti iz običnog u supravodljivo stanje. Kritične temperature izotopa elemenata koji prelaze u supravodljivo stanje povezane su s masama izotopa relacijom: T e (M e) 1/2 = const (izotopni efekt) Jako magnetsko polje uništava učinak supravodljivosti. Stoga, kada se stavi u magnetsko polje, svojstvo supravodljivosti može nestati.

Slajd 22: Reakcija na nečistoće

Uvođenjem nečistoće u supravodič smanjuje se oštrina prijelaza u supravodljivo stanje. U normalnim metalima struja nestaje nakon otprilike 10 -12 s. U supravodiču struja može kolati godinama (teoretski 105 godina!).

Slajd 23: Fizička priroda supravodljivosti

Fenomen supravodljivosti može se razumjeti i potkrijepiti samo uz pomoć kvantnih koncepata, koje su 1957. predstavili američki znanstvenici J. Bardin, L. Cooper, J. Schrieffer i sovjetski akademik N.N. Bogoljubov. Godine 1986. otkrivena je visokotemperaturna supravodljivost spojeva lantana, barija i drugih elemenata (T = 100 0 K je vrelište tekućeg dušika).

slajd 24

Međutim, nulti otpor nije jedino obilježje supravodljivosti. Iz Drudeove teorije također je poznato da vodljivost metala raste s padom temperature, odnosno da električni otpor teži nuli.

Polazeći od nepokretnog supravodiča, magnet sam pluta i nastavlja se uzdizati sve dok vanjski uvjeti ne izvedu supravodič iz faze supravodljivosti. Kao rezultat ovog efekta, magnet koji se približava supravodiču će "vidjeti" magnet obrnutog polariteta točno iste veličine, što uzrokuje levitaciju.

Slajd 27: Primjena supravodljivosti

1. Grade se snažni elektromagneti sa supravodljivim namotom, koji stvaraju magnetsko polje bez trošenja električne energije kroz dulje vrijeme, jer ne dolazi do oslobađanja topline. 2. Supravodljivi magneti koriste se u akceleratorima elementarnih čestica, magnetohidrodinamici i generatorima koji pretvaraju energiju mlaza vrućeg ioniziranog plina koji se kreće u magnetskom polju u električnu energiju. 3. Visokotemperaturna supravodljivost u bliskoj će budućnosti dovesti do tehničke revolucije u radioelektronici i radiotehnici. 4. Ako je moguće stvoriti supravodiče na sobnoj temperaturi, tada će generatori i elektromotori postati iznimno kompaktni i bit će moguće prenositi električnu energiju na velike udaljenosti bez gubitaka.