rumah › Pendinginan › fisika umum. Arus listrik dalam logam

fisika umum. Arus listrik dalam logam

Kelas: 11

Presentasi untuk pelajaran

Kembali ke depan

Perhatian! Pratinjau slide hanya untuk tujuan informasi dan mungkin tidak mewakili keseluruhan presentasi. Jika Anda tertarik dengan karya ini, silakan unduh versi lengkapnya.

Tujuan Pelajaran:

Untuk mengungkap konsep sifat fisik arus listrik dalam logam, konfirmasi eksperimental dari teori elektronik;

Melanjutkan pembentukan gagasan ilmiah alam pada topik yang diteliti

Ciptakan kondisi untuk pembentukan minat kognitif, aktivitas siswa

Pembentukan keterampilan;

Pembentukan komunikasi komunikatif.

Peralatan: Notebook SMART Board kompleks interaktif, jaringan area lokal komputer, Internet.

Metode pengajaran pelajaran: digabungkan.

Prasasti pelajaran:

Berusaha keras untuk memahami sains lebih dalam lagi,
Rindu akan ilmu yang abadi.
Hanya pengetahuan pertama yang akan menyinari Anda,
Anda akan tahu: tidak ada batasan untuk pengetahuan.

Ferdowsi
(Penyair Persia dan Tajik, 940-1030)

Rencana belajar.

I. Momen pengorganisasian

II. Pekerjaan kelompok

AKU AKU AKU. Pembahasan hasil, pemasangan presentasi

IV. Cerminan

V.Pekerjaan rumah

Selama kelas

Hallo teman-teman! Duduk. Hari ini kita akan bekerja dalam kelompok.

Tugas untuk grup:

I. Sifat fisik muatan dalam logam.

II. Pengalaman K. Rikke.

AKU AKU AKU. Pengalaman Stuart, Tolman. Pengalaman Mandelstam, Papaleksi.

IV. Teori orang bodoh.

V. Karakteristik volt-ampere logam. Hukum Ohm.

VI. Ketergantungan resistensi konduktor pada suhu.

VII. Superkonduktivitas.

1. Konduktivitas listrik adalah kemampuan zat untuk menghantarkan arus listrik di bawah pengaruh medan listrik eksternal.

Menurut sifat fisik muatan - pembawa arus listrik, konduktivitas listrik dibagi menjadi:

A) elektronik

B) ionik

B) campuran.

2. Untuk setiap zat dalam kondisi tertentu, ketergantungan tertentu dari kekuatan arus pada perbedaan potensial adalah karakteristik.

Menurut resistivitas suatu zat, biasanya dibagi menjadi:

A) konduktor (hal< 10 -2 Ом*м)

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

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

Namun, pembagian semacam itu bersyarat, karena di bawah pengaruh sejumlah faktor (pemanasan, iradiasi, pengotor), resistivitas zat dan karakteristik volt-amperenya berubah, dan terkadang sangat signifikan.

3. Pembawa muatan bebas dalam logam adalah elektron. Dibuktikan dengan eksperimen klasik K. Rikke (1901) - fisikawan Jerman; L.I. Mandelstam dan N. D. Papaleksi (1913) - rekan kami; T. Stewart dan R. Tolman (1916) - fisikawan Amerika.

Pengalaman K. Rikke

Rikke melipat tiga silinder pra-bobot (dua tembaga dan satu aluminium) dengan ujung yang dipoles sehingga yang aluminium berada di antara yang tembaga. Kemudian silinder dihubungkan ke sirkuit DC: arus besar melewatinya sepanjang tahun. Selama waktu itu, muatan listrik setara dengan kira-kira 3,5 juta C melewati silinder listrik. Interaksi sekunder silinder, yang dilakukan hingga 0,03 mg, menunjukkan bahwa massa silinder tidak berubah sebagai hasil percobaan. Saat memeriksa ujung kontak di bawah mikroskop, ditemukan bahwa hanya ada sedikit jejak penetrasi logam, yang tidak melebihi hasil difusi atom biasa dalam padatan. Hasil percobaan menunjukkan bahwa ion tidak berpartisipasi dalam transfer muatan dalam logam.

L.I. Mandelstam

N. . Papaleksi

Pengalaman L. I. Mandelstam dan N. D. Papaleksi

Ilmuwan Rusia L. I. Mandelstam (1879-1949; pendiri sekolah fisikawan radio) dan N. D. Papaleksi (1880-1947; fisikawan Soviet terbesar, akademisi, ketua Dewan Ilmiah All-Union untuk Fisika Radio dan Teknik Radio di bawah Academy of Sciences of the USSR) pada tahun 1913 memberikan pengalaman asli. Mereka mengambil gulungan kawat dan mulai memutarnya ke arah yang berbeda.

Bersantai, misalnya, searah jarum jam, lalu tiba-tiba berhenti dan - mundur.

Mereka beralasan seperti ini: jika elektron benar-benar memiliki massa, maka ketika kumparan tiba-tiba berhenti, elektron akan terus bergerak dengan inersia untuk beberapa waktu. Pergerakan elektron melalui kawat adalah arus listrik. Seperti yang direncanakan, begitulah yang terjadi. Kami menghubungkan telepon ke ujung kabel dan mendengar suara. Begitu suara terdengar di telepon, oleh karena itu, arus mengalir melaluinya.

T. Stewart

Pengalaman T. Stewart dan R. Tolman

Mari kita ambil sebuah kumparan yang dapat berputar pada porosnya. Ujung-ujung kumparan dihubungkan ke galvanometer melalui kontak geser. Jika kumparan yang berputar cepat direm dengan tajam, maka elektron bebas pada kawat akan terus bergerak secara inersia, akibatnya galvanometer harus mencatat pulsa arus.

Teori orang bodoh

Elektron dalam logam dianggap sebagai gas elektron, di mana teori kinetik gas dapat diterapkan. Dipercayai bahwa elektron, seperti atom gas dalam teori kinetik, adalah bola padat identik yang bergerak dalam garis lurus hingga saling bertabrakan. Diasumsikan bahwa durasi tumbukan tunggal dapat diabaikan, dan tidak ada gaya lain yang bekerja di antara molekul-molekul, kecuali yang timbul pada saat tumbukan. Karena elektron adalah partikel bermuatan negatif, maka untuk memenuhi kondisi netralitas listrik dalam padatan, harus ada juga partikel dari jenis yang berbeda - bermuatan positif. Drude menyarankan bahwa muatan positif kompensasi milik partikel (ion) yang jauh lebih berat, yang dianggapnya tidak bergerak. Pada masa Drude, tidak jelas mengapa ada elektron bebas dan ion bermuatan positif dalam logam, dan ion apa itu. Hanya teori kuantum tentang padatan yang dapat memberikan jawaban atas pertanyaan-pertanyaan ini. Namun, untuk banyak zat, orang dapat dengan mudah berasumsi bahwa gas elektron terdiri dari elektron valensi eksternal yang terikat lemah pada nukleus, yang "dibebaskan" dalam logam dan mampu bergerak bebas melalui logam, sedangkan inti atom dengan elektron dalam cangkang (inti atom) tetap tidak berubah dan memainkan peran ion positif tetap dari teori Drude.

Arus listrik dalam logam

Semua logam adalah konduktor arus listrik dan terdiri dari kisi kristal spasial, simpul yang bertepatan dengan pusat ion positif, dan elektron bebas bergerak secara acak di sekitar ion.

Dasar-dasar teori elektronik konduktivitas logam.

Logam dapat dijelaskan dengan model berikut: kisi kristal ion direndam dalam gas elektron ideal yang terdiri dari elektron bebas. Pada kebanyakan logam, setiap atom terionisasi, sehingga konsentrasi elektron bebas kira-kira sama dengan konsentrasi atom 10 23 - 10 29 m -3 dan hampir tidak bergantung pada suhu.
Elektron bebas dalam logam berada dalam gerakan kacau yang terus menerus.
Arus listrik dalam logam terbentuk hanya karena pergerakan elektron bebas yang teratur.
Bertabrakan dengan ion yang bergetar di simpul kisi kristal, elektron memberi mereka energi berlebih. Inilah sebabnya mengapa konduktor memanas ketika arus mengalir.

Arus listrik dalam logam.

Superkonduktivitas

Fenomena pengurangan resistivitas menjadi nol pada suhu selain nol mutlak disebut superkonduktivitas. Bahan yang menunjukkan kemampuan untuk melewati suhu tertentu selain nol mutlak menjadi keadaan superkonduktor disebut superkonduktor.

Lintasan arus dalam superkonduktor terjadi tanpa kehilangan energi, oleh karena itu, sekali tereksitasi dalam cincin superkonduktor, arus listrik dapat terus ada tanpa perubahan.

Bahan superkonduktor sudah digunakan dalam elektromagnet. Penelitian sedang dilakukan untuk membuat saluran listrik superkonduktor.

Penerapan fenomena superkonduktivitas dalam praktik luas dapat menjadi kenyataan di tahun-tahun mendatang karena penemuan superkonduktivitas keramik pada tahun 1986 - senyawa lantanum, barium, tembaga, dan oksigen. Superkonduktivitas keramik tersebut dipertahankan hingga suhu sekitar 100 K.

Anak laki-laki yang baik! Mereka melakukan pekerjaan yang sangat baik. Ternyata presentasinya bagus. Terima kasih atas pelajarannya!

Literatur.

Gorbushin Sh.A. Catatan referensi untuk studi fisika untuk kursus sekolah menengah. - Izhevsk "Udmurtia", 1992.
Lanina I.Ya. Pembentukan minat kognitif siswa dalam pelajaran fisika: Buku untuk guru. – M.: Pencerahan, 1985.
Pelajaran fisika di sekolah modern. Pencarian kreatif untuk guru: Buku untuk guru / Komp. EM Braverman / Diedit oleh V.G. Razumovsky.- M.: Pencerahan, 1993
Digelev F.M. Dari sejarah fisika dan kehidupan penciptanya: Buku untuk siswa - M .: Pendidikan, 1986.
Kartsev V.L. Petualangan persamaan besar - edisi ke-3 - M .: Pengetahuan, 1986. (Kehidupan ide-ide indah).

Topik pelajaran Arus listrik dalam logam.

Pelajaran dalam mempelajari hal-hal baru dengan unsur kontrol dan pengulangan.

Peralatan: presentasi, pemasangan untuk percobaan pada perubahan resistansi tergantung suhu.

Tujuan dan sasaran. 1. Untuk membentuk pengetahuan tentang dasar-dasar teori elektronik tentang konduktivitas logam, pembuktian eksperimental dan penerapan teori tersebut dalam praktik.

2. Perluas wawasan siswa dengan cerita tentang fenomena superkonduktivitas.

3. Belajar menerapkan pengetahuan tentang ketergantungan hambatan pada suhu dalam menyelesaikan soal.

4. Membangkitkan rasa patriotik melalui pengenalan sejarah penemuan-penemuan di bidang fisika benda padat.

Rencana belajar. (dengan slide)

1.Hari ini di pelajaran.

2. Mari kita ulangi. Pertanyaan diberikan, pengetahuan yang dibutuhkan saat mempelajari hal-hal baru.

3. Studi baru: a) konduktivitas listrik berbagai zat b) sifat pembawa muatan dalam logam; c) teori konduktivitas listrik logam; d) ketergantungan resistensi pada suhu; e) termometer resistensi; f) superkonduktivitas dan aplikasinya.

4. Tes kontrol. (Periksa setelah klik mouse).

5. Memperbaiki. Tiga masalah diusulkan untuk ketergantungan resistensi pada suhu. Jawaban muncul setelah klik mouse. Siswa mengambil parameter konstanta yang diperlukan dari tabel.

Lihat konten dokumen
"Presentasi untuk pelajaran "Arus listrik dalam logam", kelas 10."

Arus listrik dalam logam

Savvateeva Svetlana Nikolaevna, guru fisika, MBOU "sekolah menengah Kemetskaya" dari distrik Bologovsky di wilayah Tver.

PELAJARAN HARI INI

Rahasianya menjadi jelas. Apa yang tersembunyi di balik konsep "Pembawa arus dalam logam"?

Apa kesulitan teori klasik tentang konduktivitas listrik logam?

Mengapa lampu pijar padam?

Mengapa mereka terbakar saat dihidupkan?

Bagaimana cara menghilangkan resistensi?

MENGULANG

Apa itu arus listrik?
Apa syarat adanya arus?
Tindakan arus apa yang Anda ketahui?
Apa arah arus?
Berapa nilai arus dalam rangkaian listrik?
Apa satuan arus?
Pada jumlah berapa kekuatan saat ini bergantung?
Berapakah kecepatan rambat arus pada penghantar tersebut?
Berapa kecepatan gerakan elektron yang teratur?
Apakah resistansi bergantung pada arus dan tegangan?
Bagaimana hukum Ohm dirumuskan untuk bagian rantai dan rantai lengkap?

SIFAT PEMBAWA MUATAN DALAM LOGAM

Pengalaman Rikke (Jerman) - Tahun 1901! M = const, ini bukan ion!

Mandelstam dan Papaleksi (1913)

Stewart dan Tolman (1916)

Ke arah arus -

Oleh І J I - q ⁄ m = e ⁄ m) adalah elektron!

Arus listrik dalam logam adalah gerakan elektron yang diarahkan.

Teori konduktivitas listrik logam

P. Druse, 1900:

elektron bebas - "gas elektronik";
elektron bergerak menurut hukum Newton;
elektron bebas bertabrakan dengan ion kristal. kisi-kisi;
setelah tumbukan, elektron mentransfer energi kinetiknya ke ion;
kecepatan rata-rata sebanding dengan intensitas dan, oleh karena itu, beda potensial;

R=f( ρ, l, s, t)

termometer resistansi

Manfaat: Membantu mengukur suhu yang sangat rendah dan sangat tinggi.

superkonduktivitas

Merkuri dalam helium cair

Penjelasannya didasarkan pada teori kuantum.

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

N. Bogolyubov (rekan mahasiswa tahun 1957)

Dan:

memperoleh arus tinggi, medan magnet;
transmisi listrik tanpa kehilangan.

tes kontrol

Bagaimana elektron bebas bergerak dalam logam?

A. Dalam urutan yang ditentukan secara ketat. B. Secara acak. B. Tertib.

Bagaimana elektron bebas bergerak dalam logam di bawah aksi medan listrik?

A. Tidak tertib. B. Tertib. B. Memerintahkan arah medan listrik. G. Beraturan dengan arah berlawanan dengan medan listrik.

. Partikel apa yang terletak di simpul kisi kristal logam dan muatan apa yang dimilikinya?

A.ion negatif. B. Elektron. B.Ion positif.

Apa pengaruh arus listrik yang digunakan pada lampu listrik?

A.Magnetik. B. Termal. B.Kimia. G. Cahaya dan termal.

Pergerakan partikel mana yang diambil sebagai arah arus dalam konduktor?

A.Elektronov. B.ion negatif. B. Muatan positif.

Mengapa logam menjadi panas ketika arus melewatinya?

A. Elektron bebas saling bertabrakan. B. Elektron bebas bertabrakan dengan ion. B. Ion bertabrakan dengan ion.

Bagaimana resistansi logam berubah ketika didinginkan?

A. Meningkat. B.Menurun. B.Tidak berubah.

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

MENYELESAIKAN MASALAH

1. Hambatan listrik filamen tungsten lampu listrik pada suhu 23 °C sama dengan 4 ohm.

Hitunglah hambatan listrik filamen pada suhu 0°C.

(Jawab: 3,6 ohm)

2. Hambatan listrik filamen tungsten pada 0°C adalah 3,6 ohm. Temukan hambatan listrik

Pada suhu 2700 K.

(Jawab: 45,5 ohm)

3. Hambatan listrik kawat pada suhu 20°C adalah 25 ohm, pada suhu 60°C adalah 20 ohm. Menemukan

Koefisien suhu hambatan listrik.

(Jawab: 0,0045 K¯¹)

Arus listrik dalam logam Savvateeva Svetlana Nikolaevna, guru fisika, MBOU "sekolah menengah Kemetskaya" dari distrik Bologovsky di wilayah Tver. PELAJARAN HARI INI Rahasianya menjadi jelas. Apa yang tersembunyi di balik konsep "Pembawa arus dalam logam"? Apa kesulitan teori klasik tentang konduktivitas listrik logam? Mengapa lampu pijar padam? Mengapa mereka terbakar saat dihidupkan? Bagaimana cara menghilangkan resistensi? MENGULANG

Apa itu arus listrik?
Apa syarat adanya arus?
Tindakan arus apa yang Anda ketahui?
Apa arah arus?
Berapa nilai arus dalam rangkaian listrik?
Apa satuan arus?
Pada jumlah berapa kekuatan saat ini bergantung?
Berapakah kecepatan rambat arus pada penghantar tersebut?
Berapa kecepatan gerakan elektron yang teratur?
Apakah resistansi bergantung pada arus dan tegangan?
Bagaimana hukum Ohm dirumuskan untuk bagian rantai dan rantai lengkap?

KONDUKTIVITAS LISTRIK DARI BERBAGAI BAHAN

Mandelstam dan Papaleksi (1913)

Stewart dan Tolman (1916)

Ke arah arus -< 0

Oleh І J I - q ⁄ m = e ⁄ m ) ini adalah elektron!

Pengalaman Rikke (Jerman) - Tahun 1901! M = const, ini bukan ion!

SIFAT PEMBAWA MUATAN DALAM LOGAM

Arus listrik dalam logam adalah gerakan elektron yang diarahkan.

Teori konduktivitas listrik logam

P. Druse, 1900:

elektron bebas - "gas elektronik";
elektron bergerak menurut hukum Newton;
elektron bebas bertabrakan dengan ion kristal. kisi-kisi;
setelah tumbukan, elektron mentransfer energi kinetiknya ke ion;
kecepatan rata-rata sebanding dengan intensitas dan, oleh karena itu, beda potensial;

R= f (ρ, l, s, t)

termometer resistansi

Manfaat: Membantu mengukur suhu yang sangat rendah dan sangat tinggi.

superkonduktivitas Merkuri dalam helium cair

Penjelasannya didasarkan pada teori kuantum.

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

N. Bogolyubov (rekan mahasiswa tahun 1957)

Penerapan superkonduktivitas!

memperoleh arus tinggi, medan magnet;
transmisi listrik tanpa kehilangan.

tes kontrol

Bagaimana elektron bebas bergerak dalam logam?
Bagaimana elektron bebas bergerak dalam logam di bawah aksi medan listrik?
.Partikel apa yang terletak di simpul kisi kristal logam dan muatan apa yang mereka miliki?
Apa pengaruh arus listrik yang digunakan pada lampu listrik?
Pergerakan partikel mana yang diambil sebagai arah arus dalam konduktor?
Mengapa logam menjadi panas ketika arus melewatinya?
Bagaimana resistansi logam berubah ketika didinginkan?

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

MENYELESAIKAN MASALAH

1. Hambatan listrik filamen tungsten lampu listrik pada suhu 23 ° C adalah 4 ohm.

Hitunglah hambatan listrik filamen pada suhu 0°C.

(Jawab: 3,6 ohm)

2. Hambatan listrik filamen tungsten pada 0°C adalah 3,6 ohm. Temukan hambatan listrik

Pada suhu 2700 K.

(Jawab: 45,5 ohm)

3. Hambatan listrik kawat pada suhu 20°C adalah 25 ohm, pada suhu 60°C adalah 20 ohm. Menemukan

Koefisien suhu hambatan listrik.

APA ITU ARUS LISTRIK DALAM LOGAM?

Arus listrik dalam logam - itu adalah gerakan elektron yang teratur di bawah aksi medan listrik. Eksperimen menunjukkan bahwa ketika arus mengalir melalui konduktor logam, tidak ada transfer materi, oleh karena itu, ion logam tidak ikut serta dalam transfer muatan listrik.

SIFAT ARUS LISTRIK DALAM LOGAM

Arus listrik dalam konduktor logam tidak menyebabkan perubahan apa pun pada konduktor ini, kecuali untuk pemanasannya.

Konsentrasi elektron konduksi dalam logam sangat tinggi: dalam urutan besarnya sama dengan jumlah atom per satuan volume logam. Elektron dalam logam bergerak konstan. Gerakan acak mereka menyerupai gerakan molekul gas ideal. Ini memberi alasan untuk percaya bahwa elektron dalam logam membentuk sejenis gas elektron. Tetapi kecepatan pergerakan acak elektron dalam logam jauh lebih besar daripada kecepatan molekul dalam gas.

PENGALAMAN E.RIKKE

Fisikawan Jerman Carl Rikke melakukan percobaan di mana arus listrik mengalir selama satu tahun melalui tiga silinder yang dipoles yang saling menempel - tembaga, aluminium, dan lagi tembaga. Setelah selesai, ditemukan bahwa hanya ada sedikit jejak penetrasi timbal balik logam, yang tidak melebihi hasil difusi atom biasa dalam padatan. Pengukuran yang dilakukan dengan ketelitian tinggi menunjukkan bahwa massa masing-masing silinder tetap tidak berubah. Karena massa atom tembaga dan aluminium berbeda secara signifikan satu sama lain, massa silinder harus berubah secara nyata jika pembawa muatannya adalah ion. Oleh karena itu, pembawa muatan bebas dalam logam bukanlah ion. Muatan besar yang melewati silinder ternyata dibawa oleh partikel yang sama pada tembaga dan aluminium. Wajar untuk berasumsi bahwa elektron bebaslah yang mengalirkan arus dalam logam.

Carl Victor Eduard Rikke

PENGALAMAN L.I. MANDELSHTAMA dan N.D. PAPALEKSI

Ilmuwan Rusia L. I. Mandelstam dan N. D. Papaleksi pada tahun 1913 melakukan eksperimen orisinal. Kumparan dengan kawat mulai berputar ke arah yang berbeda. Bersantai, searah jarum jam, lalu tiba-tiba berhenti dan - kembali. Mereka beralasan seperti ini: jika elektron benar-benar memiliki massa, maka ketika kumparan tiba-tiba berhenti, elektron akan terus bergerak dengan inersia untuk beberapa waktu. Dan begitulah yang terjadi. Kami menghubungkan telepon ke ujung kabel dan mendengar suara, yang berarti arus mengalir melaluinya.

Mandelstam Leonid Isaakovich

Nikolai Dmitrievich Papaleksi (1880-1947)

PENGALAMAN T. STUART DAN R. TOLMAN

Pengalaman Mandelstam dan Papaleksi diulangi pada tahun 1916 oleh ilmuwan Amerika Tolman dan Stuart.

Sebuah koil dengan sejumlah besar lilitan kawat tipis dibawa ke putaran cepat di sekitar porosnya. Ujung koil dihubungkan dengan kabel fleksibel ke galvanometer balistik yang sensitif. Kumparan yang tidak terpilin mengalami perlambatan tajam, arus jangka pendek muncul di sirkuit karena inersia pembawa muatan. Muatan total yang mengalir melalui rangkaian diukur dengan defleksi jarum galvanometer.

Butler Stuart Thomas

Richard Mengejar Tolman

TEORI ELEKTRONIK KLASIK

Asumsi bahwa elektron bertanggung jawab atas arus listrik dalam logam sudah ada bahkan sebelum percobaan Stewart dan Tolman. Pada tahun 1900, ilmuwan Jerman P. Drude, berdasarkan hipotesis keberadaan elektron bebas dalam logam, menciptakan teori elektroniknya tentang konduktivitas logam, dinamai menurut nama teori elektronik klasik . Menurut teori ini, elektron dalam logam berperilaku seperti gas elektron, seperti gas ideal. Ini mengisi ruang antara ion yang membentuk kisi kristal logam

Gambar tersebut menunjukkan lintasan salah satu elektron bebas dalam kisi kristal logam

KETENTUAN UTAMA TEORI:

Kehadiran sejumlah besar elektron dalam logam berkontribusi pada konduktivitas yang baik.
Di bawah aksi medan listrik eksternal, gerakan teratur ditumpangkan pada gerakan acak elektron, mis. arus terjadi.
Kuat arus listrik yang mengalir melalui konduktor logam adalah:
Karena struktur internal zat yang berbeda berbeda, hambatannya juga akan berbeda.
Dengan peningkatan gerakan kacau partikel suatu zat, tubuh menjadi panas, mis. pelepasan panas. Di sini hukum Joule-Lenz diamati:

l \u003d e * n * S * Ū d

SUPERKONDUKTIVITAS LOGAM DAN PADUAN

Beberapa logam dan paduan memiliki superkonduktivitas, sifat yang memiliki hambatan listrik nol saat mencapai suhu di bawah nilai tertentu (suhu kritis).

Fenomena superkonduktivitas ditemukan oleh fisikawan Belanda H. Kamerling - Ohness pada tahun 1911 dalam air raksa (T cr = 4,2 o K).

APLIKASI ARUS LISTRIK:

menerima medan magnet yang kuat
transmisi listrik dari sumber ke konsumen
elektromagnet yang kuat dengan belitan superkonduktor di generator, motor listrik dan akselerator, di perangkat pemanas

Saat ini terdapat masalah besar di bidang energi terkait dengan kerugian yang besar selama transmisi listrik melalui kabel.

Solusi yang mungkin untuk masalah ini:

Pembangunan saluran transmisi tambahan - penggantian kabel dengan penampang besar - peningkatan tegangan - pemisahan fase

ARUS LISTRIK DALAM LOGAM

slide 2

Dasar-dasar teori konduktivitas elektronik Pada awal abad ke-20, teori elektronik klasik tentang konduktivitas logam diciptakan (P. Drude, 1900, H. Lorenz, 1904), yang memberikan penjelasan sederhana dan visual dari sebagian besar sifat listrik dan termal logam. Paul Drude Karl Ludwig - fisikawan Jerman Hendrik Anton Lorenz - fisikawan Belanda

slide 3

Gerakan elektron mematuhi hukum mekanika klasik. Elektron tidak berinteraksi satu sama lain. Elektron berinteraksi hanya dengan ion kisi kristal, interaksi ini direduksi menjadi tabrakan. Dalam interval antara tumbukan, elektron bergerak bebas. Elektron konduksi membentuk "gas elektron", seperti gas ideal. "Gas elektronik" mematuhi hukum gas ideal. Dalam setiap tumbukan, elektron mentransfer semua energi yang terakumulasi. Teori elektronik klasik Drude - Lorentz.

slide 4

Arus listrik dalam logam Ion-ion kisi kristal logam tidak berperan dalam pembentukan arus. Pergerakan mereka selama aliran arus berarti perpindahan materi di sepanjang konduktor, yang tidak diamati. Misalnya, dalam percobaan E. Rikke (1901), massa dan komposisi kimia konduktor tidak berubah selama aliran arus sepanjang tahun.

slide 5

Kesimpulan: Tidak ada perpindahan materi \u003d\u003e 1) Ion logam tidak ikut serta dalam perpindahan muatan listrik. 2) Pembawa muatan - partikel yang membentuk semua logam Pengalaman Rikke 1901

Slide 6: Elektron tidak berinteraksi satu sama lain, tetapi dengan ion kisi kristal. Dengan setiap tumbukan, elektron mentransfer energi kinetiknya

Slide 7

Bukti eksperimental bahwa arus dalam logam diciptakan oleh elektron bebas diberikan dalam percobaan L.I. Mandelstam dan N. D. Papaleksi (1913, hasilnya tidak dipublikasikan), serta T. Stewart dan R. Tolman (1916). Mereka menemukan bahwa ketika kumparan yang berputar cepat berhenti tiba-tiba, arus listrik muncul di konduktor kumparan, yang diciptakan oleh partikel bermuatan negatif - elektron.

Slide 8

Pengalaman Mandelstam dan Papaleksi Kesimpulan: Pembawa muatan listrik bergerak dengan inersia 1913

Slide 9

Pengalaman Tolman dan Stewart Kesimpulan: Pembawa muatan dalam logam adalah partikel bermuatan negatif. Hubungan = > Arus listrik pada logam disebabkan oleh pergerakan elektron 1916

Slide 10: Ion membuat getaran termal, di dekat posisi kesetimbangan - simpul kisi kristal. Elektron bebas bergerak secara acak dan bertabrakan dengan ion kisi kristal selama pergerakannya.

slide 11

Konduktor logam terdiri dari: ion bermuatan positif berosilasi di sekitar posisi kesetimbangan, dan 2) elektron bebas yang dapat bergerak di seluruh volume konduktor. Dalam logam, dengan tidak adanya medan listrik, elektron konduksi bergerak secara acak dan bertabrakan, paling sering dengan ion kisi kristal. Totalitas elektron ini kira-kira dapat dianggap sebagai sejenis gas elektron yang mematuhi hukum gas ideal. Kecepatan rata-rata gerak termal elektron pada suhu kamar adalah sekitar 105 m/s.

slide 12

Ketergantungan resistansi konduktor R pada suhu: Ketika dipanaskan, dimensi konduktor sedikit berubah, tetapi resistivitas terutama berubah. Resistansi spesifik konduktor bergantung pada suhu: di mana rho adalah resistansi spesifik pada 0 derajat, t adalah temperatur, adalah koefisien temperatur resistansi (yaitu perubahan relatif resistivitas konduktor ketika dipanaskan satu derajat)

slide 13

Untuk semua konduktor logam, α > 0 dan sedikit berubah dengan suhu. Untuk sebagian besar logam dalam rentang suhu dari 0 ° hingga 100 °C, koefisien α bervariasi dari 3,3⋅10–3 hingga 6,2⋅10–3 K–1 (Tabel 1). Dalam logam yang murni secara kimiawi, terdapat paduan khusus, yang resistansinya praktis tidak berubah saat dipanaskan, misalnya manganin dan konstantan. Koefisien ketahanan suhu mereka sangat rendah dan masing-masing sama dengan 1⋅10–5 K–1 dan 5⋅10–5 K–1.

Slide 14

Jadi, untuk konduktor logam, dengan meningkatnya suhu, resistivitas meningkat, resistansi konduktor meningkat, dan arus listrik dalam rangkaian berkurang. Resistansi konduktor dengan perubahan suhu dapat dihitung dengan rumus: R = Ro (1 + t) dimana Ro adalah resistansi konduktor pada 0 derajat Celcius t adalah temperatur konduktor - koefisien temperatur resistansi

Slide 15: Resistensi konduktor

Resistansi adalah kuantitas fisik yang mencirikan tingkat resistansi konduktor terhadap pergerakan muatan yang diarahkan. Resistivitas adalah resistansi konduktor silinder dengan satuan panjang dan satuan luas penampang. Superkonduktivitas adalah fenomena fisik yang terdiri dari penurunan resistansi tiba-tiba ke nol pada suhu kritis tertentu (T cr) - resistivitas, - panjang konduktor, S - luas penampang \u003d (1 + ∆ T) - resistivitas pada t \u003d 20 0 С; - koefisien suhu resistansi = 1/273 0 K -1 ∆ T - perubahan suhu T, K 0 superkonduktor logam T cr 293

slide 16

Superkonduktivitas, sifat dari banyak konduktor, terdiri dari fakta bahwa hambatan listriknya tiba-tiba turun menjadi nol ketika didinginkan di bawah suhu kritis tertentu T k, karakteristik dari bahan tertentu. C. ditemukan di lebih dari 25 elemen logam, di sejumlah besar paduan dan senyawa intermetalik, dan juga di beberapa semikonduktor.

Slide 17

Pada tahun 1911, fisikawan Belanda Kamerling-Onnes menemukan bahwa ketika merkuri didinginkan dalam helium cair, resistansinya mula-mula berubah secara bertahap, dan kemudian pada suhu 4,2 K turun tajam menjadi nol.

Slide 18

G. Kamerlingh-Onnes dianugerahi Hadiah Nobel Fisika pada tahun 1913 "untuk mempelajari sifat-sifat materi pada suhu rendah". Belakangan diketahui bahwa lebih dari 25 unsur kimia - logam pada suhu sangat rendah menjadi superkonduktor. Masing-masing dari mereka memiliki suhu transisi kritisnya sendiri ke keadaan tanpa hambatan. Nilai terendah untuk tungsten adalah 0,012 K, nilai tertinggi untuk niobium adalah 9 K. Superkonduktivitas diamati tidak hanya pada logam murni, tetapi juga pada banyak senyawa dan paduan kimia. Dalam hal ini, unsur-unsur itu sendiri, yang merupakan bagian dari senyawa superkonduktor, mungkin bukan superkonduktor. Misalnya NiBi, Au2Bi, PdTe, PtSb dan lainnya. Hingga tahun 1986, superkonduktor diketahui memiliki sifat ini pada suhu yang sangat rendah, di bawah –259°C. Pada tahun 1986-1987, material dengan suhu transisi ke keadaan superkonduktor sekitar -173 °C ditemukan. Fenomena ini disebut superkonduktivitas suhu tinggi, dan nitrogen cair dapat digunakan sebagai pengganti helium cair untuk mengamatinya.

Slide 19: Superkonduktivitas

Akademisi V.L. Ginzburg, peraih Nobel untuk karyanya tentang superkonduktivitas

Slide 20: Superkonduktivitas logam dan paduan

Untuk banyak logam dan paduan pada suhu mendekati T = 0 K, terjadi penurunan resistivitas yang tajam - fenomena ini disebut superkonduktivitas logam. Ditemukan oleh fisikawan Belanda H. Kamerling - Ohness pada tahun 1911 dalam air raksa (T cr = 4,2 o K). T P 0

slide 21: informasi umum

Sekitar setengah dari logam dan beberapa ratus paduan memiliki sifat superkonduktivitas. Sifat superkonduktor tergantung pada jenis struktur kristal. Mengubahnya dapat mentransfer materi dari keadaan biasa ke keadaan superkonduktor. Temperatur kritis isotop unsur yang masuk ke keadaan superkonduktor terkait dengan massa isotop dengan hubungan: T e (M e) 1/2 = const (efek isotop) Medan magnet yang kuat menghancurkan efek superkonduktivitas. Oleh karena itu, ketika ditempatkan dalam medan magnet, sifat superkonduktivitas dapat hilang.

Slide 22: Reaksi terhadap pengotor

Pengenalan pengotor ke dalam superkonduktor mengurangi ketajaman transisi ke kondisi superkonduktor. Pada logam normal, arus menghilang setelah sekitar 10 -12 detik. Dalam superkonduktor, arus dapat bersirkulasi selama bertahun-tahun (secara teoritis 105 tahun!).

Slide 23: Sifat fisik superkonduktivitas

Fenomena superkonduktivitas hanya dapat dipahami dan dibuktikan dengan bantuan konsep kuantum yang dipresentasikan pada tahun 1957 oleh ilmuwan Amerika J. Bardin, L. Cooper, J. Schrieffer dan akademisi Soviet N.N. Bogolyubov. Pada tahun 1986, superkonduktivitas suhu tinggi dari senyawa lantanum, barium dan elemen lainnya ditemukan (T = 100 0 K adalah titik didih nitrogen cair).

slide 24

Namun, resistansi nol bukanlah satu-satunya ciri superkonduktivitas. Diketahui juga dari teori Drude bahwa konduktivitas logam meningkat dengan penurunan suhu, yaitu hambatan listrik cenderung nol.

Berawal dari superkonduktor yang tidak bergerak, magnet mengapung dengan sendirinya dan terus melambung hingga kondisi eksternal mengeluarkan superkonduktor dari fase superkonduktor. Sebagai akibat dari efek ini, magnet yang mendekati superkonduktor akan "melihat" magnet dengan polaritas terbalik dengan ukuran yang persis sama, yang menyebabkan levitasi.

Slide 27: Penerapan superkonduktivitas

1. Elektromagnet yang kuat dengan belitan superkonduktor sedang dibuat, yang menciptakan medan magnet tanpa menghabiskan listrik dalam jangka waktu lama, karena tidak terjadi pelepasan panas. 2. Magnet superkonduktor digunakan dalam akselerator partikel elementer, magnetohidrodinamik, dan generator yang mengubah energi pancaran gas terionisasi panas yang bergerak dalam medan magnet menjadi energi listrik. 3. Superkonduktivitas suhu tinggi dalam waktu dekat akan menyebabkan revolusi teknis dalam elektronika radio dan teknik radio. 4. Jika memungkinkan untuk membuat superkonduktor pada suhu kamar, generator dan motor listrik akan menjadi sangat kompak dan memungkinkan untuk mentransmisikan listrik jarak jauh tanpa kehilangan.